martes, 1 de agosto de 2023

¿Por qué se extinguieron los Dinosaurios? - Pedro Pereda Gómez

¿Por qué se extinguieron los Dinosaurios?
(Por Pedro Pereda Gómez)



(Noviembre 2016)



Los dinosaurios aparecieron hace unos 230 millones de años, durante el periodo Triásico, y dominaron la tierra, el aire y los mares de nuestro planeta durante más de 150 millones de años. Durante este periodo evolucionaron algunas de las criaturas más impresionantes de la naturaleza: dinosaurios carnívoros de 6 metros de altura, dinosaurios herbívoros de 26 metros de longitud y pterosaurios con la envergadura de 12 metros.

Sin embargo, hace 65 millones de años se extinguió el último dinosaurio no aviario. Igual que los gigantescos mosasaurios y plesiosaurios que en su día dominaron los mares, y los pterosaurios en los cielos. Pero no solo los dinosaurios, también el plancton, la base de la cadena alimenticia del océano, se vio muy afectado. Además, muchas familias de braquiópodos y esponjas de mar desaparecieron, igual que los restantes ammonites de concha dura. También se redujo la gran diversidad de tiburones y se marchitó la mayor parte de la vegetación. En resumen, se eliminó más de la mitad de las especies mundiales.

¿Qué causó esta masiva extinción que marca el final del Cretácico y el comienzo del Paleógeno?

Los científicos han coincidido en dos hipótesis para explicar la extinción del Cretácico: un impacto extraterrestre, por ejemplo un asteroide o un cometa, o un período de gran actividad volcánica. Cualquiera de los dos escenarios habría ahogado los cielos con restos que privaron a la Tierra de la energía del sol, impidiendo la fotosíntesis y extendiendo la destrucción arriba y abajo de la cadena alimenticia. Una vez que se asentó el polvo, los gases de efecto invernadero bloqueados en la atmósfera habrían provocado que se disparara la temperatura, un repentino cambio climático acabó con mucha de la vida que logró sobrevivir a la prolongada oscuridad.

La teoría del impacto extraterrestre se basa en el descubrimiento de un estrato o capa de arcilla de color oscuro en los sedimentos que datan de la época de la extinción. Este estrato tiene, entre otras características, un alto nivel de Iridio, elemento químico raro en la corteza terrestre que, sin embargo, se encuentra en los meteoritos con la misma concentración que en este estrato. Puesto que este estrato se encuentra en todo el planeta, en la tierra y en los océanos, esto condujo a los científicos a afirmar que el Iridio se esparció por el planeta cuando un cometa, o un asteroide, cayó en algún lugar de la Tierra y a continuación se evaporó. Este estrato también presentaba abundancia de hollín, el cual debió producirse por el gran incendio que siguió a la caída del meteorito.

Los defensores de la teoría de la gran actividad volcánica nos indican que el núcleo de la Tierra también es rico en Iridio, y el núcleo es el origen del magma que vomitó la Tierra en la Meseta del Decán (India), una de las mayores formaciones volcánicas de la Tierra, donde se apiló material volcánico sobre más de 1.500.000 kilómetros cuadrados de superficie y 2000 metros de espesor. Este período de actividad volcánica también se ha calculado que ocurrió entre 60 y 68 millones de años, al final del Cretácico, y habría extendido el Iridio por todo el planeta, junto con el polvo que ocultaba la luz solar y los gases de efecto invernadero.

Sin embargo, la teoría del impacto extraterrestre se vio reforzada por otra característica de este estrato, que es la gran acumulación de esférulas de vidrio, que se producen cuando se solidifica rápidamente roca vaporizada, y de un tipo especial de cristales de cuarzo llamado “cuarzo de impacto” que solo se encuentra en las proximidades de los cráteres producidos por la caída de objetos del espacio.

Pero si era cierto que hace 65 millones de años un meteorito de gran tamaño, capaz de ser el responsable de la extinción masiva descrita, había caído en la Tierra, era necesario localizar el lugar del impacto.

