Tendencias21
Resuelven el misterio de las 'ondas solitarias'

Resuelven el misterio de las 'ondas solitarias'

Investigadores de varios países han resuelto un misterio físico y matemático de hace 50 años, el de los ‘solitones’. Se trata de ondas ‘lobo solitario’ que mantienen su energía y forma aunque se crucen con otras ondas de su mismo tipo. En concreto, han recuperado, mejorando su exactitud, la solución matemática completa que dieron dos físicos en 1965, y la han demostrado en la realidad en un tanque de agua de Berlín.

Resuelven el misterio de las 'ondas solitarias' Las ondas solitarias, denominadas solitones, son una de las grandes curiosidades de la naturaleza: a diferencia de otras ondas, estas ondas lobo solitario mantienen su energía y forma mientras viajan, en lugar de disiparse o dispersarse como hacen la mayoría de las otras ondas.

En un nuevo artículo en Physical Review Letters, un equipo de matemáticos, físicos e ingenieros aborda un famoso problema, de 50 años de antigüedad, ligado a estas entidades enigmáticas.

El rompecabezas se remonta a 1965, cuando a los físicos estadounidenses Norman Zabusky y Martin Kruskal se les ocurrió una sorprendente solución a la ecuación Korteweg-de Vries, que sirve como un modelo matemático para describir las ondas no lineales en aguas poco profundas.

Usando un ordenador, Zabusky y Kruskal generaron una solución aproximada de la ecuación que contaba con ocho ondas independientes, tipo partículas. Cada una de estas ondas conservaba su forma y velocidad con el tiempo y la distancia -incluso después de chocar con otras ondas de su mismo tipo. Acuñaron el término «solitón» para describir estas entidades inusuales, dando origen a la investigación moderna en este campo.

Kruskal y otros pasaron luego a inventar un nuevo método matemático para resolver la ecuación Korteweg-de Vries con exactitud. Sin embargo, los cálculos necesarios para obtener respuestas concretas son complejos, y requieren por lo general el uso de una computadora para completarlos -lo cual limita la capacidad de los científicos para entender el fenómeno, incluida la solución de Zabusky y Kruskal, dice el matemático Gino Biondini, de la Universidad de Buffalo (Nueva York, EE.UU.).

Por otra parte, según el conocimiento de Biondini, el patrón de onda original que Zabusky y Kruskal describieron en 1965 nunca ha sido totalmente reproducido en el mundo físico (aunque los experimentos anteriores han logrado generar partes de la solución).

El nuevo estudio se ocupa de ambos problemas, dice Biondini, co-autor del artículo, en la información de su universidad.

Un enfoque nuevo para un problema viejo

Con Guo Deng, doctando en física, Biondini desarrolló un enfoque matemático que produce una solución aproximada de la ecuación. El nuevo enfoque permite a los investigadores hacer predicciones explícitas y precisas sobre el número de solitones que surgirá en un entorno determinado, así como cuáles serán las características de estas ondas, como su amplitud y velocidad.

La simplicidad del método significa que los investigadores pueden utilizarlo para obtener una mejor comprensión matemática de la formación de solitones en este tipo de situaciones, dice Biondini.

El profesor de matemáticas explica: «Hasta ahora, nos ha faltado una explicación simple para lo que describieron Zabusky y Kruskal. Nuestro método da una descripción completa de la solución que observaron, lo que significa que por fin podemos obtener una mejor comprensión de lo que está pasando». La parte práctica

Mientras Biondini y Deng trabajaban en el lado teórico del problema, colegas de Europa y Japón pusieron sus matemáticas a prueba en experimentos en el mundo real como parte de la misma investigación.

Dirigido por los científicos italianos Miguel Onorato y Stefano Trillo, de la Universidad de Turín y la Universidad de Ferrara, respectivamente, el equipo realizó experimentos en un tanque de agua de 110 metros de largo en Berlín usando un generador de ondas asistido por ordenador.

Los patrones de ondas que produjeron corresponden bien con las predicciones de Biondini y Deng, e incluían la solución original de ocho solitones descrita por Zabusky y Kruskal tantos años antes (aunque debe tenerse en cuenta que las ondas de agua comienzan a perder algo de energía después de viajar largas distancias, y son por lo tanto solitones sólo de forma aproximada).

«Experimentos previos habían producido partes de los famosos resultados de 1965, pero, por lo que yo sé, todos ellos tenían limitaciones», dice Onorato. «Hemos sido capaces de generar la solución más completa, incluyendo los ocho solitones. También hemos sido capaces de generar experimentalmente otra característica observada en las soluciones multi-solitones, a saber, el extraño fenómeno de la recurrencia, en el que un patrón de onda pasa de su estado inicial a un estado con varios solitones y de vuelta a su estado original».

«Esto es como poner a un grupo de niños en un espacio para que jueguen, y volver más tarde y encontrar que la habitación ha vuelto a su estado inicial, ordenado, después de un período de desorden».

