La simulación, entre la teoría tradicional y el experimento

En el marco del “Ciclo de entrevistas a Investigadores/as Directores/as de Proyectos/Laboratorios de la Facultad” hoy dialogamos con el Dr. Antonio José Ramirez Pastor, Director del Proyecto de Investigación “Simulación y Mecánica Estadística de Sistemas Complejos” del Departamento de Física.

Sus primeros pasos en la investigación comenzaron cuando realizó su tesis de Licenciatura en Física en la FCFMyN durante el año 1993 con dirección del Dr. José Luis Riccardo. A partir de ese momento, el Dr. Ramirez Pastor inició su carrera científica y su investigación se desarrolló dentro del grupo Físico-Química de Superficies, que en ese momento dirigía el Dr. Jorge Zgrablich.

¿Cuál es la línea de investigación del proyecto que dirige?

Se trata de Simulación y Mecánica Estadística de Sistemas Complejos. El título ya nos anticipa sobre las herramientas que utilizamos. Teniendo en cuenta que la física tiene distintos campos, nosotros en particular nos dedicamos a la mecánica estadística. Somos un grupo que hace teoría en el sentido de “lápiz y papel” y también hace simulaciones computacionales.

¿De qué tratan este tipo de simulaciones?

Actualmente en la ciencia se dice que las simulaciones computacionales han llenado un espacio entre la teoría tradicional y el experimento. Dicho en otras palabras, los resultados de la simulación pueden ser comparados con aquellos predichos por una teoría, utilizando el mismo conjunto de fuerzas intermoleculares. Esto provee un test exacto de la teoría, evitando apartamientos de las hipótesis teóricas que generalmente aparecen en los experimentos. En otras ocasiones las simulaciones computacionales se pueden utilizar con el fin de estudiar situaciones muy complejas y que no permiten su abordaje con herramientas teóricas analíticas. En nuestro grupo las simulaciones computacionales son usadas en los dos sentidos, como “experimento de máquina” y como herramienta de cálculo para modelar situaciones experimentales complejas.

¿Cuál es el objeto de estudio del grupo de investigación?

Tiene que ver con los sistemas complejos. Esto engloba una gran cantidad de problemas que abarcan disciplinas diferentes entre sí como la física, química, biología, sociología, entre otras. Se trata de sistemas que están compuestos por muchos elementos (o unidades) y cuya característica principal es que, si uno analiza las interacciones locales que hay entre estos componentes individuales, esa interacción local no alcanza para describir las propiedades que tiene el sistema como un sistema global o propiedades emergentes. Podríamos resumir diciendo que para entender el comportamiento de un sistema complejo se requiere algo más que la simple suma de la contribución de cada elemento. Por ejemplo, uno de los sistemas complejos más sofisticados es el cerebro, cuya principal propiedad emergente es la capacidad de pensar. Esta capacidad de pensar se debe a un conjunto de neuronas que trabajan juntas. Se conoce el funcionamiento de una sola neurona aislada, pero el comportamiento colectivo de un gran número de neuronas no es tan simple como simplemente sumarlo. La capacidad de pensar no está entonces en una neurona aislada sino en un conjunto de ellas,  siendo el pensamiento el resultado de la interacción de un gran número de neuronas. En nuestro grupo estudiamos sistemas complejos vinculados principalmente a problemas de superficies y magnetismo. 

¿Existe alguna otra línea de investigación en el grupo?

