[Aquí] pueden bajar las notas de clase de la práctica de ayer, con las decepcionantes aproximaciones de campo medio de complejidad creciente y mejoras minúsculas. Decepcionantes en ese sentido. El solo hecho de predecir magnetización espontánea es un paso fundamental. Fundamental en ese sentido, pero decepcionante en el sentido de que no obtuvimos la transición de fase como una singularidad en las funciones termodinámicas, a través de la función de partición y del límite termodinámico, sino de una manera más bien ad hoc.
¿Matan las pulgas a sus pulgas con matapulgas? Y ¿sueñan los androides con ovejas eléctricas? Tanto el título de la novela de Philip K. Dick (que inspiró a la película Blade Runner), como un famoso poema de Jonathan Swift, exploran la idea de la repetición en diferentes grados o escalas. En la novela de Philip Dick los humanos crean a los androides, y los androides sueñan como los humanos pero con ovejas eléctricas. En el poema de Swift, las pulgas tiene pulgas más pequeñas que se alimentan de ellas, que a su vez también tienen sus pulgas:
So, naturalists observe, a flea
has smaller fleas that on him prey;
and these have smaller still to bite ‘em,
and so proceed ad infinitum.
Jonathan Swift, On poetry: A rhapsody (1733).
Maurits Escher exploró una idea similar en su xilografía Más y más pequeño (1956), en la que un patrón de reptiles se repite hasta alcanzar tamaños infinitamente pequeños y números infinitamente grandes:
Sorprendentemente, en ausencia de campo magnético externo y cerca de la temperatura crítica (Tc) en la cual se pierde la magnetización permanente, el modelo de Ising en dos dimensiones presenta estructuras similares, que se repiten en diferentes escalas. Algo de esto vimos hoy en un caso patológico, el caso unidimensional, en el que la longitud de correlación entre pares de espines diverge para la temperatura tendiendo a cero. Y en la próxima clase comenzarán a estudiar este comportamiento usando simulaciones en dos dimensiones. Mientras tanto, veamos un video que muestra un barrido del sistema en función de la temperatura, en el entorno cercano a la temperatura crítica:
La barra de colores de la derecha muestra la temperatura (normalizada por la temperatura crítica). Al principio del video (T > Tc) el sistema no tiene magnetización permanente. En la mitad del video (T ≈ Tc, cerca del minuto 0:50) se observan islas magnéticas de tamaños muy diferentes y con bordes rugosos. Y finalmente, hacia el final del video (T < Tc) se observan islas muy grandes, con el tamaño característico del dominio, y con bordes más suaves.
Cerca de la temperatura crítica, la presencia de islas de diferentes tamaños vuelve al sistema invariante de escala, como las pulgas del poema de Jonathan Swift, o como los reptiles en la xilografía de Maurits Escher (aunque en el caso del modelo de Ising, los patrones están más desordenados). Esto está muy bien ilustrado en el siguiente video, que muestra un estado del modelo de Ising con 1,7×1010 nodos, cerca de Tc. Al principio el video muestra lo que parecen ser cuatro realizaciones independientes del modelo de Ising, pero en realidad son partes más chicas de la simulación completa:
El miércoles pasado mostramos en la clase de práctica algo que resultó novedoso para muchos: la multiplicación de matrices sin usar dibujitos. Eso no debería haber sucedido. [Aquí] pueden bajar las notas de clase, con los problemas que resolvimos de la Guía 7. El método de la matriz de transferencia es muy poderoso, en especial la idea de que el límite termodinámico está dominado por el mayor autovalor de una cierta matriz.
Ex Machina (disponible en Netflix) es una película de 2014 con algunos giros de tuerca inquietantes alrededor de la idea de construir máquinas con inteligencia artificial. Y, sorprendentemente, los temas de esta materia tienen una relación cercana con este problema. El premio Nobel de Física 2021 fue otorgado a Giorgio Parisi, Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann por contribuciones fundamentales a la comprensión de los sistemas complejos. Y en particular, la mitad del premio Nobel fue para Giorgio Parisi, entre otras cosas, por sus aportes al estudio de los vidrios de spin. Los vidrios de spin son un modelo sencillo para sistemas magnéticos amorfos, un caso en cierto sentido más general que el de los modelos de Ising que estamos considerando en el curso.
Ustedes podrán preguntarse qué relación hay entre vidrios de spin e inteligencia artificial. Comencemos por un problema más sencillo (o tal vez mucho más difícil): el juego de Go. El Go es un juego de mesa, pariente del ajedrez, en el que dos jugadores ponen piedras blancas o negras en turnos, en cualquier lugar del tablero, en una cuadrícula de 19×19 puntos. El objetivo del juego es rodear la mayor cantidad de territorio posible con las piedras del color del jugador.
