‘Principio de computacionalidad’

Investigadores de la Universidad de Salamanca proponen un nuevo principio de la física que interconecta la física fundamental y la informática teórica.

El nuevo ‘Principio de computacionalidad’ afirma que el Universo posee dos constantes físicas fundamentales que deben ser añadidas a las ya conocidas para su descripción, la potencia computacional y la jerarquía de complejidades computacionales.

Luis Alonso-Romero, Sergio Miguel-Tomé y Ángel Luis Sánchez-Lázaro

Universe publica el artículo de Sergio Miguel-Tomé, Ángel Luis Sánchez-Lázaro y Luis Alonso-Romero que ofrece un profundo análisis e interpretación sobre la investigación en física que usa conceptos de teoría de la computación.

Miguel-Tomé, S.; Sánchez-Lázaro, Á.L.; Alonso-Romero, L. Fundamental Physics and Computation: The Computer-Theoretic Framework. Universe 2022, 8, 40. Universe | Free Full-Text | Fundamental Physics and Computation: The Computer-Theoretic Framework (mdpi.com)

Los autores han pagado los costes de la publicación del artículo para que su acceso sea en abierto y cualquier persona del mundo pueda consultarlo gratuitamente.

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Los conceptos de las ciencias de la computación han ido incorporándose en muchos ámbitos de la sociedad y la ciencia. En el ámbito de la física, la adopción de conceptos de la informática teórica ha llegado hasta el punto de que una de las afirmaciones que más interés y más discusiones provoca es la de considerar que el Universo sea una computadora. 

En medio de este debate, los científicos de la Universidad de Salamanca Sergio Miguel-Tomé, investigador de la Facultad de Ciencias, y Ángel Luis Sánchez-Lázaro y Luis Alonso-Romero, profesor titular y catedrático jubilado del Departamento de Informática y Automática, respectivamente, acaban de publicar un artículo que analiza en profundidad las relaciones existentes entre la física fundamental y la computación que ha dado como resultado la presentación del nuevo ‘Principio de computacionalidad’ que entraña una nueva visión del Universo y relaciona la física fundamental con la teoría de la computación.

Esta nueva idea fundamental dicta que, “el Universo es un sistema computacional que tiene un poder computacional específico y una jerarquía de clases de complejidad especifica asociados a él”, informa a Comunicación USAL Sergio Miguel-Tomé, autor principal del trabajo. El artículo, recogido por la revista Universe, ofrece una amplia revisión histórica sobre la adopción de conceptos de la teoría de la computación en la física y analiza cuestiones discutidas en el seno de esta ciencia con respecto a la computación. En especial, la afirmación objeto de numerosas disputas entre la comunidad científica durante los últimos 30 años en torno a que el Universo sea una computadora.

Origen del proyecto y reacciones de los académicos

Miguel-Tomé, explica que, “la obtención de este nuevo principio surge como consecuencia de razonar y reflexionar sobre qué es un modelo computacional, qué es un sistema físico y qué es una teoría de física fundamental”. Analizando las conexiones entre los conceptos, el científico de la USAL se dio cuenta de que “existía un proceso deductivo que permitía obtener el Principio de computacionalidad como consecuencia de esas relaciones”, comenta.

Kenneth Wharton, catedrático de física de la San José State University (Estados Unidos), ha elogiado el artículo de la USAL destacando del trabajo “la impresionante síntesis que contiene de todos los nuevos caminos en los que los conceptos computacionales han sido conectados a la física”.

¿Es el Universo un computador? Disputa científica de las últimas décadas

La afirmación que sugiere que el Universo es un sistema computacional ha generado numerosas disputas en la física en las últimas décadas. El artículo analiza los siete argumentos dados hasta la fecha en contra de la idea y su resultado muestra que en todos ellos se usa un concepto de computación que no aprecia la extensión total del concepto. Este sería el motivo por el que “los argumentos han sido refutados con contraejemplos de la computación y sus demostraciones concluyen en fracaso”, subraya el científico de la USAL.