Puesto que no se conocía en la superficie continental ningún cráter que se adaptara a las características de este meteorito, se partió de la posibilidad de que el impacto hubiera ocurrido en el océano. Partiendo de esta hipótesis, los científicos buscaron las huellas que hubiera dejado un tsunami posterior al impacto. Estas huellas, denominadas tsunamitas, son unos depósitos caracterizados por una sedimentación caótica y se encontraron en Texas (Estados Unidos), México y en diversas localidades del Caribe. Finalmente, en el año 1991 se descubrió el cráter de impacto en Chicxulub, en la península de Yucatán (México).

El cráter de Chicxulub, cuya antigüedad se ha fijado en 65 millones de años, mide más de 180 kilómetros de diámetro y forma una de las zonas de impacto más grandes del mundo. Se estima que el “bólido” que lo formó medía al menos 10 kilómetros de diámetro. Este cráter se encuentra bajo más de un kilómetro de sedimentos carbonatados, lo que ha desfigurado su aspecto topográfico y ha hecho difícil su localización, pero los estudios en profundidad realizados permitieron descubrir el contorno del cráter.

Se estima que el impacto del “bólido” fue dos millones de veces más potente que el dispositivo explosivo más potente creado por el hombre, jamás detonado, con una potencia de 50 megatones. Incluso la mayor erupción volcánica explosiva que se conoce en la historia reciente, la que creó la Caldera de la Garita en Colorado (Estados Unidos) hace entre 40 y 25 millones de años, fue significativamente menos potente que el impacto de Chicxulub.

El impacto habría causado algunos de los megatsunamis más grandes de la historia de la Tierra. Una nube de polvo, cenizas y vapor habrían extendido el diámetro y área del cráter, cuando el meteorito se hundía en la corteza terrestre en menos de un segundo. El material excavado, junto con trozos del asteroide, habrían sido eyectados a la atmósfera por la explosión, se habrían calentado hasta convertirse en cuerpos incandescentes y habrían reentrado a la propia atmósfera terrestre, quemándola y posiblemente provocando incendios globales. Mientras tanto, enormes ondas de choque habrían causado terremotos y erupciones volcánicas globales. La emisión de polvo y partículas podrían haber cubierto la superficie entera de la Tierra durante varios años, posiblemente una década, creando un medio de vida difícil para los seres vivos. La producción de dióxido de carbono provocada por el choque y por la destrucción de rocas carbonatadas habría causado un dramático efecto invernadero. Otra consecuencia del impacto es que las partículas de polvo de la atmósfera habrían impedido que la luz solar llegara a la superficie de la Tierra, disminuyendo la temperatura drásticamente. La fotosíntesis de las plantas habría quedado interrumpida, afectando a la totalidad de la red trófica.

El descubrimiento de otros cráteres, como el cráter de Shiva en el Océano Indico, el cráter Silverpit en el Mar del Norte frente a las costas del Reino Unido y el cráter Boltysh en Ucrania, probablemente causados por grandes objetos extraterrestres que impactaron contra la Tierra, condujo a la teoría del impacto múltiple por la cual Chicxulub solo fue uno de varios impactos que habrían ocurrido aproximadamente al mismo tiempo. La colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter en 1994, en la cual el asteroide se fragmentó en varias partes antes de la colisión, demostró que las interacciones gravitacionales pueden afectar a un cometa creando la posibilidad de múltiples impactos en un período de días. Algo similar pudo ocurrir en la Tierra hace 65 millones de años.

En cualquier caso, ya sea por el impacto de uno o de varios meteoritos, la teoría del impacto extraterrestre goza actualmente de una aceptación amplia, aunque algunos científicos todavía la critican por considerar que de ser cierto un impacto de estas características, ¿por qué sobrevivieron mamíferos, tortugas, cocodrilos, salamandras y ranas? Las aves también se libraron, al igual que las serpientes, bivalvos y los erizos y estrellas de mar. Incluso a las plantas resistentes capaces de soportar climas extremos les fue bien.