Las reglas son muy sencillas: (1) Una piedra sin libertades (es decir, completamente rodeada por piedras del color opuesto) es capturada y removida del tablero. (2) No se pueden hacer jugadas que recreen la situación previa del tablero. Y (3) cuando un jugador pasa su turno dos veces seguidas, el juego termina. A pesar de esta simpleza (o tal vez como resultado de la misma), es un juego muy complejo. El número de posiciones legales en el tablero es mayor a 10170 , muchísimo más grande que en el ajedrez, y más grande que el número de átomos en el universo. Como resultado, los métodos para hacer que computadoras jueguen al Go calculando todas las jugadas posibles (como se hace con el juego de ajedrez) son inviables. Así, el juego de Go resulta un desafío más que interesante para la inteligencia artificial.
Hasta hace unos años, uno de los métodos preferidos para programar computadoras para jugar al Go era aplicar el método de Montecarlo para encontrar configuraciones del tablero que minimicen la energía (o el Hamiltoniano) de un modelo de Ising que tuviera alguna relación con las reglas del juego de Go y con las condiciones para ganar una partida. Por ejemplo, un posible Hamiltoniano es el siguiente, donde si es el color de las piedras en cada posición (+1 o -1 para blanco o negro), hi es el número de libertades de la piedra i-ésima (cuantos casilleros tiene libre alrededor), PV indica que la suma se hace sobre los primeros vecinos, y μ (>0) es una “energía” que premia las configuraciones en las que las piedras propias (+1) tienen libertades (es decir, no están rodeadas):
¡De pronto el modelo de Ising encuentra aplicaciones muy lejos de la física de materiales magnéticos! Sin embargo, estos métodos resultan en programas de Go que juegan apenas tan bien como un jugador humano mediocre. Y cuando el problema de jugar bien al Go parecía inaccesible para las computadoras, Google presentó en 2016 una red neuronal profunda que le ganó a todos los grandes campeones humanos del juego.
Una red neuronal profunda es una red con muchas capas de neuronas artificiales: los datos ingresan (en la siguiente figura, por la izquierda), son multiplicados por coeficientes (llamados “pesos”) en cada conexión entre neuronas, y el resultado es procesado con alguna operación sencilla por cada neurona (que puede estar “activada” o “inactivada”). El procedimiento se repite en cada capa de neuronas, hasta que se obtiene un resultado final (por dar un ejemplo muy crudo y simplificado, ingresa el estado actual del tablero de Go y obtenemos como resultado la próxima jugada que conviene realizar):
Las redes neuronales son entrenadas con muchísimas jugadas, de forma tal de ajustar los pesos en cada una de las conexiones de las neuronas y obtener un resultado óptimo. Pero noten que la estructura de la red no es muy diferente a la de los sistemas magnéticos que estuvimos estudiando en el curso: tenemos nodos que interactúan con sus vecinos con algún coeficiente de acoplamiento, y su equilibrio corresponde al mínimo de alguna función (el error en la respuesta que obtenemos). La diferencia es que ahora esos coeficientes (los pesos) no están fijos, y pueden cambiar durante el entrenamiento.
En física ocurre algo similar en materiales magnéticos amorfos. La estructura de la red de spines en esos materiales puede ser muy compleja, y los spines pueden interactuar con otros spines muy lejanos (en la peor situación posible, pueden interactuar todos contra todos). Y los spines pueden tener coeficientes de acoplamiento diferentes para cada par, que en la siguiente figura se indican como Jij para el acomplamiento del par (i,j). La variante de los modelos de Ising que se usa para estudiar este tipo de sistemas es conocida como vidrios de spin:
Los vidrios de spin son formalmente equivalentes a un tipo particular de redes neuronales (llamadas redes de Hopfield), pero muchos de los resultados que se obtuvieron para vidrios de spin se trasladan a la teoría de redes neuronales en forma muy general. Al construir la mecánica estadística de estos sistemas, la dificultad radica en que no solo es necesario armar ensambles con copias de todos los alineamientos posibles de los spines, sino que también es necesario armar réplicas del sistema con diferentes acoplamientos Jij (ya que uno no sabe cuánto valdrán los pesos, o los acoplamientos). Parisi hizo contribuciones muy relevantes que permitieron atacar este problema, y entender propiedades generales de los estados de equilibrio.
