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Héctor Socas explica Números complejos
Ep546: Cafeína; Cuántica y Números Complejos; Altruismo y Ética; Supernova
19 de febrero de 20267 momentos
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Héctor Socas explica cómo los números complejos son una extensión más general de los números reales, permitiendo resolver ecuaciones algebraicas que no tienen solución en el dominio real.
…tú estás pensando en el dominio de los reales, hay ecuaciones algebraicas muy sencillas que no tienen una solución real; típicamente pues x cuadrado más 1 igual a cero, x cuadrado igual a menos 1. No existe ningún número real que satisfaga esa ecuación, ¿no? Entonces, se introducen los números complejos como una no una extensión, como algo más general que los números reales, que sí que, dentro del dominio de los números complejos, cualquier ecuación algebraica en la que se usen números complejos para los coeficientes y se considera el dominio de los números complejos, tiene. una solución que está dentro de los números complejos. Entonces nos quedamos más satisfechos porque el resultado se queda ahí dentro. ¿Y qué son los números complejos? Pues decía yo, la ecuación está x cuadrado igual a menos 1, sabemos que el menos 1 no tiene una raíz cuadrada, no hay ningún número real que multiplicado por sí mismo de menos 1, no hay ningún número real que cumpla eso. entonces uno puede decir, bueno, imaginemos que hay un número que no es real, lo llamamos imaginario, por lo que sea, pues un número imaginario tal que al multiplicarlo por sí mismo de menos uno ese número no está entre los reales pero vamos a suponer que existe y esa es la unidad de los números imaginarios y a partir de ahí yo puedo construir números imaginarios multiplicando un número real Por esa unidad imaginaria. Entonces, ahí tengo toda una serie de números, todo un conjunto de números que tiene la misma cardinalidad que el de los reales, pero que son números que tienen esta propiedad, de que son solución de estas raíces de números negativos y luego los números complejos. Se construyen simplemente sumando un número real con uno de estos números imaginarios. Entonces, un número complejo tiene una parte real y una parte imaginaria; hasta aquí todo bien. Se pueden sumar, se pueden restar, multiplicar; tienen todas esas propiedades y ¿qué pasa? Que un número complejo en realidad uno lo puede ver como un par de números reales. Un número complejo tiene una parte real que es un número real y una parte imaginaria que es otro número real multiplicado por la unidad imaginaria, entonces yo los puedo ver como un par de números. Como si fueran vectores de dos componentes donde la primera componente es la parte real y la segunda componente es la parte imaginaria, y además funciona bien porque yo puedo sumar números complejos y se comporta igual que cuando sumo vectores; puedo incluso definir una multiplicación, puedo definir un espacio vectorial de dos dimensiones con pares de números reales, un espacio vectorial real de dimensión 2 que funcione exactamente igual que los números complejos, los que yo pueda sumar, pueda hacer multiplicaciones y se cumplan las mismas reglas. Entonces esto ha sido muy útil; hay toda una matemática de los números complejos y José, creo que además precisamente cuando nos deja en programas como el de hoy es porque se va justamente a enseñarle números complejos a sus estudiantes. Así que todo esto lo podrías estar explicando tú mejor que yo, pero entonces yo no tendría nada que decir; así que explico yo esta parte introductoria y ya está. ¿Y qué pasa? Que esto es muy útil en física; hay muchos problemas que se resuelven gracias a todos los trucos y todas las herramientas de cálculo que hemos aprendido para trabajar con los números complejos y en muchos ámbitos de la física, típicamente en electricidad, por ejemplo, para estudiar transitorios, para estudiar circuitos con corriente alterna, viene muy bien; pero al final uno termina volviendo al plano real con sus resultados después de haberse ido al mundo complejo para hacer los cálculos intermedios. Entonces son como una herramienta que permite facilitar muchos cálculos y trabajar y resolver muchos problemas. y aquí es donde entra la mecánica cuántica, resulta que las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica desde el principio si pensamos en la ecuación de Schrodinger vemos que en una parte está el hamiltoniano y en otra parte está la derivada del…
Significado #3 · Palabras #1
Héctor Socas introduce el tema de los números complejos y su origen histórico en matemáticas.