Wharton, autor de reconocidos ensayos críticos contra el supuesto, considera que la idea está “bellamente abordada” en el artículo y muestra cómo “una visión suficientemente amplia de computación pareciera que soportara una respuesta positiva sobre la cuestión”. Además, ha resaltado lo valioso del enfoque adoptado en el artículo porque ha conducido a “una conjetura intrigante”, según la cual “ciertos parámetros computacionales podrían ser propiedades fundamentales del Universo, e investigar en ellas podría, por lo tanto, informar de los fundamentos mismos de la física”.

Por su parte, Christian Hoelbling, catedrático de física de la Universität Wuppertal (Alemania), destaca especialmente del estudio “la cuidadosa distinción que en él se hace entre las distintas propuestas sobre el Universo como sistema computacional”, algo que, en palabras del experto, “ayuda enormemente a clarificar las diferentes nociones sobre computabilidad, cómo se aplican generalmente a las teorías físicas y dónde podrían ser demasiado restrictivas”.

La publicación aborda también la interesante hipótesis de que tanto nuestras mentes y el Universo sean una simulación y muestra, además, cómo esta hipótesis mezclada junto con la idea del Universo como sistema computacional ha producido confusión conduciendo a afirmaciones erróneas sobre resultados en ciertos experimentos.

Al respecto, al científico alemán le gusta especialmente “la cuidadosa separación” que se hace en el artículo entre computabilidad y las recientes propuestas del Universo como una simulación, algo que considera “esencial para separar el concepto de que las leyes físicas puedan ser, en principio, computacionales de las ideas altamente especulativas sobre un universo simulado”.

Computación, física y nuevo paradigma para la física fundamental

Averiguar por qué se han ido adoptando en física los conceptos de la informática fue una de las primeras cuestiones abordadas por los investigadores de la USAL en el trabajo. Su análisis muestra que la cuestión no es una simple coincidencia matemática, sino que existe una conexión muy profunda entre física y computación debido al importante papel que en ambas disciplinas juega el concepto de estado, lo que hace que exista una superposición entre ambas ciencias y sea la razón por la que la física encuentra herramientas matemáticas para describir fenómenos físicos en la informática teórica.

Los investigadores también muestran en su estudio que, combinando el nuevo principio con el marco matemático de la informática teórica surge un nuevo marco para el desarrollo de teorías para la física fundamental, al que han denominado Marco Computacionalista (MC). Así, el MC contiene una nueva visión sobre los conceptos de computación y fenómeno físico de tal manera que la computación deja de ser un concepto matemático para convertirse en una propiedad física que debe ser investigada por la física para describir los sistemas y fenómenos físicos, incluido el propio Universo.

Al respecto, el profesor de la USAL Alonso-Romero indica que el MC “ayuda a obtener una visión más profunda y precisa de la naturaleza de un fenómeno físico y de lo que subyace debajo de su descripción matemática”. Una propuesta “sumamente interesante” para el profesor Hoelbling, que declara estar “deseando ver qué frutos concretos puede dar el MC en el futuro”.

Aún hay un gran número de preguntas que la informática teórica no puede resolver en el ámbito de la física, sobre lo que Sánchez-Lázaro comenta, por su parte, que, “esta relación intrínseca debería impulsar el avance simultáneo en la investigación en ambos campos”. Para ello sería necesario “la creación de programas de investigación específicos que generen grupos de investigación o proyectos con especialistas de las dos disciplinas debido a la escasez de expertos con altos conocimientos conjuntos en ambas materias, tanto en física fundamental como en informática teórica”, remarca.

Premio Nobel Eugene Wigner y conexión con las Ciencia Cognitivas

Asimismo, el MC tiene repercusiones más allá de la propia física y en el artículo también se revisan las relativas a la matemática. Un ejemplo sería el famoso artículo en 1960 del Premio Nobel Eugene Wigner en el que se preguntaba por qué las matemáticas eran tan efectivas describiendo todo tipo de fenómenos naturales. Un hecho que, aunque se antoje algo irrazonable, sin embargo, es un hecho. 

Máquina de Turing

El MC arrojaría ahora luz sobre el enigma y ayudaría a explicar la irrazonable efectividad de las matemáticas al sugerir que un modelo computacional permite simular otros modelos computacionales. Cabe recordar que en informática se ha observado cómo una máquina de Turing puede ser recreada dentro de un autómata celular en el llamado el juego de la vida. El hecho de que unos modelos computacionales puedan ser recreados por otros sería justo lo que pasaría en nuestro Universo, es decir, “al ser nuestro Universo un sistema computacional, se pueden recrear otros modelos computacionales que tengan la misma o menos potencia computacional que la que el mismo posea”, apunta Miguel Tomé.

