Físicos chilenos crean modelo para comprender turbulencias ópticas ¿qué son y por qué son importantes?

Científicos de la Universidad de Chile, desarrollaron un modelo matemático que permitirá comprender mejor el fenómeno de las ‘turbulencias ópticas’. Esta investigación, basada en estudios teóricos y análisis prácticos de laboratorio, se publicó en la más reciente edición de la revista internacional Optics Letters y tendrá importantes implicancias para la física en el futuro.

El modelo en cuestión, busca —a la larga— predecir cómo actúan las turbulencias en diversos contextos, ya sean ópticos, químicos, biológicos e incluso económicos. En conversación con BiobioChile, Marcel Clerc, académico del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, quien participó del estudio, explica de qué se trata.

“Lo que tratamos de hacer nosotros, es primero entender cómo emerge una turbulencia. Una vez que entendemos cómo emerge, tratamos de entender qué propiedades tiene”, puntualiza Clerc, que también es Doctor en Física de la Universidad de Nice, Sophia Antipolis, en Francia.

¿Qué son las turbulencias ópticas?

De acuerdo con la Universidad de Valencia, una turbulencia es un fenómeno que ocurre en los fluidos y que genera “una variación caótica de sus propiedades”. Estas se pueden manifestar en remolinos, torbellinos o cambios bruscos en la presión y la velocidad con el espacio y tiempo.

“Cuando tienes, por ejemplo, un lago que está muy quieto, vas a ver que todo se mueve suave y bonito. Sin embargo, cuando uno toma un río que, por ejemplo, tiene mucho caudal, lo que vas a ver es que se mueve de forma muy complicada. Haciendo torbellinos. De hecho, cuando el fluido se mueve suave es transparente. Sin embargo, cuando el fluido se mueve de forma muy compleja, se vuelve opaco, porque las partículas se mueven muy lento. Entonces este fenómeno es lo que llamamos turbulencia”, ejemplifica Clerc.

Las turbulencias se conocen y estudian desde hace siglos, pero todavía es muy difícil (aunque no imposible) predecirlas. “La primera persona que documentó este fenómeno fue Leonardo da Vinci, haciendo figuras. Fue el primero que retrató un torbellino. Ahora, lo interesante es que este tipo de comportamiento tiene ciertas propiedades, digamos. Y lo divertido es que uno puede observar propiedades similares en contextos muy distintos a los fluidos”, señala el físico.

Por ejemplo, en la óptica, las turbulencias ocurren en los fotones, que son las partículas elementales que componen la luz. “Cuando la luz se comporta de forma complicada, entonces hablamos de una turbulencia óptica”, dice Clerc.

Otro ejemplo puede ser en la economía, donde hay comportamientos similares a los fluidos. El experto dice que, de manera técnica, también se ha estudiado este fenómeno en cómo circula el dinero a nivel mundial, fijándose en las transferencias o la compra y venta de acciones.

“Todos los días se compran la misma cantidad de transacciones y todo se comporta relativamente simple. Pero cuando uno mira, uno descubre que a veces hay grandes fluctuaciones, se compra mucho o poco, y lo extraño es que pasa lo mismo que si colocaras, por ejemplo, un termómetro o algo que mide la velocidad de un fluido, en algún punto se comporta muy similar”, explica.

¿Por qué es tan difícil comprenderlas?

Las turbulencias han sido ampliamente estudiadas, pero los físicos siguen sin comprender del todo sus complejas leyes y hay contextos en los que aún no es posible predecirlas. En este sentido, la creación de nuevos modelos matemáticos puede ser muy útil.

La complejidad de las turbulencias radica en que tienen una propiedad conocida como ‘efecto mariposa’. Clerc hace la siguiente analogía: “si una mariposa aletea, por ejemplo, en Asia, puede producir algún torbellino en América”.

En términos matemáticos, esto ocurre cuando un modelo tiene un comportamiento tan complejo que puede ser sensible a errores y “cualquier pequeño error se amplifica, que es lo que a la gente le gusta llamar efecto mariposa, propio de la turbulencia”, señala el científico.

“Las turbulencias son difíciles de tratar, pero al mismo tiempo son muy entretenidas, porque te genera comportamientos matemáticos interesantes, y también generan matemáticas muy bonitas, generan estructuras muy complejas”, añade.

Los comportamientos llegan a ser impredecibles, pero sí tienen leyes que los rigen, y eso es precisamente lo que buscan identificar los expertos con mayor claridad.

Un modelo para entender mejor las turbulencias

El modelo que publica el equipo científico chileno, consiste en tratar de descubrir estas leyes “caracterizarlas, entenderlas y simplificarlas”. Para ello, los físicos están utilizando ecuaciones diferenciales.

Inicialmente, partieron aplicando este tipo de fórmulas en los fluidos, pero “con ese mismo tipo de técnica explicamos la óptica, las reacciones químicas, y muchos otros sistemas”, puntualiza Clerc.

Simón Navia, autor principal de la investigación, comentó en un comunicado de la Universidad de Chile que analizar las turbulencias ópticas les permitió encontrar evidencia de ellas en la luz y crear este modelo teórico robusto que “indica como las turbulencias se crean”.

Ahora, los científicos esperan que las nuevas mentes sepan valorar la implicancia de este modelo y continuarán estudiándolo. “Por ahora estamos todavía en una etapa de comprender cómo se puede usar, pero sin duda en la luz, en la forma que tiene, en los comportamientos complejos. Estoy seguro de que nos va a servir en el futuro para entender cosas que todavía no visualizamos”, agrega Clerc.

Apelando a la creatividad, dice el físico, y una vez que lo hayan comprendido del todo, el modelo se podría aplicar, por ejemplo, en trabajos con láser, minería, en sistemas de reacciones químicas o incluso en la bolsa de valores.