Habla: Héctor SocasSignificado #8 · Palabras #6números complejos en mecánica cuánticaconversación extensa números complejoshéctór socas introducción números complejosnúmeros complejos en matemáticas siglo xviiecuaciones algebraicas polinomios siglo xviiisolución a ecuaciones algebraicas…Gastón se nos suma para la cara B, es doctor en ciencias físicas y profesor en la Universidad de Nueva York. Y vamos a ir rapidito porque José anda con un poco de prisa y yo quiero aprovechar que los tengo aquí a todo el comité cuántico de Coffee Break. Bueno, para sacar un tema que la verdad es que yo llevaba tiempo que lo quería traer, pero bueno, entre una cosa y otra y que además supongo que es algo que va a dar para bastante conversación o quizás no; quizás me sorprende y esto se despacha en cinco minutos, pero estas cosas a veces suelen dar para bastante conversación y quería pues tener algún día que tuviéramos un slot bastante largo para dedicarle, ¿no? Y es sobre como yo adelantaba en la introducción el papel que juegan los números complejos en la mecánica cuántica. Si me permiten que haga una pequeña introducción para los oyentes antes de que me imagino que ustedes vayan a llevar el nivel a un nivel que a lo mejor ni yo lo pueda seguir, pero por lo menos por introducir cuál es el problema del que vamos a hablar; resulta que hay una... Bueno, vamos a empezar por los números complejos, ¿no? Saben que los números complejos se introducen en matemáticas porque creo que es en el siglo XVII, de hecho, o XVIII por ahí históricamente, como una forma de resolver o de dar solución a las ecuaciones algebraicas, que resulta que muchas de ellas, ecuaciones algebraicas son las que son con polinomios. Tiene un polinomio igual a cero, con sus coeficientes; polinomio de x elevado a una cierta potencia con un coeficiente, tal, tal, tal, igualado a cero. De forma general, un polinomio igual a cero, eso es una ecuación algebraica. Pues resulta que aunque todos…
Héctor Socas explica cómo los números complejos son una extensión más general de los números reales, permitiendo resolver ecuaciones algebraicas que no tienen solución en el dominio real.
Habla: Héctor SocasSignificado #3 · Palabras #1números complejos extensión números realesecuaciones algebraicas con números complejosdominio de números complejosnúmeros complejos para ecuaciones algebraicasraíz cuadrada de menos 1número imaginario multiplicación por sí mismounidad de los números imaginariosecuaciones sin solución en realesnúmeros imaginarios unidad imaginariacardinalidad similar a números realesraíces de números negativosnúmeros complejos parte realnúmeros reales multiplicados unidad imaginariapropiedades de números complejos multiplicaciónnúmeros complejos como vectoresespacio vectorial de dos dimensionesmultiplicación en números complejoshector socas explica números complejosnúmeros complejos en matemáticasjose edelstein enseña números complejosnúmeros complejos en físicacircuitos con corriente alternatransitorios en electricidadplano real resultados físicos…tú estás pensando en el dominio de los reales, hay ecuaciones algebraicas muy sencillas que no tienen una solución real; típicamente pues x cuadrado más 1 igual a cero, x cuadrado igual a menos 1. No existe ningún número real que satisfaga esa ecuación, ¿no? Entonces, se introducen los números complejos como una no una extensión, como algo más general que los números reales, que sí que, dentro del dominio de los números complejos, cualquier ecuación algebraica en la que se usen números complejos para los coeficientes y se considera el dominio de los números complejos, tiene. una solución que está dentro de los números complejos. Entonces nos quedamos más satisfechos porque el resultado se queda ahí dentro. ¿Y qué son los números complejos? Pues decía yo, la ecuación está x cuadrado igual a menos 1, sabemos que el menos 1 no tiene una raíz cuadrada, no hay ningún número real que multiplicado por sí mismo de menos 1, no hay ningún número real que cumpla eso. entonces uno puede decir, bueno, imaginemos que hay un número que no es real, lo llamamos imaginario, por lo que sea, pues un número imaginario tal que al multiplicarlo por sí mismo de menos uno ese número no está entre los reales pero vamos a suponer que existe y esa es la unidad de los números imaginarios y a partir de ahí yo puedo construir números imaginarios multiplicando un número real Por esa unidad imaginaria. Entonces, ahí tengo toda una serie de números, todo un conjunto de números que tiene la misma cardinalidad que el de los reales, pero que son