Ambas teorías, la del impacto extraterrestre y la del vulcanismo masivo, son meritorias. Sin embargo, en Marzo de 2010, expertos de Europa, Estados Unidos, México, Canadá y Japón confirmaron que la extinción masiva fue originada por el impacto de un meteorito, quedando desvirtuadas otras hipótesis como la del vulcanismo masivo.

Independientemente de lo que provocó la extinción, ésta marcó el fin del reino de terror de los grandes carnívoros bípedos del Triásico, como el Tyrannosaurio rex, y permitió que los mamíferos se diversificaran rápidamente y evolucionaran a nichos recién abiertos.

Pero, ¿realmente han desaparecido todos los dinosaurios? La respuesta es no. Al principio hemos hablado de la extinción de los “dinosaurios no aviarios”, porque los científicos consideran que las aves actuales son los supervivientes de un grupo de dinosaurios terópodos que surgieron durante la era Mesozoica y que lograron superar la catástrofe y evolucionar. Recordemos que también eran dinosaurios terópodos los grandes carnívoros bípedos del Triásico, aunque estos tuvieron peor fortuna.

Las aves comparten muchas características únicas, esqueléticas y de comportamiento, con los dinosaurios. Por otra parte, muchos fósiles de dinosaurios se han recogido con plumas preservadas, e incluso algunos tienen largas plumas en brazos y patas formando alas.

Por tanto podemos concluir que las aves de hoy en día son los seres más parecidos a los dinosaurios que habitaron la Tierra en el pasado. Solo necesitamos levantar la vista y mirar al cielo para ver los dinosaurios de hoy.

 

 

 

Pedro Pereda Gómez

Licenciado en Biología

Director de Hemasoft

 



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lunes, 24 de julio de 2023

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»? - José Ramón Martínez Saavedra

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»?
(Por José Ramón Martínez Saavedra)



(Noviembre 2016)



Escribo estas líneas un caluroso día de junio en Madrid; todo aquel que haya pasado al menos un día de verano en esta ciudad sabe la tortura que supone salir a la calle pasadas las dos de la tarde: un asfalto tan caliente que se podrían incluso freír huevos en él, un aire tan irrespirable y pesado que se puede hasta cortar con un cuchillo y, además, un sol de justicia bajo el cual te achicharras vivo.

Y es que, digan lo que digan, no hay nada mejor que un día de verano en Madrid para acordarse de todos los procesos de transmisión de calor. El lector interesado puede observar, por ejemplo, la conducción de calor entre el asfalto y el aire que está en contacto con él; también puede estudiar la convección de este aire caliente, subiendo desde el asfalto, impactándole (sin piedad alguna) en la cara, haciéndole sudar. En ambos casos, el calor se transmite en un medio material: bien mediante el contacto entre los dos medios, bien mediante la aparición de corrientes dentro del material en sí.

Por último, no podemos olvidarnos del Sol, y de cómo esta inmensa bola de fuego es la responsable última de este calor (si se apagase, aunque fuese por un rato, a la hora de la siesta…). Sin embargo –a diferencia de los otros dos casos–, el calor del Sol no necesita de ningún tipo de medio material para transmitirse (y hacer reventar el termómetro), sino que calienta los objetos que tiene a su alrededor irradiándolos.

“Muy bien”, podrá decir el lector, “pero esta radiación, ¿de dónde sale? ¿Y qué tiene que ver con las transferencias de calor?”. Para ello, me temo que es necesario hacer un pequeño viaje al mundo subatómico, para tratar de explicar qué está ocurriendo ahí cuando hablamos de “transmisión de calor”: sin más dilación, reduzcamos nuestra escala en un factor de mil millones, a ver qué nos encontramos.

