El Caos

Vulcano, el dios romano que más que poderes divinos, usa su ingenio y sus herramientas para crear, nos pone el ejemplo para transformar nuestras ideas en creaciones. Visitaremos el concepto de caos, una propiedad intrínseca del universo, que podemos aprovechar de forma práctica.

La gran mayoría de las religiones muestran a sus deidades como idealizaciones carentes de los defectos que aquejan y acompañan a la humanidad. La mitología grecorromana es una interesante excepción, pues sus dioses en lugar de esconderlos, los hacen, junto con nuestras pasiones, parte integral suya, por lo que terminan mostrando una gran afinidad con nosotros los mortales.

Vulcano para los romanos (Hefesto para los griegos) era el dios del fuego y se decía habitaba dentro de los volcanes. Pero a diferencia de sus pares divinos, él utilizaba su martillo de herrero, más que algún poder sobrenatural, para transformar en la forja candente los elementos de la naturaleza en objetos de aplicación específica. Es decir, realizaba su ingenio empleando herramientas y energía. Esa característica es precisamente lo que le acerca todavía más a la humanidad: Creamos con herramientas para volver tangibles nuestras ideas, no sólo para resolver problemas, sino también creamos por placer.

¿Cómo podemos ser mejores creadores? Existen varias formas, desde luego, y una de las más importantes es a través del conocimiento. La ciencia es una forma sistemática de construir y organizar dicho conocimiento a partir de explicaciones comprobables y predicciones sobre el comportamiento del universo. Por tanto, seremos mejores creadores a través del conocimiento científico.

Crear no sólo implica hacer algo nuevo; también es descubrir nexos entre hechos aparentemente no relacionados con la ayuda de analogías; que, dicho sea de paso, también proporcionan un método más fácil para su comprensión.

Esta columna tiene por objetivo llevarnos al interior del taller del mitológico dios Vulcano para redescubrir las ideas que existen detrás de los inventos, hechos y objetos cotidianos, con el deseo implícito de inspirar a crear haciendo reflexionar sobre la forma en la que una idea puede aplicarse en un contexto distinto al original.

Vivimos en un mundo cada vez más dependiente de sus invenciones tecnológicas, de las que paradójicamente ignoramos mucho, lo que nos lleva a convertirnos en meros usuarios y consumidores de cajas negras. De hecho, la gran mayoría de la población no tiene idea de cómo funcionan muchos de los inventos de los que depende su vida diaria y tampoco muestra mucho interés en aprender. Por si fuera poco, no estamos dando el énfasis suficiente al conocimiento del por qué de las cosas.

Si combinamos lo anterior y futurizamos, podríamos encaminarnos a un escenario donde muy pocos dominan y aplican el conocimiento, dejando a quienes lo ignoran en seria desventaja competitiva. Más aún, si esos pocos privilegiados desaparecen por completo, el resto de la humanidad se enfrentará a cajas negras que no comprende, ni mucho menos podrá reparar cuando fallen: Las cajas negras pueden convertirse en cajas de Pandora.

Nuestro primer tema será el caos y algunas de sus aplicaciones.

El caos

El caos es todo estado de desorden y también la imposibilidad de predecir con precisión (obtener lecturas similares al medir) y exactitud (qué tanto nos acercamos al valor real) eventos en cualquier sistema dado. El caos es una propiedad inherente de nuestro universo. Introduce errores en nuestras mediciones. Puede hacer imposible conocer el pasado o el futuro de un sistema dado aún conociendo su estado presente. Pero no es un obstáculo; al contrario, es posible darle uso en algo práctico.

Tratar con lo incierto y lo caótico es cotidiano en las ciencias e ingenierías. Por ejemplo, es imposible saber la posición de cada molécula de un gas en un momento dado, pero sí es posible conocer su comportamiento global como volumen. De la misma forma, no podemos predecir dónde caerá cada gota de lluvia, pero sí la probabilidad de donde y cuándo caerá un aguacero. A nivel subatómico, no podemos saber exactamente dónde se encuentra un electrón al girar sobre un núcleo, pero sí podemos calcular la forma de la región donde puede encontrarse.