números que tienen esta propiedad, de que son solución de estas raíces de números negativos y luego los números complejos. Se construyen simplemente sumando un número real con uno de estos números imaginarios. Entonces, un número complejo tiene una parte real y una parte imaginaria; hasta aquí todo bien. Se pueden sumar, se pueden restar, multiplicar; tienen todas esas propiedades y ¿qué pasa? Que un número complejo en realidad uno lo puede ver como un par de números reales. Un número complejo tiene una parte real que es un número real y una parte imaginaria que es otro número real multiplicado por la unidad imaginaria, entonces yo los puedo ver como un par de números. Como si fueran vectores de dos componentes donde la primera componente es la parte real y la segunda componente es la parte imaginaria, y además funciona bien porque yo puedo sumar números complejos y se comporta igual que cuando sumo vectores; puedo incluso definir una multiplicación, puedo definir un espacio vectorial de dos dimensiones con pares de números reales, un espacio vectorial real de dimensión 2 que funcione exactamente igual que los números complejos, los que yo pueda sumar, pueda hacer multiplicaciones y se cumplan las mismas reglas. Entonces esto ha sido muy útil; hay toda una matemática de los números complejos y José, creo que además precisamente cuando nos deja en programas como el de hoy es porque se va justamente a enseñarle números complejos a sus estudiantes. Así que todo esto lo podrías estar explicando tú mejor que yo, pero entonces yo no tendría nada que decir; así que explico yo esta parte introductoria y ya está. ¿Y qué pasa? Que esto es muy útil en física; hay muchos problemas que se resuelven gracias a todos los trucos y todas las herramientas de cálculo que hemos aprendido para trabajar con los números complejos y en muchos ámbitos de la física, típicamente en electricidad, por ejemplo, para estudiar transitorios, para estudiar circuitos con corriente alterna, viene muy bien; pero al final uno termina volviendo al plano real con sus resultados después de haberse ido al mundo complejo para hacer los cálculos intermedios. Entonces son como una herramienta que permite facilitar muchos cálculos y trabajar y resolver muchos problemas. y aquí es donde entra la mecánica cuántica, resulta que las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica desde el principio si pensamos en la ecuación de Schrodinger vemos que en una parte está el hamiltoniano y en otra parte está la derivada del…
Héctor Socas explica que la ecuación de Schrödinger ya integra números reales y complejos, y que la función de onda resultante también es compleja.
Habla: Héctor SocasSignificado #18 · Palabras #4ecuación de schrödinger números complejosfunción de onda ecuación de schrödingercoeficientes complejos mecánica cuánticaprobabilidades reales módulo al cuadradonúmeros complejos en mecánica cuánticasustitución de números complejos por realesespacio vectorial de dimensión dobleálgebra compleja y operaciones vectorialesnúmeros complejos en físicafacilidad de cálculo con schrödingermística de la mecánica cuánticanarrativa popular de la mecánica cuánticaartículo nature miguel navasquezmecanica cuántica formulación complejaequivalente real doble dimensiónnúmeros complejos fundamentales mecánica cuánticamecánica cuántica con números realesartículos pedro barrios itadebate números complejos mecánica cuánticainvestigador español pedro barrios ita…se hicieron de la mecánica cuántica desde el principio si pensamos en la ecuación de Schrodinger vemos que en una parte está el hamiltoniano y en otra parte está la derivada del vector de estado pero hay una i multiplicando a i, esa i es la unidad imaginaria. La ecuación de Schrodinger ya tiene una mezcla de números reales y complejos. La función de onda de la ecuación de Schrodinger es una función compleja. Las formulaciones de la mecánica cuántica, tanto la de la matricial como la de Brass y Ketz funcionan con coeficientes complejos O sea, está como, todas las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica originalmente se hacían con números complejos Aunque luego al final, todos los resultados que se obtienen cuando tú calculas una probabilidad de medida son probabilidades, son reales porque al final es el módulo al cuadrado de los coeficientes y eso es un número real. Entonces al final tú te quedas con números reales pero todo el cálculo subyacente es con complejos. Entonces, está un poco la duda, existió de ahí siempre sobre si el uso de números complejos es algo fundamental en la