Una vez reducidos a esta escala, podemos fijarnos en los átomos del material: pequeñas bolas que… ¡se mueven! No demasiado, probablemente, pero parece que vibren alrededor de su posición de equilibrio: es esta energía asociada a la vibración de los átomos la que generalmente asociamos a escala macroscópica con la “temperatura” de un cuerpo. Con este modelo, que un cuerpo esté “más caliente” que otro quiere decir que sus átomos vibran más en comparación.

Esta imagen explica bastante bien los procesos de transmisión de calor por conducción: imaginad que ponemos en contacto dos cuerpos, uno muy caliente (átomos vibrando) y otro muy frío (átomos casi quietos). Al ponerlos en contacto, los átomos en la superficie empezarán a “colisionar” entre sí, intercambiando energía en el proceso: los átomos que antes estaban quietos empezarán a moverse (se pondrán calientes), mientras que los átomos que antes se agitaban furiosamente probablemente se agiten bastante menos ahora (en otras palabras, se enfriarán): este proceso ocurrirá hasta que ambos materiales se agiten con la misma intensidad (es decir, que tengan la misma temperatura).

Para procesos de convección el mecanismo es bastante similar: la principal diferencia en este caso proviene del hecho de que estos procesos ocurren principalmente en fluidos, sustancias en las que los átomos tienen una mayor libertad de movimiento. En el caso de fluidos, los cambios en la temperatura suelen venir acompañados de cambios en la densidad, lo cual hace que se produzcan corrientes para redistribuir el fluido en orden de densidades. Estas corrientes mezclan regiones calientes (con átomos vibrantes) con regiones frías (con átomos casi estáticos), las cuales se equilibran entre sí posteriormente mediante procesos de conducción.

Por último, el modelo también es útil para explicar los procesos de emisión de radiación: cuando un átomo vibra no lo hace con velocidad constante, sino que sufre aceleraciones y deceleraciones constantemente: estas aceleraciones afectan a todas las partículas que conforman el átomo, las cuales tienen generalmente carga eléctrica (como el electrón y el protón). La teoría electromagnética predice –sin entrar en mucho detalle– que una partícula cargada que experimenta un movimiento acelerado emitirá radiación electromagnética; los parámetros de dicha radiación (su intensidad y su frecuencia) dependen del movimiento en sí: si la partícula vibra más, tanto la intensidad de la radiación (es decir, cuánto calor emite) como su frecuencia (es decir, en qué tipo de radiación electromagnética lo va a emitir) pueden cambiar.

La radiación de las partículas cargadas, además, se extiende por el espacio. Otra predicción —esta más intuitiva— de la teoría electromagnética es que las partículas cargadas pueden interactuar con los campos electromagnéticos que las rodean, intercambiando energía con ellos. Esto, aplicado a nuestro caso, quiere decir que la energía liberada por una partícula cargada (en forma de un campo electromagnético propagándose en el espacio) puede ser reabsorbida por otras, las cuales no tienen por qué estar en su entorno más cercano.

Por supuesto, también hay muchos otros procesos por los que un material puede emitir y absorber radiación, la mayoría de ellos asociados a transiciones electrónicas. Sin embargo, podemos intentar imaginarnos un sistema en el que eliminamos cualquier otra fuente de radiación. En este caso, la única fuente de radiación posible es la que hemos comentado anteriormente: la proveniente del hecho de que las partículas cargadas se agitan en el interior del material. Es a dicha radiación a la que nos referimos como “radiación de cuerpo negro”.

Sin embargo, el origen del nombre “cuerpo negro” no proviene precisamente de considerar un emisor térmico, sino de otra definición que, a primera vista, no tiene nada que ver; como escribía Kirchoff en 1860 [1]:

La prueba que estoy a punto de ofrecer de la ley anterior asume que se puedan imaginar cuerpos tales que (para espesores despreciables) absorban completamente todos los rayos incidentes, y no reflejen ni transmitan ninguno de ellos. A dichos cuerpos los denominaré como “perfectamente negros” o, más brevemente, “cuerpos negros”.

