La mecánica oculta de las transiciones abruptas nos explica cómo pequeños cambios desencadenan un colapso global que termina en fallos catastróficos.
De los superconductores a los apagones, esta investigación descubre la acumulación silenciosa detrás de fallas explosivas.
Por qué algunos cambios en la naturaleza se desarrollan gradualmente, mientras que otros ocurren en un abrir y cerrar de ojos?
La formación de óxido en el metal es un proceso lento y constante que tarda días o incluso semanas en hacerse visible.
En cambio, una red eléctrica puede colapsar en cuestión de segundos.
A qué se debe esta diferencia?
Un equipo de investigación de Israel ha descubierto un mecanismo sorprendente detrás de estas transiciones abruptas, una secuencia espontánea oculta de eventos a microescala que desestabilizan gradualmente un sistema.
Hasta que se rompe.
Su descubrimiento arroja nueva luz sobre el comportamiento de los sistemas complejos cerca de puntos críticos y ofrece una nueva forma de anticipar e incluso prevenir fallos catastróficos.
En su innovador estudio, publicado recientemente en Nature Communications , el equipo dirigido por los profesores Shlomo Havlin y Aviad Frydman, junto con los investigadores Ira Volotsenko, Yuval Sallem y Nahala Yadid, y los colaboradores postdoctorales Bnaya Gross e Ivan Bonamassa, investigó un novedoso sistema experimental de ingeniería: redes superconductoras interdependientes.
Estas redes consisten en dos rejillas superpuestas de cables superconductores, materiales que conducen la electricidad sin resistencia al enfriarse por debajo de una temperatura crítica.
Si bien cada rejilla puede funcionar de forma independiente, el comportamiento más notable surge cuando interactúan mediante el intercambio de calor.
Aquí está el asunto: cuando este sistema se acerca a un punto crítico, por ejemplo, al aumentar la corriente eléctrica, no pasa de un estado superconductor a uno resistivo sin problemas.
En cambio, permanece durante cientos de segundos en una fase intermedia de larga duración.
Luego, sin más estímulos, pasa abruptamente al nuevo estado.
Qué causa esta misteriosa pausa?
La respuesta reside en un proceso espontáneo en cascada.
Cuando un segmento de una red cambia su fase de superconducción a resistiva, libera calor.
Este calor afecta a un segmento aleatorio de la segunda red, desencadenando otro cambio.
Un cambio desencadena otro, como fichas de dominó que caen no en línea recta, sino dispersas por el espacio, derribando a la siguiente mediante conexiones indirectas.
Esta reacción en cadena, aunque lenta y localizada al principio, prepara el escenario para un colapso repentino y global , similar al momento final de un juego de Jenga, cuando la estructura se ha debilitado silenciosamente con cada bloque eliminado, hasta que al eliminar un bloque final todo se derrumba.
En el centro de este comportamiento se encuentra un concepto conocido como factor de ramificación, un término que cobró relevancia durante la pandemia de COVID-19.
Representa el número promedio de nuevos cambios desencadenados por cada evento.
Cuando el factor de ramificación es menor que uno, la cascada se extingue rápidamente.
Si supera uno, el proceso se acelera descontroladamente.
Pero cuando el factor de ramificación es exactamente uno, el sistema alcanza un punto crítico, en un delicado equilibrio entre la estabilidad y un colapso en cascada.
Una dinámica de punto de inflexión similar se observa en la propagación de epidemias: cuando cada persona infectada transmite el virus a exactamente otra, el brote se tambalea al borde del colapso.
Por debajo de este umbral, el brote se extingue; por encima, la epidemia se propaga rápidamente.
Las mediciones en tiempo real del equipo de este factor de ramificación en sistemas superconductores brindan una visión poco común de este régimen crítico.
Más importante, ofrecen una posible señal de alerta temprana para cuando los sistemas complejos están a punto de colapsar.
Este descubrimiento es significativo porque revela cómo pequeños cambios aleatorios, inicialmente inofensivos, pueden desencadenar transformaciones masivas espontáneas y repentinas.
Sorprendentemente, también nos proporciona una herramienta poderosa: al monitorear la propagación de cada pequeño cambio (el «factor de ramificación»), podríamos predecir cuándo un sistema, ya sea un material de alta tecnología, una red eléctrica o incluso un ecosistema, se acerca a un colapso crítico.
Así que la próxima vez que algo falle de repente, ya sea un apagón o un colapso del sistema, recuerda: las semillas del colapso pueden haber sido sembradas mucho antes, un cambio silencioso a la vez.
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