En el trabajo han participado también la Universidad Técnica de Berlín (Alemania); la Universidad Aalto (Finlandia); la Universidad de Tokio (Japón); y el Istituto Nazionale di Física Nuclear, Sezione di Torino (Italia).

El estudio fue apoyado por el Ministerio de Educación, Universidad e Investigación de Italia; la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU.; la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; y la región de Borgoña (Francia). Referencia bibliográfica:

S. Trillo, G. Deng, G. Biondini, M. Klein, G. F. Clauss, A. Chabchoub, M. Onorato: Experimental Observation and Theoretical Description of Multisoliton Fission in Shallow Water. Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.144102.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Una pequeña luna de Saturno parecida a la “Estrella de la Muerte” de Star Wars contiene un océano oculto 8 febrero, 2024
    Por debajo de la superficie repleta de cráteres de Mimas, una de las lunas más pequeñas de Saturno, se esconde un océano global de agua líquida de reciente formación. El satélite posee tan sólo unos 400 kilómetros de diámetro y presenta un notable parecido con la “Estrella de la Muerte”, una estación espacial imperial que […]
    Pablo Javier Piacente
  • Logran controlar un objeto virtual con la mente durante un sueño lúcido 8 febrero, 2024
    Un grupo de participantes en un nuevo estudio científico logró manejar un vehículo virtual a través de un avatar únicamente con su mente, mientras sus cerebros permanecían en la fase REM del sueño. Además de profundizar en los misterios de la consciencia humana, la innovación podría facilitar el acceso a nuevos desarrollos tecnológicos, como un […]
    Pablo Javier Piacente
  • Un proyecto global trabaja para crear de forma colaborativa un cerebro robótico general 8 febrero, 2024
    El auge de la inteligencia artificial generativa impulsa un proyecto global que trabaja para crear un cerebro robótico general, capaz de generar androides como los que hemos visto hasta ahora solo en la ciencia ficción. Pero es cuestión de tiempo que convivamos con ellos en perfecta armonía. Ya no es una utopía.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • La IA está capacitada para resolver dilemas morales cuando conduce vehículos autónomos 8 febrero, 2024
    Los sistemas de IA muestran significativas similitudes éticas con las reacciones humanas ante dilemas morales, lo que los acreditan para conducir vehículos autónomos tal como lo harían las personas.
    Redacción T21
  • Los huracanes se están volviendo tan fuertes que ya no existen categorías para clasificarlos 7 febrero, 2024
    Cinco tormentas en la última década tuvieron velocidades de viento que pertenecen a una hipotética categoría 6 en la escala de huracanes Saffir-Simpson: el fenómeno obligaría a los científicos a crear una nueva clasificación, capaz de reflejar la virulencia de los huracanes en la actualidad. Las causas principales del fenómeno tienen su origen en el […]
    Pablo Javier Piacente
  • Un asteroide habría explotado sobre la Antártida hace unos 2,5 millones de años 7 febrero, 2024
    Un asteroide se desintegró sobre el continente antártico hace aproximadamente 2,5 millones de años: la evidencia proviene de un análisis químico de más de 100 pequeños trozos de roca extraterrestre, que se han preservado dentro de las enormes capas de hielo. Hasta el momento, solo se conocen otros dos eventos de explosiones aéreas antiguas en […]
    Pablo Javier Piacente
  • Crean la primera niña de inteligencia artificial del mundo 7 febrero, 2024
    La primera niña IA del mundo ha sido creada por científicos chinos, que la han dotado de emociones e intelecto y de la capacidad de aprender de forma autónoma. Se comporta como si tuviera tres o cuatro años y representa un avance significativo para el campo de la inteligencia artificial general.
    Redacción T21
  • Oponerse a la regulación de los pesticidas no es la solución al problema de los agricultores 7 febrero, 2024
    Los agricultores que se movilizan en España y Europa se oponen con firmeza a las nuevas regulaciones europeas en materia de pesticidas, lo que representa una amenaza mayor para la salud pública que tener una central nuclear al lado de casa: estos químicos han costado miles de vidas y enfermos crónicos, al tiempo que han […]
    Eduardo Costas | Catedrático de la UCM y Académico de Farmacia
  • El arte existió antes del surgimiento de los humanos modernos 6 febrero, 2024
    Nuevas investigaciones sugieren que nuestros parientes humanos arcaicos, como los neandertales, ya contaban con las capacidades cognitivas para desarrollar arte: el hallazgo de ejemplos cada vez más antiguos de expresión artística en el registro arqueológico confirmaría esta hipótesis. Sin embargo, aún se discute si estas manifestaciones creativas pueden catalogarse como arte.
    Pablo Javier Piacente
  • Descubren una nueva supertierra que podría ser un mundo habitable 6 febrero, 2024
    Un planeta extrasolar del tipo supertierra, denominado TOI-715 b y aproximadamente una vez y media más ancho que la Tierra, podría ser capaz de albergar vida: orbita dentro de la zona habitable de una enana roja, a escasa distancia de nuestro planeta. Además, podría estar acompañado de otro cuerpo planetario, con un tamaño casi idéntico al […]
    Pablo Javier Piacente