El caos inclusive puede medirse, y para ello tenemos que introducir otro concepto llamado entropía. Existen varias formas de definir la entropía, pero la que nos resulta más útil ahora establece que es una medida de equilibrio en la distribución de energía dentro de un sistema u objeto; dicho equilibrio ocurre cuando sus partículas componentes se encuentra en un estado de desorden total con máxima dispersión de su energía interna. Inversamente, entre mayor sea el orden interno, menor será su entropía.

Como todas las cosas tienen entropía, y ésta siempre aumenta hasta su máximo, uno se pregunta por qué abundan los casos donde vemos orden en los objetos y sistemas: Galaxias, células, seres vivos y ecosistemas, por ejemplo. La respuesta consiste en que se ha incrementado el orden de forma local (se redujo la entropía) a expensas de aumentar el caos en el entorno circundante. Así, un ser vivo tiene que comer o su entropía interna aumentará y morirá. Un refrigerador puede reducir el calor en su interior sacándolo al exterior a expensas de consumir energía.

Pensemos ahora en otro aspecto del caos: La dificultad para predecir eventos subsecuentes en el tiempo, y apliquémosla a la teoría de la información. Cualquier tipo de información puede concebirse como una sucesión de eventos o símbolos que codifican un mensaje entre un emisor y un receptor. Su entropía consiste en la probabilidad de predecir acertadamente qué símbolo sigue a los ya recibidos previamente. Entre más baja sea dicha probabilidad, mayor será la entropía interna del mensaje.

¿Para qué nos puede servir eso?

La compresión de información consiste en sustituir un mensaje por otro equivalente con una menor cantidad de símbolos, y que puede por tanto ser recibido más rápidamente. Dicho en otras palabras, se le reducirá su entropía interna para obtener una representación más ordenada y compacta. El nuevo mensaje resultante podría ser más pequeño que el original. Suena casi a magia, pero tenemos que pagar un precio por este beneficio.
Como redujimos localmente la entropía, ésta tiene que aumentar por otro lado y en efecto, así ocurre: Primero, el análisis previo del mensaje original para encontrar secuencias de símbolos que puedan ser sustituidas por un nuevo símbolo equivalente (compresión) consume recursos de cómputo, introduce una demora en la transmisión y está gastando energía; es decir, aumenta la entropía de la fuente de poder que alimenta al compresor de datos. Segundo, el receptor debe procesar los símbolos equivalentes para reconstituir el mensaje original (descomprimir), y aunque dicho proceso suele ser más rápido que el anterior, también consume energía e introduce otra demora de tiempo. Tercero, es posible que no exista una secuencia predecible de símbolos en el mensaje original. En este caso, la compresión terminará creando un nuevo mensaje equivalente de mayor tamaño, yendo así en contra de su propósito original.

Se siguen diversas estrategias de acuerdo a la naturaleza del mensaje para conseguir buenos resultados de compresión, pero los principales son dos: Buscar repeticiones de símbolos y secuencias de los mismos; y eliminar información original sin perjudicar en lo posible la percepción del mensaje recibido aprovechando las limitaciones inherentes de nuestros sentidos (también llamada “compresión con pérdidas”, de gran aplicación en audio y video digital).

Volviendo al plano general del caos, tenemos ejemplos de sobra en la vida diaria: Los platos sucios que aguardan pacientemente hasta que decidamos quitarles la entropía a costa de aumentar la nuestra, las variaciones en la velocidad de los autos que terminan creando congestionamiento de tráfico… Pero eso no implica que el caos pueda ser bello también: El sonido de las olas al romper contra la playa o el de la lluvia al caer, las hojas de los árboles moviéndose con el viento, la textura de una roca volcánica, el sonido de un tambor…

Sin el caos, nuestro universo y todo lo que lo compone definitivamente sería un lugar extremadamente aburrido.

Para saber más:

Entropy: Embrace the Chaos!