Esta definición, aunque en apariencia antagónica, resulta equivalente a la imagen que dimos anteriormente: un cuerpo que absorba toda la energía de la radiación, sin reflejar ni transmitir nada, implica que no hay procesos de radiación al margen de los térmicos. La energía de la radiación se convierte, en última instancia, en energía cinética de los constituyentes del cuerpo (si el material no sufre cambios en su estructura interna, por supuesto). El incremento en la energía cinética produce una agitación más intensa de las partículas, provocando una mayor cantidad de radiación térmica liberada al entorno. Dicha radiación tiene dos propiedades características: su dependencia exclusiva de la temperatura y su isotropía. La primera se refiere a que la radiación solo depende de la temperatura a la que esté el cuerpo negro; parámetros como su composición, su geometría, cualquier variable microscópica… son irrelevantes: si conocemos la temperatura del cuerpo negro, conocemos su patrón de emisión de radiación. Por otro lado, con “isotropía” nos referimos a que el tipo de radiación que emite el cuerpo es idéntica en todas las direcciones: da igual por dónde miremos, siempre encontraremos el mismo patrón de emisión tanto en intensidad como en la distribución en frecuencias de la luz.

Ambas propiedades se explican relativamente bien con nuestro modelo: si un material tiene la misma temperatura en todos lados, la energía cinética asociada a la agitación de las partículas tiene que ser la misma en prácticamente todos lados. Como dijimos anteriormente, cada temperatura tiene asociada una “energía cinética promedio” con la que se agitan los cuerpos: como el patrón de radiación depende únicamente de la cantidad de energía disponible de cara a que los componentes del material se agiten, el patrón de radiación debe depender de la temperatura única y exclusivamente. Por otra parte, este movimiento de agitación es aleatorio, y no tiene una dirección privilegiada; por tanto, en promedio se emitirá radiación en todas las direcciones posibles por igual, dando lugar al patrón isótropo de radiación que comentábamos anteriormente.

Otra propiedad extraordinariamente interesante de la radiación de cuerpo negro es su color: aunque parece de perogrullo preguntarse ¿de qué color es un cuerpo negro?”, lo cierto es que el color de un cuerpo negro depende de la temperatura a la que esté: si aumentamos su temperatura, empezaremos a ver que el material pasa de negro a rojo, de rojo a amarillo, de amarillo a blanco y de blanco a… ¿azul? ¿Cómo que azul? La respuesta a esto, en el siguiente capítulo.

 

 

Notas:

[1] «The proof I am about to give of the law above stated, rests on the supposition that bodies can be imagined which, for infinitely small thicknesses, completely absorbs all incident rays, and neither reflect nor transmit any. I shall call such bodies perfectly black, or, more briefly, black bodies». Extraído de “On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat. The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science (Taylor & Francis) 20 (130)”

 

 

 

José Ramón Martínez Saavedra

Magíster en Fotónica

Doctorando — ICFO-Institut de Ciències Fotòniques

 



Nacido en Madrid en 1990. Estudiante de doctorado en el grupo de Nanofotónica Teórica del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona. Máster en Fotónica por la Universidad Politécnica de Cataluña, y Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid.


Actualmente compagina sus estudios en respuesta óptica de nanoestructuras y metamateriales con una labor ocasional de divulgación científica, así como con incursiones en el mundo culinario (estas últimas sin demasiado éxito).