mecánica cuántica o es simplemente algo que nos facilita el cálculo; porque uno puede, como yo decía antes, un número complejo lo puede sustituir por un par de números reales, puede considerarlo como un vector y de hecho todas estas formulaciones se pueden hacer si uno sustituye esa álgebra compleja por operaciones en un espacio vectorial de dimensión el doble de la dimensión del original, con números reales. Entonces, bueno, parecía que como que no era muy fundamental, sino más bien lo de la facilidad de cálculo. Pero ese debate siempre había estado un poco como ahí de fondo, ¿no? Porque además esto se presta mucho a la mística esta de la mecánica cuántica, ¿no? Porque ya cuando hablamos de que no se necesitan números imaginarios, el lenguaje también entra dentro de la narrativa esta que populariza a veces la mecánica cuántica como algo un poco esotérico, ¿no? pero bueno, aparte de eso, ciñándonos a lo más físico, sí que existe un cierto debate legítimo y en 2021 salió un artículo en Nature que fue bastante importante y además que uno de los autores, bueno de hecho, el autor de correspondencia se llama Miguel Navasquez, es español y algunas de las afiliaciones son de Barcelona, también de Austria y de Suiza pero este artículo en 2021 llegaba a la conclusión planteando lo típico, una serie de experimentos mentales de que hay situaciones en las que no se puede reproducir lo que te da la mecánica cuántica en su formulación compleja utilizando un equivalente real con el doble de dimensión y eso indicaría que realmente los números complejos son algo fundamental en la mecánica cuántica, o sea que hay cosas que no se pueden, que no da el mismo resultado, digamos una teoría real, una teoría basada en números reales que la teoría de números complejos. Y resulta que a finales del año pasado salieron un par de artículos; además, uno de ellos también liderado como primer autor, tenía también un investigador español que se llama Pedro Barrios Ita y estos dos artículos que responden al artículo 2021 diciendo lo contrario, que efectivamente sí que se puede plantear una mecánica cuántica con números reales y el doble de dimensión al formular la teoría. Entonces, ese es un poco el debate que existe ahora mismo, que yo creo que no está del todo asentado, pero que estos son los papers científicos que ponen en contexto a la situación actual de este debate sobre si realmente los números complejos son algo necesario y fundamental a la mecánica cuántica. Y ahora es cuando yo digo, bueno, y ahora pongo esto ahí sobre la mesa, quizás vamos a empezar por José, que es el que se tiene que ir antes, y dinos tu opinión, José, sobre este debate. Sí, a mí el paper de Nature me gustó mucho, pero bueno, quiero hacer un comentario previo, digamos, un poco que se superpone con tu presentación, pero brevemente. Yo cuando doy el curso, que justamente cuando termine dentro de 20 minutos me tengo que marchar,…
Héctor Socas retoma la discusión sobre los problemas que surgen al intentar representar números complejos como reales en mecánica cuántica, específicamente al realizar el producto tensorial para combinar sistemas.
Habla: Héctor SocasSignificado #13 · Palabras #16producto tensorial en sistemas cuánticosnúmeros complejos como reales mecánica cuánticaproblema al representar números complejos…de la naturaleza, la naturaleza me dice que eso está equivocado, tengo que tocar otros axiomas de la mecánica cuántica, otras leyes de la mecánica cuántica para adecuadamente tuneadas conseguir que se siga describiendo la realidad Qué cosa tan curiosa, ¿no? Eso que acabas de decir: que el mayor problema es a la hora de pegar esos sistemas que básicamente es hacer el producto tensorial, que es el producto interno, que multiplica dos vectores y te da otro vector, y es justamente cuando uno piensa en representar los números complejos como reales, es donde, como decíamos al principio, tienes un poco el problema. Lo puedes hacer, pero tienes que definir un producto interno de esos dos vectores que te den otro vector, que no es el natural, no es el producto vectorial de toda la vida, ¿no? El producto es donde está la madre del cordero, ¿no? De todo este problema. Vale, hay que cuidar las palabras, ¿no? Producto interno suele ser un producto de dos vectores que te dan un número real. Y producto vectorial es un producto que te da un vector.…
Héctor Socas continúa la discusión sobre la presencia de números complejos en la realidad física, retomando un comentario previo de José Edelstein y planteando la paradoja de por qué no son directamente observables.
