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Física

Trayectorias aleatorias

Los físicos describen recorridos aleatorios de la luz y de los animales

Un complejo aparato compuesto por pequeñas cajas de vidrio y una cámara supersensible permitió que investigadores franceses de los cuales una investigara a se encuentra radicada en Paraíba describieran el comportamiento de la luz en condiciones muy especiales. Cuando un fotón, la mínima partícula de luz, colisiona con un átomo de rubidio y luego con otro, y otro sucesivamente, se traslada por distancias que siguen un patrón conocido como vuelo de Lévy. Este resultado, publicado a fines de mayo en la revista Nature Physics, conforma la primera descripción estadística de ese fenómeno físico basado en observaciones experimentales, y puede ayudar a prever la propagación de fotones en ciertas circunstancias.

Muchos investigadores han estudiado eventos naturales que siguen los vuelos de Lévy, comenta la física Martine Chevrollier, de la Universidad Federal de Paraíba (UFPB). Se trata de movimientos aleatorios que se caracterizan por una serie de pasos pequeños mezclados con raros traslados largos. Esto es exactamente lo que sucede en el experimento en que los fotones se lanzan en un vapor atómico a 47º C, cuyos átomos de rubidio fluctúan unos distantes de los otros. Con esa baja densidad, los fotones tropiezan con un único átomo por vez y de ese modo, los investigadores pueden medir detalladamente esas interacciones.

El trabajo de la francesa radicada en Paraíba muestra una interacción en esos encuentros en los que un átomo absorbe un fotón y lo remite en otra dirección, a la manera de un jugador que recibe una pelota y la patea hacia otro lado. Pero la interacción entre fotones y átomos presenta una particularidad importante: si la frecuencia vibratoria fuera similar entre las dos partículas, lo cual sucede la mayor parte de las veces, el fotón es lanzado a una corta distancia, 5 milímetros en promedio. Hay, empero, una probabilidad muy pequeña de que la frecuencia del átomo sea muy distinta que la del fotón, dice Martine. Cuando eso sucede, el fotón es remitido con una frecuencia diferente de la que tenía anteriormente, en un efecto conocido con el nombre de Doppler, y por esa causa llega a recorrer distancias mucho mayores, de hasta 50 milímetros. Con todo, este cambio de frecuencia sólo sucede en condiciones de temperaturas muy bajas, obtenidas en laboratorio.

En teoría, ya se imaginaba que eso podría suceder. Lo difícil es observarlo, sostiene la investigadora. Era necesario controlar con precisión las condiciones para fotografiar con una cámara supersensible la trayectoria de los fotones y la distancia recorrida por cada uno de ellos. Por eso la parte experimental acabó haciéndose en la Universidad de Niza, en Francia. Martine participó del trabajo en la fase de cálculo y análisis de los resultados. Las especiales condiciones de los experimentos que realizamos eran impuestas sencillamente por la técnica concebida para medir los pasos individuales de los fotones, explica la física. Pero el vuelo de Lévy es muy común en los fenómenos que implican dispersión de la luz y sucede, por ejemplo, en las estrellas, las lámparas fluorescentes y en parte de los rayos solares que se propagan en la atmósfera y en el mar.

Mundo animal
El vuelo de Lévy también describe con exactitud algunos fenómenos ecológicos, según explica el físico Marcos da Luz, de la Universidad Federal de Paraná (UFPR). Hasta hace poco tiempo, se creía que todo seguía distribuciones normales, en las que los eventos promedio son muy comunes y los muy pequeños o muy grandes son más raros. Pero recientemente, datos convincentes indican que muchos animales tales como chacales, abejas, pingüinos y otros, siguen vuelos de Lévy. Junto con sus colaboradores Gandhi Mohan Viswanathan, de la Universidad Federal de Alagoas, y Ernesto Raposo, de la Universidad Federal de Pernambuco, el físico de la UFPR ha utilizado los vuelos de Lévy para comprender de qué manera buscan alimento esos animales.

El vuelo de Lévy resulta ventajoso, por ejemplo, cuando una fuente de alimento se distribuye de manera dispersa y aleatoria. La estrategia más provechosa para un animal en busca de un bocado es, en esos casos, realizar pequeños movimientos durante un tiempo para explorar los alrededores. Si no encontrara nada, es mejor dirigirse hacia una zona distante, dónde la posibilidad de encontrar alimento tal vez sea mayor. Varias investigaciones demostraron que ese patrón es muy común en la naturaleza, tal como se debate en la revisión publicada en 2008 en la revista Physics of Life Reviews por parte de Viswanathan, Raposo y Luz. Ellos demostraron que una variada gama de animales, desde las amebas hasta las ballenas, parece adoptar los vuelos de Lévy para sus desplazamientos.

El trío de físicos de Paraná, Alagoas y Pernambuco, en colaboración constante, ahora trabaja en análisis detallados para formalizar la teoría de los vuelos de Lévy bajo un concepto matemático riguroso. Con eso, esperan describir con fórmulas matemáticas no sólo lo que sucede con los movimientos individuales, las situaciones observadas con mayor frecuencia hasta ahora, sino también los procedimientos colectivos de búsqueda, tales como manadas de monos que siguen reglas internas para coordinar los recursos de modo tal de aumentar las posibilidades para encontrar alimento. Para fomentar la discusión científica en torno del tema, ellos se encuentran abocados a organizar una edición especial de la revista Journal of Physics A, con artículos de revisión y trabajos originales al respecto de los movimientos en búsquedas aleatorias, que será publicada alrededor de octubre de este año.

Artículos científicos
MERCADIER, N. et al. Lévy flights of photons in hot atomic vapours. Nature Physics. 2009.
VISWANATHAN, G.M. et al. Lévy flights and superdiffusion in the context of biological encounters and random searches. Physics of Life Reviews. v. 5, n. 3, p. 133-150. Septiembre de 2008.

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