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jueves, 22 de junio de 2023

ALCUBIERRE - OLDFIELD - CLARKE

 ALCUBIERRE - OLDFIELD - CLARKE

Entrevista a Miguel Alcubierre en el Pódcast Oscilador Armónico



Curiosamente en una parte de esa entrevista Isabel Cordero y Antonio Rivera
charlan con Miguel sobre un disco de Mike Oldfield

Corte Alcubierre-Oldfield




Y la casualidad es que paralelamente yo andaba estos días recomendando el maravilloso disco de Oldfield
The Songs of Distant Earth


Let There Be Ligth




Una historia de Ignorancia.
(Mi anécdota con relación a este disco)

Corría el año 1996 y viajé a Londres a visitar a mi novia, hoy mi mujer, y este disco
lo había escuchado por la radio (a Ramón Trecet en Diálogos 3 de Radio 3-RNE) y no lo encontraba en Madrid.
Me empeñe en que lo tenía que buscar y comprar aprovechando que estaba en Londres.
Una mañana, estando solo, me animé a ir a una tienda y dado que no lo encontraba me atreví a
pedírselo a un dependiente (inglés claro está) en español, le dije que era un disco que llevaba un CD-ROM. 
A mi me parecía que se lo estaba explicando perfectamente, no comprendía por qué el dependiente
no entendía mi repetida frase "Ce De Rom". Tras varias repeticiones lo dejé por imposible.
En la tarde del día siguiente volví con mi novia, no recuerdo si coincidimos con el mismo dependiente, y
a la primera me consiguió el disco.
La segunda parte de la "Ignorancia" era que el CD-ROM contenía un pista que era un juego interactivo
con imágenes inspiradas en el libro de Arthur C. Clarke y sorpresa la mía, ya en Madrid,
que no funcionaba. Entonces me enteré que era para Mac!!! y yo tenía Microsoft.
Muchos años más tarde he consguido verlo con la misma ilusión que entonces, pero he de reconocer
que ya con la visión moderna de "calidad de imágenes", al igual que si ves el "COSMOS" original,
el encanto sólo lo encontramos algunos nostálgicos.

martes, 18 de abril de 2023

What is randomness? - Lance Fortnow

What is randomness?
(By Lance Fortnow)



We deal with chance every day. The weatherman says there is a 30% chance of rain today. I flip a coin with a friend to decide which movie to see. The cost of my automobile insurance depends on the insurance company’s beliefs in the probability that I will have an accident.

It rains today. The coin lands on heads. I don’t have an accident. Who chose these outcomes or were they predetermined? If they were predetermined, why do we think of these as random events? This isn’t an article about probabilities but about how randomness occurs, or seems to occur in our everyday lives.

 

1          Coin Flips

Let’s looks at a coin flip. Our thumb pushes against the coin into the air causing it to turn over and over. The amount of effort of the thumb, the trajectory of the coin and to lesser extent the pressure and resistance of the air itself control how this coin flips. Eventually the coin hits the ground and depending on the angle will settle into one of two low-energy states, either with the “heads” side of top or the “tails” side.

There is nothing particularly random about this process. Every aspect could be controlled and simulated. Whether the coin lands on “heads” or “tails” is basically determined as soon as the coin leaves the thumb. Nevertheless, we allow or often require that one player call “heads” or “tails” while the coin is in the air and still treat whether the coin lands on “heads” or “tails” as a random event.

The weather and my safe driving depend on far more complex chains of events though again they seem predetermined from the base conditions. Two questions stick out:

-Why do we consider this processes random?

-Is there true randomness in nature?

We’ll tackle the second question first.

 

2          Randomness in Nature

“God does not play dice” famously claimed Albert Einstein, a believer in scientific determinism. Before the 20th century many scientists believed the same, that the world and the universe moves following a path full defined from its current state. In 46 the 20th century we saw the development of quantum mechanics that made us question this philosophy.

Suppose you have a light bulb and put in front of that bulb a piece of cardboard with a thin vertical slit. Then through that slip light will come through only oriented in a vertical direction. We can check that easy enough by putting another cardboard with another slit in front. If that second cardboard has a vertical slit lined up with the first cardboard, then all the light passing through the first cardboard passes through the second. If the second cardboard has its slit oriented horizontally then no light will go through

What if we orient the second cardboard’s slit at a 45-degree angle? About half of the light will go through. As we reduce the light coming from the source, we equally scale down the light that comes through the 45-degree slit.

According to quantum mechanics, light is not made up of a substance that one can make arbitrarily small. Instead light comes in packets, or quanta. Think grains of sand that make up a beach. We can reduce the light source so it emits a single quanta of light, a photon. What happens if that vertically oriented photon hits the 45-degree slit?

You can actually run this experiment and put a photo detector at the other end of the cardboard with a bell that will ring if a photon is detected. Perhaps not surprisingly, half of the time the photon is blocked and the other half of the time it comes out of the slit oriented at the 45-degree angle. Half of the time the bell is rung.

This seems like true randomness, a completely controlled and reproducible experiment that has two distinct outcomes, a bell ringing or a silent bell, each occurring seemingly independent and with probability one half. God does seem to roll dice to choose whether or not to ring the bell.

Or maybe not? Perhaps we are just observing a piece of a larger deterministic system and by measuring the photon we reduce the dimension of the system we see but it is still part of the larger picture. This is a bit confusing so let’s consider what happens if we don’t observe the outcome. Suppose instead of ringing a bell, the detector releases a poisonous gas into a box containing a live cat. If a photon is detected the cat is killed, otherwise that cat continues living unaware of the unreleased gas. Suppose we don’t look inside the box. Thus is the tale of Schrödinger's cat.

Without looking inside the box we don’t know whether the cat is alive or dead, whether or not the photon was detected. We can think of either that the cat is alive or dead and we just don’t know the answer. Or we can view it as a quantum state, where the cat is both possible alive or dead in quantum superposition. Only when we open the box and view the cat does the superposition collapse into one of the states where either the cat is alive or dead. Similarly, someone sitting outside our universe can model out universe with a deterministic transition of quantum states in superposition as long as they never look inside the system.

So do we get true randomness or not in quantum mechanics? There is no true clear answer and is more a philosophical debate than a scientific one. There are other potential sources of randomness, for example black holes that seem to destroy information, that are even harder to reason about.

While physics doesn’t yet give us a clear answer of whether we have true randomness in nature, this question does not address the flipping coin. No single photon knocks this coin off its course. The coin flips in highly controlled experiment will always land the same way. How can randomness happen when events are determined?

 

3          Randomness from Complexity

When we flip a coin, a very deterministic process, why do we consider whether the coin lands on heads or tails random? With the proper sensors and enough computing power we could determine the coin’s outcome from its movement in the air. Typically, the coin we flip these coins between two humans and we just lack the computation power to compute the answer. The outcome of the coin is unpredictable to us, and being unpredictable we treat the answer as a random event. Our inability to compute the answer makes the outcome for all practical purposes random to us.

We can say the same for the weather. The weather agencies have powerful tools and computers to predict the weather but they have to use limited models because even the most powerful machines cannot take into account all the factors that may drive the weather, even for the next day. A weather forecaster still gives a percentage of rain treating rain like a randomized event.

In a casino, the dice and roulette wheels are simple devices yet rely on a number of complex interactions that they too seem completely random. Random enough that casinos literally put their money on the line on the assumption that the bettors cannot predict the outcome of a dice throw or a roulette wheel better than random chance. In craps many casinos will allow the bettors themselves to throw the dice, knowing that even doing so won’t give them an advantage in predicting the outcome. In blackjack, the dealer will often shuffle the cards directly in front of the bettors, and yet the bettors cannot treat the deck as anything but in a perfectly random order. Even card counters assume the deck is perfectly random, they just use the outcomes of earlier cards to adjust the probabilities of later ones.

In financial markets traders need to assume a probability on future prices in order to properly price securities because these prices depend on a complex way on a series of events and future trading.

In the United Kingdom, you can bet on the outcome of sporting events, elections, winners of award ceremonies. The betting sites don’t take a risk here, they set betting odds so that both sides are equally represented and they make money independent of the outcome. But the bettors must make probability estimates, consciously or unconsciously, in order to decide on which outcome to make the bet.