Para concluir, los científicos identifican la conexión de la física con las ciencias cognitivas como otra de las consecuencias evidentes del MC. Hasta el momento, la física está desconectada de las teorías científicas que mejor explican el comportamiento de los seres humanos y, además, las ciencias cognitivas han considerado que la mente es un proceso computacional sin considerar que los procesos computacionales fueran físicos. El MC hace replantear ahora “la relación entre física y las ciencias cognitivas, permitiendo que las ciencias cognitivas tengan su base en la física”, concluyen.

Divulgación científica y novela gráfica. Eureka.

Como último programa del año, Guillermo Sánchez nos ha invitado una vez más a participar en EUREKA, su programa de Radio USAL, para comentar con él temas de actualidad de nuestro blog y recomendar algunas lecturas.

En el podcast, que puedes escuchar AQUÍ,   recomendamos  nuestros youtubers de divulgación científica preferidos. También sugerimos algunos libros para leer, aprovechando las vacaciones de Navidad.

Hablamos del programa que presenta Javier Santaolalla en RTVE Play y del que ya dimos noticia en este blog [VER] y del documental La historia del universo de Diego Errazuriz, basado en el libro de igual título de Sean M. Carroll. Además recomendamos varios blogs y revistas de ciencia y canales de youtube que nos parecen muy interesantes y divulgativos.

En cuanto a lecturas, desde Vasos Comunicantes recomendamos novelas gráficas sobre diferentes temas científicos que nos han resultado interesantes:

Resultado de imagen de El Misterio del Mundo Cuántico
  • LOGICOMIX  de Apostolos Doxiadis / Christos Papadimitriou, (Ediciones Sins Entido), una novela gráfica sorprendente que convierte la matemática y el terremoto conceptual que sacudió sus cimientos hacia finales del XIX y durante las primeras décadas del XX en una aventura apasionante, narrada por uno de sus protagonistas: Bertrand Russell.
  • En las montañas de la locura basada en la obra de H.P. Lovecraft  de la que existen varias versiones en manga o novela gráfica como la de de  François Baranger o la de Gou Tanabe: Arkham, 1933, el profesor Dyer, un destacado geólogo, se entera de que una expedición a la Antártida  partirá pronto con la esperanza de seguir los pasos que el mismo dio en 1931. Con la esperanza de disuadirlos de tal iniciativa, Dyer relata los trágicos sucesos a los que sobrevivió en su expedición y que rechazó contar a su vuelta por miedo a que lo tomasen por loco.
  • Mujeres en la ciencia, 50 intrépidas pioneras que cambiaron el mundo escrito e ilustrado por Rachel Ignotofsky (NORDICA): pone de relieve las contribuciones de cincuenta mujeres notables a los campos de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas, desde el mundo antiguo hasta nuestros días. Entre las pioneras incluidas en esta obra, están figuras conocidas, como Marie Curie y Jane Goodall, y otras no tan conocidas, como Rachel Carson, que ya a comienzos del siglo xx advertía sobre los efectos nocivos de los pesticidas en el medio ambiente y de la creciente contaminación. Esta colección de historias apasionantes también contiene infografías sobre temas relevantes como equipos de laboratorio, tasas de mujeres que trabajan en campos relativos a la ciencia y un glosario científico ilustrado.

AEMET: Más de un siglo al servicio de la seguridad y bienestar de los ciudadanos

Con motivo del 150 aniversario del Instituto Geográfico Nacional se han realizado un ciclo de conferencias de contenido divulgativo y científico-técnico relacionado con las áreas de conocimiento de Astronomía, Geodesia, Geomática y Cartografía.

La conferencia «AEMET: Más de un siglo al servicio de la seguridad y bienestar de los ciudadanos» impartida por el vocal asesor del Presidente de AEMETFernando Belda, nos describe cómo la Agencia Estatal de Meteorología tiene como una de sus principales responsabilidades proporcionar información adecuada para contribuir a la seguridad de personas y bienes y al bienestar y desarrollo sostenible de la sociedad española, así como prestar apoyo a las políticas medioambientales mediante asesoramiento científico en asuntos relacionados con la variabilidad y cambio climático.