Sí, somos un grupo muy amplio en cuanto a los intereses y formación de sus integrantes. Físicos, químicos, matemáticos, biólogos, e ingenieros usamos el lenguaje común de la mecánica estadística para abordar un extenso abanico de sistemas. Entre ellos se destacan el problema de adsorción de gases sobre superficies sólidas; adsorción de proteínas en solución; fases superficiales autoensambladas; robustez en sistemas interconectados con aplicaciones al problema de ataques sobre redes eléctricas, de internet, etc.; sistemas magnéticos desordenados; modelos sociales de opinión de agentes y hasta problemas de optimización en modelos económicos simples. Aún cuando hacemos ciencia básica y nuestro principal objetivo es contribuir al avance general del conocimiento, en el último tiempo estamos  interesados en desarrollar algunas aplicaciones. A través de un convenio firmado con una empresa local dedicada a la producción de hormigón, estamos colaborando en el desarrollo de un material mixto constituido por hormigón reforzado con fibras plásticas. Estamos aplicando nuestra experiencia en el tratamiento de sistemas compuestos por dos fases, el hormigón y las fibras plásticas en este caso, para determinar los valores óptimos del tamaño y la densidad de fibras, de acuerdo a las propiedades requeridas para el material. Tenemos muchas expectativas en concretar con éxito este proyecto.

¿En qué aspecto se relaciona su grupo con las investigaciones de Giorgio Parisi, recientemente ganador del Premio Nobel en Física?

Todos los que pertenecemos a la comunidad de la mecánica estadística recibimos con gran alegría la noticia que señalaba a Giorgio Parisi como uno de los ganadores del Premio Nobel de Física 2021. Fue muy emocionante, se trata de un investigador muy cercano a lo que hacemos nosotros en el grupo. Justamente el galardón tuvo que ver con los aportes realizados por el Prof. Parisi a la descripción teórica de los sistemas complejos. A modo de anécdota, puedo mencionar que los papers de Mézard, Parisi y Virasoro sobre sistemas magnéticos desordenados fueron los primeros trabajos que comencé a estudiar, cuando iniciaba mis labores como alumno de maestría a principios de los años 90’. Mi director de maestría, y actual colaborador de nuestro grupo, Dr. Eugenio Vogel, ya había tenido contactos con el Prof. Parisi. Estos contactos se extendieron más tarde a otros miembros del grupo, quienes tuvimos la suerte de compartir congresos con el Prof. Parisi e incluso asistir a alguna de sus clases en el Centro Internacional de Física Teórica de Trieste, Italia. El merecido premio obtenido por Giorgio Parisi es también un importante reconocimiento a esta rama de la física vinculada a la mecánica estadística y los sistemas complejos.

¿Dónde se aplica la mecánica estadística principalmente?

Aborda una amplia variedad de sistemas uniendo las teorías microscópicas como física clásica, mecánica cuántica, relatividad y electromagnetismo con las teorías macroscópicas, principalmente la termodinámica. Podemos decir que la mecánica estadística aporta una interpretación microscópica a nivel de átomos y moléculas de cantidades termodinámicas macroscópicas tales como trabajo, calor, energía libre y entropía. Siempre un ejemplo resulta útil para asimilar mejor estos conceptos. Pensemos en un recipiente que contiene un gas, podría ser el tubo de un vehículo que funciona con GNC. Hagamos ahora un experimento midiendo algunas cantidades macroscópicas después del proceso de carga del tubo. Obtendremos así valores para la presión, temperatura, volumen de gas cargado, etc. A partir de aquí, es la termodinámica quien nos brinda las ecuaciones que nos permiten relacionar entre sí las cantidades medidas. Sin embargo, nada nos dice la termodinámica sobre lo que está ocurriendo a nivel microscópico dentro del tubo. Es en este punto en donde la termodinámica se complementa con la mecánica estadística. Esta última, a partir de ciertas hipótesis sobre los elementos que conforman un sistema y sus interacciones mutuas, nos brinda las bases físicas a nivel microscópico que dan origen al comportamiento macroscópico descrito por la termodinámica. El poderoso marco teórico que ofrece la mecánica estadística resulta en múltiples aplicaciones que incluyen desde pequeños sistemas físicos hasta galaxias, sistemas biológicos, químicos, e incluso aparecen aplicaciones en campos tan ajenos a la física como la economía y la sociología.

A través del tiempo los aportes realizados por la física permitieron significativos desarrollos en la generación de nuevas tecnologías, en forma recíproca, ¿Cómo impacta en el desarrollo de sus investigaciones en Simulación los importantes avances tecnológicos?