Los vidrios de spin, dada su complejidad, no tienen un único equilibrio: tienen una variedad muy grande de equilibrios posibles, que corresponden a mínimos locales de su energía libre. Así, la mecánica estadística de los vidrios de spin también nos da información sobre a qué estados posibles puede decaer una red neuronal durante el proceso de aprendizaje, o nos permite saber que ciertas redes neuronales pueden guardar “recuerdos”, y calcular la máxima cantidad de información que puede almacenarse en esas redes en función de su estructura, del número de neuronas, y del número de conexiones entre las neuronas.
La Guía 7, acerca del modelo de Ising, puede bajarse [aquí]. Por más que intentamos, no conseguimos ningún problema donde hubiera que calcular integrales.
Caben muchos bosones en el estado fundamental. Ayer fue San Cono, lo que nos toca de cerca como físicos. Ayer también resolvimos en la práctica un problema fuera de guía, pero asiduo en los parciales: el problema del gas de bosones en una caja con gravedad. ¿Hay condensado? ¿No hay condensado? ¿Cuál es su aplicación en la reparación de relojes y, por qué no, en la relojería? Cuántas preguntas. [Aquí] pueden bajar el guion original de la clase de ayer. Trae extras. El ítem (d) es para medir fuerzas.
Quedó pendiente una versión 2024 1c de las notas de clase sobre condensados en una trampa armónica. Les dejo el apunte de la clase del cuatrimestre pasado, [aquí]. Pero también la serie de gráficos que mostramos durante la clase de la semana pasada, [aquí]. Son mucho mejores que los del apunte. Si estos gráficos no los convencen de que el nivel fundamental es el único que hay que separar al hacer la aproximación de sumas por integrales, entonces no sé cómo persuadirlos.
El problema del condensado en una trampa armónica nos sirvió de excusa para presentar la llamada aproximación semiclásica, que permite pasar de sumas sobre estados cuánticos a integrales en el espacio de fase clásico, sin necesidad de resolver la ecuación de Schrödinger. Llegamos a verlo en la clase de la trampa armónica, donde el espectro cuántico de energías es sencillo, y también lo vimos ayer en el problema del gas en la caja con gravedad, donde el espectro de energías es un horror. Me pareció oportuno escribir un apunte con las n maneras de aproximar por integrales la suma sobre estados para el caso de la trampa armónica, una de las cuales es la aproximación semiclásica. Pueden bajar el flamante apunte [aquí]. Incluye un apartado especial para los fundamentalistas de la densidad de estados. Algunas imágenes pueden producir convulsiones.
El modelo de Ising es un modelo de juguete para el ferromagnetismo. Sin embargo, esto no significa que sea un modelo poco importante, o que solo tenga utilidad pedagógica. En cierto sentido, el modelo de Ising es el Buzz Lightyear de los modelos de juguete. El modelo, en su forma más sencilla y en dos dimensiones, consiste en un arreglo de espines (o dipolos magnéticos) que solo pueden tomar dos valores (+1 o -1). En ausencia de un campo magnético externo, los dipolos interactúan entre sí tratando de alinearse con sus vecinos más cercanos. A bajas temperaturas este arreglo de espines tiende a generar islas con la misma orientación, y si tenemos más espines con un signo que con el otro, entonces el material estará magnetizado. La transición entre el material no magnetizado y el material magnetizado, al bajar la temperatura, es una transición de fase similar (aunque no del mismo orden) a los cambios en los estados de agregación de la materia.
El desarrollo de la mecánica estadística entre fines del siglo XIX y principios del siglo XX, de la mano de Boltzmann y de Gibbs, permitió a los físicos comprender mejor varios sistemas y procesos (como el gas ideal, o los fenómenos de transporte), formalizar conceptos (como la noción de equilibrio, los microestados, el desorden, y la entropía), y estudiar fenómenos nuevos (como el condensado de Bose-Eistein, o la superfluidez y la superconductividad). Además, la mecánica estadística amplió el campo de aplicación de la física a otras áreas y a temas interdisciplinarios.