Even consider the game of chess. There is no obvious randomness in chess. The current board position is fully known to both players and no random devices, such as dice used in backgammon or card shuffling used in poker, are involved in a chess match. Yet we talk about risky moves and how likely we think white will win after a certain move in the game. The complexity of chess turns this game of “perfect information” into a game of “imperfect information” seemingly adding a measure of randomness to a game with no obvious source of randomness.

When you ask a computer for a random number, it doesn’t truly give you a random number. Rather it gives you the result of a complex calculation, to give you a number you can treat as random. Similarly, cryptographic protocols make real messages appear to be truly random to those who don’t have the proper decryption keys. There are a number of theoretical results that show how to convert any sufficiently hard function into a pseudorandom generators and cryptographic protocols that cannot be distinguished from true randomness. In practice we have also developed protocols that no man or machine can distinguish from purely random.

 

4          Removing randomness by beating complexity

With better and more powerful algorithms and computers we can sometimes beat randomness built from unpredictability and complexity. Our recent ability to access large amounts of data combined with machine learning algorithms now made feasible on current technology can help break through the unpredictability barrier. We cannot usually completely predict with confidence, but we can gain enough information about future probabilities to get an advantage over those who still view the original events as completely unpredictable.

New models, stronger computers and better algorithms have greatly improved weather forecasting though we are still a long way from forecasting with certainty. Hedge funds use deep mathematical techniques to gain an advantage in trading securities. Some sophisticated bettors can find small imperfections in roulette wheels using hidden computation devices and use that to gain a small but real advantage in betting. A chess playing computer, even housed in your smart phone, can beat any human these days by doing a better job of predicting the chances of winning from potential future game boards better than humans can.


5          What is randomness?

Whether we get true randomness from nature depends on the interpretation of what nature does. Truly what we view as randomness is not randomness at all, rather it is simply what we cannot predict given the complex processes that generates the outcomes of events.

Powerful new machine learning and data analytic tools can help us do a stronger job of prediction but for many events we will never be able to fully predict outcomes. Best we can do is to understand the nature of randomness. Making decisions in the face of uncertainly is one of the great challenges that people go through every day. Even the greatest of leaders will make choices they may later regret given how events play themselves out. But understanding what we cannot predict give us the best chances to address the challenges we have in the future.

Lance Fortnow
Ph.D. Applied Math
Professor and Chair
School of Computer Science, Georgia Institute of Technolgy






Lance Fortnow is professor and chair of the School of Computer Science of the College of Computing at the Georgia Institute of Technology. His research focuses on computational complexity and its applications to economic theory.

Fortnow received his Ph.D. in Applied Mathematics at MIT in 1989 under the supervision of Michael Sipser. Before he joined Georgia Tech in 2012, Fortnow was a professor at Northwestern University, the University of Chicago, a senior research scientist at the NEC Research Institute and a one-year visitor at CWI and the University of Amsterdam. Since 2007, Fortnow holds an adjoint professorship at the Toyota Technological Institute at Chicago.

Fortnow's research spans computational complexity and its applications, most recently to microeconomic theory. His work on interactive proof systems and time-space lower bounds for satisfiability have led to his election as a 2007 ACM Fellow. In addition he was an NSF Presidential Faculty Fellow from 1992-1998 and a Fulbright Scholar to the Netherlands in 1996-97.

Among his many activities, Fortnow served as the founding editor-in-chief of the ACM Transaction on Computation Theory, served as chair of ACM SIGACT and on the Computing Research Association board of directors. He served as chair of the IEEE Conference on Computational Complexity from 2000-2006. Fortnow originated and co-authors the Computational Complexity weblog since 2002, the first major theoretical computer science blog. He has thousands of followers on Twitter.


Fortnow's survey The Status of the P versus NP Problem is CACM's most downloaded article. Fortnow has written a popular science book The Golden Ticket: P, NP and the Search for the Impossible loosely based on that article.