Los avances y mejoras que día a día tienen lugar en los sistemas de computación son cruciales para el desarrollo de las investigaciones que hacemos en el campo de las simulaciones en física. En la Facultad contamos con un clúster computacional de alto desempeño, constituido en este momento por aproximadamente 400 nodos, en donde nuestro equipo de investigadores realiza sus experimentos de máquina. De alguna manera tratamos de reproducir en un programa lo que hace la naturaleza, en lugar de hacerlo en un laboratorio tradicional. Cada avance tecnológico en ciencia computacional mejora nuestra capacidad de cálculo, brindando mayor precisión al resultado de nuestras investigaciones.

¿Se dificultó esa tarea en la época de aislamiento?

Quienes hacemos teoría no fuimos los más perjudicados durante la pandemia. Nuestro principal equipamiento de cálculo es el clúster “BACO”, una facilidad computacional de alto desempeño que funciona las 24 horas del día y a la que puede accederse de forma remota. Durante el periodo más crítico del aislamiento tuvimos algunos problemas puntuales como cortes de luz u otras fallas técnicas, pero en todos los casos el sistema pudo ser restablecido rápidamente. De todos modos, la vuelta a la presencialidad es de gran valor para nuestra tarea cotidiana. Es altamente aceptado que el trabajo cara a cara tiene un impacto positivo sobre las actividades de investigación.

Usted dirige el Instituto de Física Aplicada (INFAP), ámbito desde el cual la UNSL es reconocida por sus aportes a la generación de conocimientos tanto en la Argentina como fuera de ella, ¿Cómo se fomenta el desarrollo de recursos humanos calificados y cuál es la incidencia de CONICET en la formación de becarios y científicos en la UNSL?

El grupo de investigación que dirijo se generó a principios del año 2000, en el ámbito del Departamento de Física.  A partir de la creación en el 2007 del Instituto de Física Aplicada (INFAP), un instituto de doble dependencia UNSL-CONICET, nuestro grupo pasó a formar parte del Instituto, como una de sus líneas iniciales. En la actualidad, el  INFAP cuenta con ocho líneas de investigación y una de ellas es la de Simulación y Mecánica Estadística de Sistemas Complejos. Con respecto a la formación de recursos humanos, uno de los cinco objetivos generales del INFAP establece como prioritario el contribuir a la formación de académicos altamente especializados en el campo de la Física Aplicada. Esto implica colaborar con la UNSL en la organización y dictado de cursos de posgrado, seminarios y cursos especiales tendientes al mejoramiento de las carreras de grado y posgrado que se dictan en nuestra universidad. De esta manera, la UNSL brinda el respaldo académico y su tradición en carreras científicas, y el CONICET contribuye con becas y subsidios de investigación que posibilitan un mejor desarrollo de las actividades de grado y posgrado. El resultado de esta labor conjunta se refleja en el excelente desempeño de las carreras de posgrado vinculadas a las temáticas del INFAP, Doctorado en Física, Doctorado en Química y Maestría en Ciencias de Superficies y Medios Porosos, las tres categorizadas “A”, máxima categoría establecida por CONEAU.

¿Cómo es la relación del INFAP con el Departamento de Física y las carreras que se dictan?

Es una relación absolutamente estrecha, trabajamos casi de forma indistinguible. Los investigadores del INFAP son en su mayoría docentes-investigadores de la UNSL y nos sentimos muy involucrados con la Universidad y sus carreras. En mi caso particular, no sólo realizo mis actividades de docencia en el Departamento de Física, sino que también soy director del Doctorado en Física. Actualmente nuestro Instituto funciona en instalaciones del Departamento de Física, y estamos iniciando el proceso de construcción de un edificio propio. La concreción de esta anhelada meta tendrá un impacto muy positivo sobre todas las líneas de investigación que se desarrollan en el ámbito del INFAP.

Fotos: Prensa UNSL