Sin embargo, aún en 1944 (más de 70 años después de la publicación de la ecuación de Boltzmann) no estaba claro si la mecánica estadística podría capturar y ayudar a comprender las transiciones de fase, como ocurren en la transición de agua líquida a vapor de agua, o en la magnetización espontánea de ciertos materiales (reales, no de juguete) al bajar su temperatura. Y aquí es donde el modelo de Ising, y Lars Onsager, abrieron las puertas a muchos desarrollos cruciales para la física en la segunda mitad del siglo XX. En 1944 Onsager encontró una solución exacta al modelo de Ising en dos dimensiones, calculando la función de partición del sistema, mostrando que podía sufrir una transición de fase y magnetizarse espontáneamente, y calculando la temperatura a la que ocurre la transición. La solución mostró por primera vez que las transiciones de fase aparecen como singularidades de las funciones termodinámicas del sistema, y convenció a los físicos de que la mecánica estadística podía ser usada para estudiar estos fenómenos. Fue tan relevante que al terminar la segunda guerra mundial, cuando varios físicos volvieron a la investigación básica, Hendrik Casimir le comentó en una carta a Wolfgang Pauli que estaba preocupado y dudaba de si podría volver a trabajar en física teórica luego de haber perdido contacto con el tema por tanto tiempo. Pauli (que era famoso por evaluar las teorías de sus colegas muy duramente) lo tranquilizó respondiendo que durante la guerra solo hubo un resultado que debía mirar: “No ha ocurrido mucho que sea de interés, excepto por la solución exacta de Onsager al modelo de Ising en dos dimensiones“.
Onsager es un personaje interesante. Muchos de sus resultados no fueron publicados en papers. La solución exacta al modelo de Ising apreció como una discusión de otro paper, su formula para la temperatura de la transición quedó en un pizarrón luego de un seminario que dió László Tisza, y la predicción de la cuantización de vórtices en un superfluido (luego redescubierta por Feynman) apareció en un paper resumiendo un seminario de otro investigador, en la sección de preguntas y respuestas del público.
Los que quieran jugar un poco con el modelo de Ising en 2D (antes de la práctica numérica), pueden mirar la siguiente página donde pueden simular el sistema con el método de Montecarlo, y variar la temperatura y el campo magnético externo. Para un campo externo igual a cero, prueben ver que pasa con la amplitud de las fluctuaciones en la magnetización si se acercan a la temperatura crítica (Tc ≈ 2.27) desde arriba (es decir, desde temperaturas altas):
[Aquí] pueden bajar una versión taquigrafiada de la clase práctica del lunes, en donde resolvimos el problema 1 de la Guía 6. El ítem respecto a la presión necesitaba revisarse; pueden bajar la versión actualizada de la guía [aquí]. Al final de las notas hay algunos problemas propuestos.
La parte central del problema 1 es razonar la transición de fase. Ahora bien, una vez que lo entendieron, no es necesario aplicar paso por paso los mismos razonamientos a todo problema de condensación de Bose-Einstein que se les presente. No necesitan inventar continuamente la rueda. Lo digo porque en los parciales suelen hacer eso. La rueda ya la damos por inventada, vayan directamente al asunto.
La condensación de Bose-Einstein tiene al menos dos puntos inciertos: el primero es la prescripción de separar en las sumas el término del nivel fundamental y aproximar el resto por una integral. El segundo es entender por qué hay una transición de fase y cómo toda la cuestión depende de manera decisiva de que se tome el límite termodinámico. Este segundo punto está explicado en el apunte de manera bastante formal, a diferencia de la mayoría de los argumentos que encontrarán en los libros. A primera vista, estos argumentos parecen suficientes, pero si se vieran en la necesidad de explicárselos a alguien, descubrirían, con gran azoramiento, que no son tan convincentes como creyeron. Como si repitieran en público un chiste y comprendiesen, cuando ya es demasiado tarde, que sólo lo recuerdan imperfectamente.
Respecto a la prescripción que indica separar la contribución del nivel fundamental y aproximar el resto por una integral, no tengo más que decir que es, como escribiría Lovecraft, intelectualmente repugnante.
En el único, único libro en donde he visto demostrado que esto tiene rigor matemático es en el de Pathria y Beale, en su apéndice F. Hasta cierto punto se entiende todo, pero después entra a jugar el resultado de un paper y la cosa se complica. Pero la demostración existe.
La prescripción de separar e integrar es difícil de justificar gráficamente para el caso del gas en una caja, porque se trata de una integral triple. Para el gas en una trampa armónica, uno puede transformar la suma triple en una suma simple. Como vimos el miércoles, entonces es evidente que la prescripción de separar e integrar es del todo razonable y justificada. El apunte sobre la clase del miércoles está en preparación. Mientras tanto, los urjo a leer las secciones sobre condensado en una trampa armónica en la edición de 2021 del libro de Pathria y Beale, aunque sólo el primero de ellos sea poeta urdu.