La Agencia Estatal de Meteorología lleva más de un siglo al servicio de los ciudadanos, durante este tiempo la cooperación entre organismos tanto a escala nacional como internacional ha sido vital para ofrecer un servicio de calidad.

La última frontera: los grandes enigmas del universo.

Javier Santaolalla, físico y aspirante a astronauta, nos lleva de viaje a lo largo de cuatro capítulos para conocer los grandes enigmas del universo y los requisitos para cumplir el sueño de convertirse en astronauta y cruzar la última frontera. Conoceremos a expertos nacionales e internacionales que nos aportan su conocimiento y experiencia sobre los grandes enigmas del universo: ¿Dónde se encuentra el final del espacio?, ¿Cómo de grande es nuestra galaxia?, ¿Estamos solos en el universo? ¿Cuándo aterrizaremos en Marte? o ¿Qué es la materia exótica? Además, conoceremos cuáles son los conocimientos y requisitos necesarios para ser astronauta y formar parte de uno de los procesos de selección más duros del mundo dentro del programa de reclutamiento de astronautas de la Agencia Espacial Europa (ESA). En esa búsqueda de información conoceremos a cuatro aspirantes nacionales que también quieren cumplir su sueño de viajar algún día al espacio y cruzar La Última Frontera.  

VER EPISODIO 1: Los astronautas del futuro : Javier Santaolalla emprende la mayor aventura a la que un ser humano puede aspirar. Se presenta al proceso de selección más difícil: ser astronauta.

VER EPISODIO 2: ¿Cómo nos movemos por el cosmos? : En este segundo episodio aprendemos cómo nos movemos por el cosmos, ahora y en el futuro, con los mejores especialistas en la materia: Miguel Alcubierre, Patricia Sánchez y Eva Villaver. Además, Javier se enfrenta a su primera prueba práctica: el vuelo sin motor. ¿Quién no ha soñado con visualizar la Tierra desde el espacio? Queremos ser los elegidos. Acompañadnos porque vamos a cruzar… La Última Frontera.

VER EPISODIO 3: Marte nos espera: Hemos desentrañado algunos de los misterios del planeta rojo, pero aún quedan incógnitas que analizamos con grandes especialistas en la materia.

VER EPISODIO 4: ¿Estamos solos en el universo? : En el último capítulo de ‘La Última Frontera’ nos formulamos la pregunta más interesante de todas: ¿estamos solos en el universo?

Mobile ad hoc network (MANETs).

Rüegg, Tim. Low Complexity Physical Layer Cooperation Concepts for Mobile Ad Hoc Networks. Logos Verlag Berlin, 2018.

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La Mobile ad hoc network (MANETs), en algunas ocasiones denominada también como malla de nodos móviles, se trata de una red de dispositivos conectados por wireless y que poseen propiedades de auto-configuración, además de poseer cierta movilidad.

En esta tesis se investigan esquemas de comunicación cooperativa de capa física de baja complejidad para mejorar la eficiencia espectral, la escalabilidad y el rango de cobertura de las MANETs. En concreto, investigamos la difusión cooperativa y proporcionamos una predicción precisa de la cobertura, introducimos la conformación del haz basada en las fugas para aumentar el alcance de la transmisión de los conjuntos de antenas virtuales, mientras se suprime la señal en direcciones no deseadas, y proponemos esquemas sencillos de asignación de recursos para la cooperación de recepción de cuantificación y reenvío.

Proporcionamos análisis teóricos y evaluaciones numéricas de estos esquemas e investigamos su rendimiento, respectivamente el rendimiento de sus combinaciones, en dos escenarios diferentes: MANETs militares y puntos calientes de tráfico urbano con una densidad de usuarios ultra alta. Además de los esquemas de comunicación cooperativa, investigamos la relación entre la potencia de transmisión aplicada y la potencia de interferencia resultante en usuarios no deseados en la precodificación basada en fugas, un prometedor enfoque de precodificación MIMO multiusuario. A partir de estas investigaciones, proponemos una precodificación de tasa objetivo y una precodificación de tasa óptima, y proporcionamos una solución de forma casi cerrada para ambas.