Habla: Héctor SocasSignificado #12 · Palabras #11inner product notación heredada inglésproducto escalar interpretación previanúmeros complejos josé planteanúmeros complejos en la realidad físicaobservabilidad de números reales en cuánticaparadoja de los números complejos escondidosprobabilidades reales según gastón giribetnúmeros reales como realidad observableeinstein y variables ocultaspantalla de números realesnúmeros complejos como código fuenteanalogía de josé números complejosilustración flammarion números complejos…microscópica del espacio-tiempo en otras estructuras algebraicas que no sean los números reales? O sea, esta idea que vos tenés, esta intuición, ha sido pensada por Witten y otros en los años 90. Acabo de mirar, por cierto, lo de producto interno y Externo y efectivamente es como dicen ustedes, no hace referencia a interno y externo a que el resultado esté dentro de la misma estructura, grupo o lo que sea, sino que de hecho dice que es una notación heredada del inglés: llamar inner product, que es la propia operación la que está definida dentro del grupo. Así que si efectivamente interno sería el producto escalar. Así que una cosa que me vale para corregir esta conversación, claro, la otra cara de la moneda, José también lo planteaba: si aceptamos entonces como normal que los números complejos. están entre nosotros y que la realidad, la estructura de la realidad de alguna forma subyacente está hecha de números complejos si están entre nosotros, ¿por qué no los vemos? Como decía Le Luthier, ¿por qué se escuenden? ¿Por qué no se mostran? Porque al final, incluso en la cuántica, al final lo observable son números reales, las probabilidades son números reales, decía Gastón. Entonces es como que da la impresión, creo que era Francis el que lo decía, como que hay una capa Subyacente de engranajes internos que está fuera de nuestro alcance, fuera de nuestra capacidad de observar, que opera en engranajes complejos y que al final nos presenta a nosotros una pantalla de números reales. Y Einstein pensaba que había otra por debajo incluso, menos mal que esa se la cargó él: la de las variables ocultas. No, pero me gusta la analogía de José: de pensar que los números complejos son con el código fuente y nosotros estamos solamente mirando la pantalla. Hay que esperar al arquitecto; el arquitecto lo ve todo. Ya tengo trabajo para mi journey. Me dan ganas de hacer una ilustración como la de esa de Flammarion, que se ve el hombre metiendo la cabeza para ver lo que hay detrás del cortinaje de estrellas, ¿no? Pues algo así y ve un montón de números complejos detrás. ¡Qué bonito! Pero en cierto sentido, bueno, la manera de entender realmente por qué los números complejos son ventajosos para la descripción de la naturaleza, pues viene de los trabajos post-cochí, ¿no? de todo el trabajo, por ejemplo, de Riemann, de entender lo que es la…
Héctor Socas y Gastón Giribet discuten la posibilidad de formular una física cuántica basada en números reales, contrastándola con el uso de números complejos.
Habla: Héctor SocasSignificado #14 · Palabras #10física cuántica basada en realescuántica real sosa aburrida feanúmeros complejos en física…con esas dos materias. Bueno, perdón por este... Yo diría teoría de grupos, pero será porque no sé suficiente relatividad. Teoría de grupos es una teoría de grupos, pero también tiene mucho de geometría y mucha relación con los números complejos también. Bueno, entonces la conclusión viene a ser algo así como que existe quizás formas de formular una cuántica real, pero es sosa, aburrida y fea. ¿La realidad será compleja o no será? Innecesariamente complicada, sí. ¿Ya los números son complejos o para hacerlo más complicado? Por ejemplo, no sé si lo sabéis, bueno, supongo que lo sabréis. Existen interpretaciones de la mecánica clásica y una de ellas es la interpretación que asume que los números en la mecánica no pueden ser reales, porque los números reales no existen. Los números reales no existen, ni siquiera los podemos calcular; entonces…
Héctor Socas cierra la tertulia expresando su fascinación por la discrepancia entre el uso natural de números complejos en las teorías físicas y su aparente ausencia en las observaciones del mundo real.
Habla: Héctor SocasSignificado #11 · Palabras #17números complejos en teorías físicasdisociación mundo observable y números complejosqubit según héctor socas…no sabía de esa formulación que ha dicho Francis; la buscaré, y me ha gustado el paralelismo con la computación, porque al fin y al cabo los números los hacemos con ordenadores, entonces acercarnos de esa forma, con esa formulación me ha parecido ingeniosa. Bueno, pues yo me doy por satisfecho. ¿Queda algo más que comentar?, alguna conclusión, alguna reflexión final. A mí, no sé, me sigue pareciendo intrigante el hecho de esa disociación entre el funcionamiento interno de la naturaleza, si asumimos que funciona como nuestras teorías, en la que los números complejos aparecen de forma tan natural, pero luego parece que en lo que nosotros observamos en el mundo observable no parecen estar presentes o al menos no de una forma identificable, no tanto como pi. Si queréis os menciono para acabar el tema de los qubits, un qubit. Por naturaleza está descrito por dos números reales que son dos ángulos en una esfera, la esfera de Blob; es decir, es un número complejo. Un qubit necesariamente tiene que tener una descripción con números complejos. Cuando yo paso a una mecánica cuántica…