La Física y las simulaciones por computadora

Dr. Saúl Iván Hernández

La historia que quiero contarles tiene dos ingredientes, ambos muy humanos: por un lado tenemos a la curiosidad, la cual es una característica de nuestra especie (y que no es única de nosotros) y, por otro lado, la necesidad de contar (cosas, no contar cuentos). Empecemos percatándonos de que la humanidad tiene muchos años viviendo en la Tierra (aproximadamente 200 millones de años). La necesidad, la curiosidad y la capacidad de razonamiento hicieron que los humanos nos preguntáramos acerca de cómo está construida y cómo funciona la realidad a nuestro alrededor. Surgieron entonces muchas formas de explicar la naturaleza. De hecho cada uno de nosotros tiene una interpretación de la realidad que depende de muchos factores (cultura, edad, grupo social, etc.). De entre los muchos sistemas de pensamiento (incluyendo religiosos y filosóficos), lo que ahora llamamos ciencia ha probado ser una forma muy efectiva de explicar el universo (aunque esto no implica que actualmente tengamos un conocimiento completo de la realidad).

Esta efectividad radica en que la ciencia está basada en el método científico: al observar y experimentar la realidad, el científico identifica problemas y plantea modelos o explicaciones basadas en conocimientos previos, los cuales en muchos casos puede poner a prueba haciendo preguntas a la naturaleza de un modo fascinante: mediante la experimentación. Así es como generalmente se va construyendo el conocimiento nuevo.

La Física, una de las ramas de la ciencia, se caracteriza por aplicar sus métodos a todas las escalas espaciales, temporales y energéticas del universo (o al menos así lo pretende). Imaginemos a los humanos inventando las herramientas, descubriendo la manera de hacer fuego y manipular metales, inventando la rueda, la ropa y un enorme etcétera. Pasemos por los albores de la civilización, hasta llegar a las grandes culturas antiguas que han dejado sus huellas en nuestra historia: chinos, hindúes, sumerios, egipcios, babilonios, celtas, mayas, griegos y otro gran etcétera. Se considera a Nicolás Copérnico, a Tycho Brahe, a Johannes Kepler, y a Galileo Galilei entre los primeros científicos modernos. Después de ellos vendrían momentos cumbres para la historia de la ciencia con científicos como Isaac Newton, Max Planck, Marie Curie, Albert Einstein y Stephen Hawking.

La curiosidad fue la guía de la gran fuerza e inspiración que han tenido los científicos para ayudar a desarrollar la visión de la realidad que tenemos ahora: una realidad de gran complejidad, con un espacio-tiempo expandiéndose a partir de un big-bang, con estructuras auto-organizándose a nivel molecular para dar lugar a lo que conocemos como vida, y con el hecho de que la materia está constituida de átomos (cuyos núcleos están compuestos de quarks), y la luz está formada de paquetes de energía llamados fotones.

Por otro lado, tenemos esa necesidad humana de contar cosas: contamos pantallas, celulares, computadoras, automóviles, estrellas, años, plantas, animales, piedras, palabras, etc. Hace unos 30 mil años se usaban varas o huesos (como el Lebombo) para llevar las cuentas, y aproximadamente hace cuatro mil cuatrocientos años los babilonios inventaron el ábaco. Muchos años después, científicos como Wilhelm Schickard, Blaise Pascal y Gottfried Leibniz, inventaron máquina calculadoras mecánicas. Se considera que el inglés Charles Babbage concibió lo que hoy llamamos computadora, pero de ahí al surgimiento de Apple hay una larga historia.

Pues bien, los físicos en nuestra necesidad de cuantificar fenómenos que tratamos de plasmar en modelos matemáticos, somos los clientes perfectos para los vendedores de computadoras: usamos programas hechos por nosotros mismos y software hechos por otros para poder resolver nuestros problemas. Un uso interesante que le damos es para hacer lo que llamamos simulaciones por computadora.

Imagínense: tenemos una botella en nuestras manos y vaciamos su contenido; entonces tenemos que la botella está llena de aire, nada más y nada menos. Ahora pensemos en las moléculas de aire, ¿cuántas caben en la botella si la mantengo tapada?, ¿mil?, ¿un millón?, ¿cuántas? Pues resulta que un número típico de moléculas puede ser de un uno seguido de veintitrés ceros (algo inimaginable aun pensando en monedas de 10 centavos). Si Newton nos enseñó que para calcular la trayectoria de un cuerpo que se mueve en el espacio, basta con determinar las fuerzas que actúan en él y usar su famosa segunda ley, ¿podemos ser capaces de calcular las fuerzas que actúan sobre cada una de las partículas del aire que están dentro de la botella? La respuesta es NO. No podemos hacerlo porque son muchas. Pero, por otro lado, tenemos computadoras que no se cansan de hacer cálculos.

Mediemos la situación. Podemos escribir programas que calculen las fuerzas de un número de partículas tan grande como la memoria de la computadora me lo permita. Hoy en día, con ayuda de las tarjetas gráficas (que se utilizan para videojuegos en las computadoras), podemos llegar a calcular las trayectorias de un poco más de un millón de partículas. Este número es suficiente para que los físicos podamos darnos una idea de cómo se comporta un sistema, y así poder seguir generando conocimiento que nos ayude a tener una mejor imagen de lo que pasa en nuestro universo. ¿A poco no es interesante usar la computadora para estos fines? La lectora (o el lector) tienen, como siempre, la última palabra.

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