“¡Todos pueden ser súper! ¡Y cuando todos sean súper, nadie lo será!” La película Los increíbles (2004) tiene a uno de los villanos más interesantes de las películas de superhéroes. Syndrome no busca dominar al mundo, no desea poder o dinero. Desea que todos sean iguales, y que los superhéroes dejen de ser especiales. ¿Eso es algo bueno, no? ¿Por qué Syndrome sería entonces un villano? Sin embargo, al ver la película, algo parece incorrecto (y casi perverso) en pedirle a Dash con sus 10 años que no participe en el equipo de atletismo de su escuela porque sería excepcional. La película, que a primera vista parece un simple pasatiempo, plantea una discusión interesante sobre la excepcionalidad, la igualdad, y el festejo de la mediocridad.
Los superfluidos son excepcionales. Y algunas de las cosas que hacen son realmente increíbles. Un superfluido es un fluido que fluye sin viscosidad, lo que les permite atravesar canales muy delgados o medios porosos (por los que un fluido viscoso no podría pasar), o trepar por las paredes del recipiente que los contiene. El fenómeno de superfluidez se debe a la formación, a temperaturas muy bajas, de un condensado de Bose-Einstein en el que una fracción de los átomos que formal el fluido (usualmente Helio-4) dejan de tener agitación térmica (sin embargo, la teoría de condensados que vimos en clase corresponde a gases débilmente interactuantes, mientras que el Helio-4 superfluido es un líquido, con una energía potencial de interacción entre sus átomos que no es despreciable). El fenómeno está relacionado también con el de superconductividad.
El siguiente video, corto y muy recomendable, y que vimos rápidamente en clase, muestra varias de las propiedades más llamativas de los superfluidos, como la capacidad de trepar por las paredes de un recipiente, o el “efecto fuente”:
Luego pueden ver un video mas reciente (en castellano) con experimentos de vórtices cuantizados en He-4 superfluido. Como vimos en clase, el hecho de que los bosones que forman el superfluido sean indistinguibles hace que los vórtices en el flujo no puedan rotar a cualquier velocidad, y que su circulación se cuantice. Las lineas blancas sobre fondo negro que se ven en los primeros 5 segundos del video son vórtices cuantizados observados en el laboratorio:
Para los que quieran leer mas sobre He-4 superfluido, les aconsejo leer el siguiente trabajo de Richard Feynman. Aunque es un poco antiguo y la interpretación actual de los rotones es diferente a la planteada en el artículo, muchas de las especulaciones que hace Feynman fueron mas tarde confirmadas en experimentos:
Este trabajo tiene una historia interesante atrás. Feynman presentó, antes de escribir el artículo, sus resultados en un congreso al que asistió Lars Onsager (que era famoso en el área). Feynman estaba bastante orgulloso de si mismo (por estos resultados, pero también se encontraba en ese estado la mayor parte del tiempo), y Onsager decidió darle una lección. La narración completa la pueden encontrar en “Surely You’re Joking, Mr. Feynman!“, pero en palabras de Feynman es más o menos así:
“Bueno, Feynman”, dijo Onsager con voz ronca, “escuché que crees que has entendido el helio líquido”.
“Bueno, sí…”
“Umm…” ¡Y eso fue todo lo que me dijo durante toda la cena! No fue muy estimulante.
Al día siguiente di mi charla, y expliqué todo sobre el helio líquido. Al final, mencioné que había algo que todavía no había logrado entender: si la transición entre una fase y la otra del helio líquido era de primer orden (como cuando un sólido se derrite o un líquido hierve, y la temperatura se mantiene constante) o de segundo orden (como ocurre en el magnetismo, donde la temperatura puede cambiar).
Entonces el profesor Onsager se levantó y dijo duramente: “Bueno, el profesor Feynman es nuevo en nuestra área, y creo que necesita ser educado. Hay algo que tiene que aprender y que debemos decirle”.
Pensé: “¡Oh no! ¿Qué hice mal?”
Onsager dijo: “Deberíamos decirle a Feynman que nadie ha podido obtener el orden de una transición a partir de primeros principios, por lo que el hecho de que su teoría no le permita calcular eso no significa que no haya entendido todo los otros aspectos del helio líquido satisfactoriamente”. Resultó ser un cumplido, pero por la forma en que comenzó, ¡pensé que me iba a dar una paliza!
Aunque Onsager probablemente nos daría una paliza, en nuestro grupo de investigación trabajamos (entre otros temas) en el estudio de flujos y turbulencia en superfluidos y en condensados de Bose-Einstein. En los dos primeros links pueden ver algunas imágenes y videos de simulaciones que hicimos de vórtices cuantizados. Para los mas curiosos (o valientes), en el tercer link les dejo un paper que publicamos hace unos años sobre viscosidad en superfluidos a temperatura finita; el paper usa muchas herramientas de la materia como el ensamble gran-canónico, el potencial químico, fonones y relaciones de dispersión, y teoría cinética y camino libre medio:
