Biological feedback – quantitative and qualitative models

In a recent paper we speculated on the presence of a geometric phase or phase memory in the bilateral nasal cycle, using a certain analogy between the mechanics of the circulatory system and a gauge field such as the electromagnetic one [34], and taking into account that Maxwell’s equations are a particular case of the fluid equations. It is known that shortly after its discovery, the geometric phase was generalized well beyond the adiabatic or even the cyclic cases, and that today it is studied even in dissipative open systems and in various cases of animal locomotion. The analogy may be relevant despite the fact that the respiratory system obviously operates in a gaseous phase instead of a liquid one, while still being coupled to the blood circulation.

According to V. D. Tsvetkov, the ratio between systolic and diastolic time in humans and other mammals averages the same reciprocal values of the golden mean, and also the ratio of the maximum systolic pressure to the minimum diastolic pressure points to a relative value of 0.618/0.382 on average. Although these values may be arbitrarily approximate, we would have an excellent opportunity here to contrast them mechanically and see if there really is some kind of underlying optimization, since the systolic time already echoes the reflected vascular wave, and the same is true of the diastolic time.

On the other hand there is the Pulse Wave Velocity, which is a measure of arterial elasticity: both are derived from the second law of mechanics through the Moens-Korteweg equation. This wave velocity varies with pressure, as well as with the elasticity of the vessels, increasing with their stiffness. The return distance of the reflex wave and the time it takes increases with height, and a lower diastolic pressure, which indicates less resistance of the whole vascular system, reduces the magnitude of the reflected wave. Treatment of hypertension should focus, it is said, on decreasing the amplitude of the reflected wave, slowing it down, and increasing the distance between the aorta and the return points of this wave.

Now, we can try to apply here Noskov’s retarded potentials with longitudinal waves, as he emphasized their universality and their place in the most elementary feedback; in fact, there is perhaps no better way of illustrating these waves and their correlation with certain proportions in a complete mechanical system than the circulatory system itself.

Since, to a large extent, it seems that we can consider the elasticity of the reflected wave as a retarded Weber-Noskov potential dependent on distance, force and phase velocity, and check whether this results in coupling or resonance conditions that incidentally tend to the values of the golden section. The myocardium is a self-exciting muscle, but the return of the reflex wave also contributes to this, so we have a fair example of a circuit with tension-pressure-deformation transformations that are fed back and that do not differ in essence from the gauge transformations of modern physics, in which there is also an implicit feedback mechanism.

This would be a perfect instance to explore these correlations in a sort of “closed loop” process, even if the system remains open through the breath, which is not contrary to our approach because for us every natural system is open by definition. It allows both numerical simulation and approximation by real physical models created with elastic tubes and coupled “pumps”, so that it can be approached in the most tangible and direct way [35].

However, the idea that the heart is really a pump, being as it is a spiral muscular band, or that the motion of the blood, which generates vortices in the vessels and the heart, is due to pressure, when it is the pressure that is an effect of the former, should be thoroughly revised. In fact this is an excellent example of how we can give a strictly mechanical description while radically questioning not only the form but the very content of causality —the cause-effect relationship. The essential factor of the pressure created is not the heart, but the open component, in this case, the breath and the atmosphere. And although it is clear that these are very different cases, this is in line with our idea of gauge fields and natural processes in general.

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The dynamics and biomechanics of the blood pulse can be derived from the applied force, but if we look within modern science for a suitable equivalent to Newton’s three principles of mechanics in open systems such as biological organisms, we do not find it. To find something similar we have to look back to principles that are more “archaic” to us, and then look for a quantitative and mathematical translation.

Actually, the triguna of the Indian Samkya system —samkya means proportion- and its application to the human body as the tridosha in Ayurveda is the better match. The triguna, as it were, is a kind of system of coordinates for modalities of the material world in qualitative terms. The three basic qualities, Tamas, Rajas and Satwa, and their reactive forms in the body, Kapha, Pitta and Vata correspond very well to the mass or amount of inertia, the force or energy, and the dynamic equilibrium through motion (let us say: passivity, activity and balance). But it is evident that in this case we are talking about qualities and the systems are considered open from the start without need for further definition.

So, here is the law of conservation of momentum, not the third law of mechanics, what really should hold here, as a system like this implicitly admits a variable degree of interaction with the environment. In harmony with this, the Ayurveda considers that Vata is the guiding principle of the three since it has autonomy to move by itself in addition to moving the other two. Vata defines the sensitivity of the system in relation to the environment, its degree of permeability or lack thereof. In other words, the state of Vata indicates by itself to which extent the system is effectively open.

In the human body the most explicit and continuous form of interaction with the environment is the breath, and therefore it is just in the order of things that Vata governs this function most directly. Although the doshas are modes or qualities, in the pulse they find a faithful translation in terms of dynamic values and the continuum mechanics —provided we settle for modest degrees of precision, but surely enough to give us a qualitative idea of the dynamics and its basic patterns.

The other two modes are simply what moves and what is moved, but the articulation and coexistence of the three can be understood in very different ways: from a purely mechanical way to a more specifically semiotic one. Here again, the indistinction or ambiguity between kinetic, potential and internal energy, which we have already noticed in relational mechanics, might be of some relevance.

The principle of inertia is a possibility, that of force a brute fact, the action-reaction —the same act seen from two sides- is a relationship of mediation or continuity. We can put them on the same plane or put them on different planes, which constitute an ascending or descending gradation, as in fact are the modalities of the Samkya system.

Actually, it should not be too difficult to find the common ground that the Indian and Chinese semiologies of the pulse have, beyond the differences of terminology and categories; and to move from this common ground to the quantitative, but extremely fluid, language of continuum mechanics. Thus we would have a method to pass from qualitative to quantitative aspects, and vice versa; and to find dynamic patterns that now pass unnoticed. There are several issues here. One is the extent to which these qualitative descriptions can be made consistent.

Another question is to what extent the representation of a qualitative scale can be made intuitive. Let us think, for example, of biofeedback signals, which can be effective under the representation of forces, potentials, and many other more indirect relationships. What is interesting is that these types of assisted feedback do not aim at control and manipulation, but at tuning in to the organizing principle of the dynamics.

From our perspective, as we have already said repeatedly, all physical systems, from galaxies to atoms, have feedback. But what are the physical limits of, let us say a human being, to tune in to other entities? The phase rhythmodynamics and its resonances, the time scale, the energy scale, strain-stress constitutive relations, the dependence on free energy? Or the capacity to align with the Pole that both systems have in common? Is there interference or is there rather a parallelism on the same background?

These are subjects for which science has not yet found even the minimum criteria, but which should help us to overcome the instrumental compulsion, the instrumentation syndrome that has guided human technology since the first tools, and which intensifies as the tools offers less resistance to the user.

One more question is whether this type of trimodal analysis, or even a bimodal one, has a recursive character, as the same feedback and the presence of the continuous proportion in the circulatory system suggest; and what type of recursion is involved.

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The characterization of the dynamic equilibrium should always indicate the Pole of the evolution of a system, if it has one. In the case of the Solar System and the planets this is obvious —and notwithstanding, it is still far from receiving the attention it deserves. But it turns out that the bilateral nasal cycle is also telling us about an axis even in a process where polarity does not look very relevant, from the biomechanical point of view, such as the compression and release of a gas in our own organism. This should be of great interest to us, and it provides a thread through which many other things can be revealed.

In fact, the Earth’s own climate or that of other planets, with its great complexity, is a more explicitly polar system than the respiratory regime of any mammal —and in this case the separating barrier would be the intertropical convergence zone. The point of interest here is that, if the analogy is sound, from a thermomechanical point of view the degree of separation that the barrier exerts, possibly associated with a topological torsion, could also be defining the degree of autonomy of the system with respect to the external conditions —let us call it the endogenous component. An endogenous view that would have to be duly complemented with appropriate sensors and observations of the so-called spatial time [36].

If we said before that the fact that an ellipse has in its interior two focuses does not mean that we only have to look inside it for the origin of the forces that determine its shape, the same is true for the disturbances that usually affect other organisms or systems, which does not prevent them from synthesizing in their behavior the product of external and internal factors, in the breath not less than in other balances that run in parallel.

Realimentación biológica —modelos cuantitativos y cualitativos

En otra parte hemos especulado sobre la presencia de una fase geométrica o memoria de fase y el ciclo nasal bilateral, aprovechando cierta analogía entre la mecánica del sistema circulatorio y un campo gauge como el electromagnético [34], y teniendo en cuenta que las ecuaciones de Maxwell son un caso particular de las ecuaciones de fluidos. Sabido es que al poco de su descubrimiento la fase geométrica se generalizó más allá del caso adiabático o incluso el cíclico, y que hoy se estudia incluso en sistemas abiertos disipativos y en diversos casos de locomoción animal. La analogía puede ser pertinente a pesar de que, obviamente, el sistema respiratorio opera en fase gaseosa en vez de líquida, sin dejar por ello de estar acoplado con la circulación sanguínea.

Según V. D. Tsvetkov, la razón entre el tiempo de la sístole y la diástole en humanos y otros mamíferos promedia los mismos valores recíprocos de la razón áurea, y también la proporción entre la presión máxima sistólica y la mínima diastólica apunta a un valor relativo de 0.618/0.382. Aunque estos valores puedan ser arbitrariamente aproximados tendríamos aquí una excelente ocasión de contrastarlos mecánicamente y ver si realmente existe algún tipo de optimización subyacente, puesto que el tiempo sistólico ya se hace eco de la onda vascular refleja, y lo mismo ocurre con el tiempo de la diástole.

Por otro lado está la Velocidad de la Onda del Pulso, que es una medida de la elasticidad arterial: ambas se derivan de la segunda ley de la mecánica a través de la ecuación de Moens-Korteweg. Esta velocidad de la onda varía con la presión, así como con la elasticidad de los vasos, aumentando con su rigidez. La distancia de retorno de la onda refleja y el tiempo que conlleva aumenta con la estatura, y una menor presión diastólica, que indica menor resistencia del conjunto del sistema vascular, reduce la magnitud de la onda refleja. El tratamiento de la hipertensión debería centrarse, se dice, en disminuir la amplitud de la onda refleja, rebajar su velocidad, y aumentar la distancia entre la aorta y los puntos de retorno de esta onda.

Así pues, podemos intentar aplicar aquí la idea del potencial retardado y las ondas longitudinales de Noskov, teniendo en cuenta que él fue el primero en proponer su lugar en el feedback más elemental y su universalidad; de hecho, tal vez no haya mejor forma de ilustrar estas ondas y su correlación con ciertas proporciones en un sistema mecánico completo que el propio sistema circulatorio.

Dado que, en buena medida, parece que podemos considerar la elasticidad de la onda refleja como un potencial retardado de Weber-Noskov dependiente de la distancia, fuerza y velocidad de fase, y comprobar si esto procura un acoplamiento o unas condiciones de resonancia que, incidentalmente, tendieran a los valores de la sección áurea. El miocardio es un músculo autoexcitable pero a ello también concurre el retorno de la onda refleja, así que tenemos un hermoso ejemplo de circuito de transformaciones tensión-presión-deformación que se realimentan y que no difieren en lo esencial de las transformaciones gauge de la física moderna, en los que también hay un implícito mecanismo de realimentación.

Esta sería una instancia perfecta para explorar estas correlaciones como un proceso “en circuito cerrado”, aunque el sistema mantenga una apertura a través de la respiración, lo que no es contrario a nuestro planteamiento porque para nosotros todos los sistemas naturales son abiertos por definición. Permite tanto la simulación numérica como la aproximación por modelos físicos reales creados con tubos elásticos y “bombas” acopladas, de modo que puede abordarse de la forma más tangible y directa [35].

Sin embargo conviene revisar a fondo la idea de que el corazón es realmente una bomba, siendo como es una cinta muscular espiral, o que el movimiento de la sangre, que genera vórtices en los vasos y el corazón, se debe a la presión, cuando es la presión la que es un efecto del primero. En realidad este es un ejemplo magnífico de cómo puede darse una descripción estrictamente mecánica a la vez que se cuestiona radicalmente no sólo la forma sino el mismo contenido de de la causalidad. El factor esencial de la presión creada no es el corazón, sino el componente abierto, en este caso, la respiración y la atmósfera. Y aunque es evidente de que se trata de casos muy diferentes, esto se haya en consonancia con nuestra idea de los campos gauge y de los procesos naturales en general.

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La dinámica y biomecánica del pulso sanguíneo puede derivarse de la fuerza aplicada, pero si buscamos dentro de la ciencia moderna un equivalente adecuado para los tres principios de la mecánica de Newton en sistemas abiertos como los organismos biológicos, no lo vamos a encontrar. Para encontrar algo parecido tenemos que mirar hacia atrás, para buscar luego una traducción cuantitativa y matemática.

Realmente, el triguna del Samkya indio —samkya significa proporción- y su aplicación al cuerpo humano como tridosha en el Ayurveda es lo que encuentra más semejanza para el caso. El triguna, como si dijéramos, es el sistema de coordenadas para modalidades del mundo material en términos cualitativos. Las tres cualidades básicas, Tamas, Rajas y Satwa, y sus formas reactivas en el organismo, Kapha, Pitta y Vata se corresponden muy bien con la masa o cantidad de inercia, la fuerza o energía, y el equilibrio dinámico a través del movimiento (o pasividad, actividad y equilibrio). Pero es evidente que en este caso hablamos de cualidades y los sistemas se consideran abiertos sin necesidad de definición.

Aquí la tercera ley de la mecánica ha de dejar paso a la conservación del momento y admite implícitamente un grado variable de interacción con el medio. En armonía con esto, el Ayurveda considera que Vata es el principio-guía de los tres ya que tiene autonomía para moverse por sí solo además de mover a los otros dos. Vata define la sensibilidad del sistema en relación con el ambiente, su grado de permeabilidad o por el contrario embotamiento con respecto a él. Es decir, el estado de Vata es por sí mismo un índice del grado en que el sistema es efectivamente abierto.

En el cuerpo humano la forma más explícita y continua de interacción con el medio es la respiración, y por lo tanto está en el orden de las cosas que Vata gobierne esta función de forma más directa. Aunque los doshas son modos o cualidades, en el pulso encuentran su fiel traducción en términos de valores dinámicos y de la mecánica del continuo —siempre que nos conformemos con grados de precisión modestos, pero seguramente suficientes para darnos una idea cualitativa de la dinámica y sus patrones básicos.

Los otros dos modos son lo que mueve y lo que es movido, pero la articulación y coexistencia de los tres puede entenderse de formas muy diferentes: desde una manera puramente mecánica a otra más específicamente semiótica. Posiblemente también aquí tiene algún grado de vigencia la condición de indistinción o ambigüedad entre la energía cinética, la potencial y la interna que ya hemos notado en la mecánica relacional.

El principio de inercia es una posibilidad, el de fuerza un hecho bruto, la acción-reacción —un mismo acto visto desde dos caras- es una relación de mediación o continuidad. Podemos ponerlos en un mismo plano o ponerlos en planos diferentes, que constituyen una gradación ascendente o descendente, tal como en efecto son las modalidades del Samkya.

Realmente, no tendría que ser demasiado difícil hallar el suelo común que tienen las semiologías india y china del pulso más allá de las diferencias de terminología y categorías, y pasar de este suelo común al lenguaje cuantitativo, pero extremadamente fluido, de la mecánica de medios continuos. Así tendríamos un método para pasar de aspectos cualitativos a cuantitativos, y viceversa; y encontrar dinámicas y patrones que ahora nos pasan desapercibidos por inherentes. Hay aquí varias cuestiones. Una es hasta qué punto pueden hacerse estas descripciones cualitativas consistentes.

Otra cuestión es hasta qué punto pueden hacerse intuitiva la representación de una escala cualitativa. Pensemos por ejemplo en las señales del biofeedback, que pueden resultar efectivas bajo la representación de fuerzas, de potenciales, y de otras muchas relaciones más indirectas. Lo interesante es que estos tipos de realimentación asistidos no apuntan hacia el control y la manipulación, sino hacia la sintonización con el principio organizador de los “sistemas”.

Desde nuestra perspectiva, ya lo hemos dicho repetidamente, todos los sistemas físicos, también los átomos, tienen realimentación ¿Cuáles son los límites físicos de, por ejemplo, un ser humano, para sintonizar con otras entidades? ¿La ritmodinámica de fase y sus resonancias, las escalas de tiempo, de energía, las relaciones constitutivas de tensión-deformación, la dependencia de la energía libre? ¿O la capacidad para alinearse con el polo que ambos sistemas tienen en común? ¿Hay interferencia o hay más bien un paralelismo sobre un mismo fondo?

Se trata de temas para los que la ciencia todavía no ha encontrado ni siquiera los mínimos criterios, pero que precisamente debería ayudarnos a superar la compulsión instrumental o síndrome de instrumentación que ha guiado a la tecnología humana desde las primeras herramientas, y que se intensifica a medida que el objeto ofrece menos resistencia.

Otra cuestión más es si este tipo de análisis trimodal, o incluso uno bimodal, tiene un carácter recursivo, como la misma realimentación y la presencia de la proporción continua en el sistema circulatorio permiten conjeturar; y de qué tipo de recursividad se trata.

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La caracterización del equilibrio dinámico debería indicarnos siempre el Polo de la evolución de un sistema, si es que este lo tiene. En el caso del Sistema Solar y los planetas la cosa resulta obvia —y a pesar de todo todavía está muy lejos de recibir toda la atención que merece. Pero resulta que el ciclo nasal bilateral también nos está hablando de un eje en algo presuntamente poco polar, desde el punto de vista de la física, como la compresión y la liberación de un gas en nuestro propio organismo. Esto también debería llamar grandemente nuestra atención, y nos brinda un cabo a través del cual pueden revelarse otras muchas cosas.

De hecho el propio clima terrestre o el de otros planetas, con su enorme complejidad, es un sistema más explícitamente polar que el régimen respiratorio de cualquier mamífero —y en este caso la barrera separadora sería la zona de convergencia intertropical. La cuestión de interés es que, si se nos permite la analogía, desde un punto de vista termomecánico el grado de separación que ejerce la barrera, posiblemente asociado a una torsión topológica, podría estar definiendo también el grado de autonomía del sistema con respecto a las condiciones exteriores —llamémoslo el componente endógeno, si se quiere. Una visión endógena que tendría que complementarse debidamente con los sensores y observaciones apropiadas del llamado tiempo espacial [36].

Si antes decíamos que el que una elipse tenga en su interior dos focos no significa que sólo haya que buscar el origen de las fuerzas que la determinan en su interior, lo mismo vale para las perturbaciones que de ordinario afectan a otros organismos o sistemas, lo que no impide que sinteticen en su comportamiento la suma de factores externos e internos, en la respiración no menos que en otros balances que discurren en paralelo.

The apple and the Dragon

To my knowledge, Nikolay Noskov was the first to appreciate, in the 1990s, that Weber’s dynamics was so far the only one that allowed for a physical account of the shape of the ellipses, even if it did not pretend to give a “mechanical explanation” for them. In this respect, Noskov particularly insisted on associating the retarded potentials with longitudinal vibrations of the moving bodies in order to give a content to the conservation, merely formal in Weber, of energy; he also insisted that their occurrence permeated all types of natural phenomena, from the stability of atoms and their nuclei, to orbital elliptical motion, sound, light, electromagnetism, the flow of water or gusts of wind [9].

Despite the misunderstandings on the subject, these longitudinal waves are not incompatible with known physics, and Noskov recalled that the same Schrödinger wave equation is a mixture of different equations that describe waves in a medium and waves within the moving body —and the same thing happened from the start with Maxwell’s “electromagnetic waves”, which even from the most classical point of view cannot be anything other than a statistical average between what occurs in portions of space and matter.

Noskov noticed that the behavior of forces and potentials in Weber’s law involved a sort of feedback, although he does not seem to recognize that this is already the case for all gauge theories, and finally even for Newtonian celestial mechanics itself, although in all these instances it is presented in disguise. Atoms would be definitely dumb without this ability to adjust embedded into the very idea of the field.

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Let us now return to the continuous proportion. Miles Williams Mathis wonders how it is that, given the equality Φ2 + Φ = 1, phi has not been related to the most elementary inverse-square laws of physics; moreover, he wonders how it is that it has not been associated with the sphere itself, being so evident that the surface of a sphere also decreases to the square [10].

It could be argued that the Fibonacci series does not square, but the factor Φ does, as can be easily seen in the successive squares of the golden spiral (1, 1/Φ, 1/Φ2 , 1/Φ3 …) or in its expression as a continuous square root. Mathis is not confusing the inverse square with the square root, but is talking about a scale factor between two hypothetical subfields one into the other.

Miles Mathis: More on the Golden Ratio and Fibonacci Series

Mathis may be right in insisting that the presence of phi must also have an underlying physical cause; the only problem is that modern physics ignores and completely denies a scale relationship between charge and gravity, indeed light and gravity, as he is proposing. However, the origin of his correlation lies in the same Kepler’s problem, in which he wants to see a joint action of two different fields, the second one based not only on the inverse square of the distance but also on an inverse law of the fourth power (1/ r4) with a product of density by volume, instead of the usual formula of masses.

Now, Mathis is the first to specifically point out the conflation of orbital velocity and innate motion in Newton, interpreting the Lagrangian as the disguised product of two fields, of opposite attractive and repulsive effects, whose relative proportion or intensity is a function of scale and density [11].

The inclusion of density would have to be fundamental in a truly Archimedean relational physics, which brings us back to the issue of waves and spirals. Spirals are a common occurrence in astronomy, galaxies being their most apparent manifestation; these galaxies have been described in terms of density waves.

Many have noticed a logarithmic spiral with Φ as a key also in the Solar System and the distribution of its planets. As in the case of the so-called “law”, or rather rule of Titus-Bode, the existence of a non-random order seems quite evident, but the adjustment with the known values is somewhat arbitrary.

It goes without saying that the ellipse is the transformation of the circle when its centre is divided into two foci; although from the other point of view it can be said, and this is not unimportant, that the circle is only the limit case of the first one. Expanding on Kepler’s problem, although in a different light, Nicolae Mazilu refers us to Newton’s theorem of revolving orbits. Newton had already carefully considered the case of forces decreasing to the cube of distance, and in this hypothetical case the bodies describe orbits with logarithmic spiral shapes, which of course no one has observed.

However, E. B. Wilson’s works of 1919 and 1924 showed that the stable electron orbits in the atom were not ellipses but logarithmic spirals; only that the force involved here is not the Coulomb force, but a transition force between two different elliptical orbits. The later solution of the problem has buried in oblivion a model that was also consistent. And as for all applications of conic sections to physics, here too we find that signature of change in the potential, the shift in phase or plane of polarization known as the geometrical phase, discovered by Pancharatnam and so successfully generalized to quantum mechanics by Michael Berry [12] .

Jan Boeyens: Commensurability in the Solar System

Various studies recount that the distribution of the planets in the Solar System follows the pattern of a logarithmic golden spiral with an accuracy of more than 97 percent, which may increase if the sidereal years and synodic periods of the system as a whole are taken into account [13]. For Hartmut Müller, the proximity is simply due to the closeness of phi to the value of √e, which is 1.648. According to other counts not verified by myself, the average distance between consecutive planets from the Sun to Pluto, taking the distance between the two previous ones as a unit, is just 1.618. If the last planet is discarded, the average deviates widely, which gives an idea of the fragility of these calibrations.

It has often been said that the perceptible harmony in the Solar System is not possible without some feedback mechanism, while the Newtonian approach simply combines a force at a distance with trajectories like cannonballs —a cannonball theory of everything- dependent on external forces or collisions. However, we have already seen that even in the Newtonian case a self-interaction is masked by merging innate motion and orbital velocity into one.

Newtonian celestial mechanics gave way to a more abstract version, Lagrangian mechanics, to avoid this mess; the difference between the kinetic energy and the potential begs the question to the so-called “initial conditions”, but these are nothing but Newton’s innate motion… at any rate, the case is that this average difference of the Lagrangian and the average eccentricity of the orbits is of the same order of magnitude than the deviations of the distribution of the solar system obtained by the logarithmic golden spiral. Thus, one can take the Lagrangian density of the entire system and its averages and see how the planets with their orbits nestle in.

It seems that scientific publications no longer admit studies on planetary distribution, since, having no underlying physics, they are relegated to the limbo of numerological speculation. However, the Lagrangian routinely used in celestial mechanics is also nothing more than a pure mathematical analogy, and exists only to blur differences of the same order of magnitude. Suffice it to admit this to realize that both issues are not on different grounds —maybe they are not even two different things.

To admit this is also to admit that gravity itself is an adjustment force that depends on the environment and not a universal constant, but this is something that was already implicit in Weber’s relational mechanics.

Mathis’ theory is more specific in that it regards G as a transformation between two radii. Not concerned with fitting his own notions of the physics underlying the Golden Section into the spiral of the Solar System, he deals in detail with Bode’s Law in a much simpler way based on a series based on √2. He also includes naturally in it the optical equivalence, the neglected fact that many planets look of the same size from the Sun, just as many satellites look the same size as the Sun seen from their respective planets. So this is not a punctual coincidence [13]. The optical equivalence would be the final wink that Nature gives us to see who is more blind, she or we.

And since it looks like a typical fancy of Nature, let us allow ourselves a bit of numerological fun. The optical equivalence that is shown in the total eclipses is an angular or projective relationship (with an approximate value of 1/720 of the celestial sphere) in accordance with the number 108, so important in different traditions, here entailing the number of solar diameters between the Sun and the Earth, the number of terrestrial diameters in the diameter of the Sun and the number of lunar diameters that separate the Moon from the Earth.

In the pentagram used to construct a golden spiral —and with which an ellipse can also be univocally determined in spherical geometry- we see that the reciprocal angles of the pentagon and the star are 108 and 72 degrees. On the other hand, Mathis himself comments, without relating it in any way to the optical equivalence, that in accelerators the relativistic mass of a proton usually finds a limit of 108 units that neither Relativity nor Quantum Mechanics explain, and he makes a derivation of the famous gamma factor that links it directly to G.

Of course, the Lorentz relativistic factor coincides with Weber’s mechanics up to a certain limit of energy —although in the latter what increases is the internal energy instead of mass. There could be no more natural connection with the optical equivalence than that of light itself, and Mathis’ theory establishes a series of equations and identities between light and charge, charge and mass, mass and gravity.

On the other hand, if we were to throw a stone into a well which perforated the Earth from side to side, and waited for it to return like a spring or a pendulum, it would take about 84 minutes, the same as an object in a close orbit around the planet. If we did the same thing with a particle of dust on an asteroid the size of an apple, but of the same density than our planet, the result would be exactly the same. This fact, which seems to assign an important role to density over mass and distance itself, pierce the appearance of the gravitational phenomenon, and should be as astonishing to us as Galileo’s finding that objects fall at the same speed regardless of their weight; it also fits very well in the context of an spiral equal at all scales.

In any case the Lagrangian, the difference between kinetic and potential energy, has to play a fundamental role as a reference for the fine tuning of the different elements of the Solar System. In celestial mechanics, despite what is said, the integral has always led to the differential, and not the other way around. The law discovered by Newton does not shape the ellipse but rather tries to fit it.

So we have Newton’s apple and the Golden Dragon of the Solar System Spiral. Will the dragon swallow the apple? The answer is that he doesn’t need to swallow it, since it has been inside him from the start. Let us say it again: the gauge fields, characterized by the invariance of the Lagrangian under transformations, are equivalent to a non-trivial feedback between force and potential, which in turn is indistinguishable from the eternal “information problem”, namely how the Moon knows where the Sun is and how it “knows” its mass to behave as it does. Why to ask about information at the microlevel of particles when the problem is in plain sight at the macrolevel in the first place?

Considering the adjustments of the Lagrangian in comparison with a system described exclusively by non-variable forces, the entire Solar System looks like a great spiral holonomy.

The Lagrangian can also hide virtual dissipation rates —virtual, of course, since we already know that the orbits are preserved. In fact, what Lagrange did was to dilute D’Alembert’s principle of virtual work by introducing generalized coordinates. But we are so used to separate the formalisms of thermodynamics from those of the supposedly more fundamental reversible systems that it is hard to see what this means. However, the most certain instinct tells us that everything reversible is an island surrounded by an ocean without forms. There is no motion without irreversibility; to pretend otherwise is just an illusion.

Mario J. Pinheiro wants to repair this divorce between convictions and formalisms by proposing a reformulation of mechanics alternative to the Lagrangian account, with a variational principle for rotating systems out of equilibrium and a mechanical-thermodynamic time in a set of two differential equations of first order. Here the equilibrium takes place between the minimum energy variation and the maximum entropy production.

This thermomechanics allows us to consistently describe systems with characteristics that are quite different from those of reversible systems, and which are particularly relevant to the case at hand: subsystems within a larger system can absorb the forces exerted on them, and instead of being enslaved there is room for interaction and self-regulation. There may be a component of topological torsion and conversion of linear or angular motion into angular motion. The angular momentum acts as a damper to dissipate the disturbances, “a well-known redressing mechanism in biomechanics and robotics ” [15] .

To my knowledge, Pinheiro’s proposal of an irreversible mechanics is the only one that gives a proper explanation of Newton’s famous buck experiment and the whirlpool formed by its rotation, by the transport of angular momentum, as opposed to Newton’s absolute interpretation or Leibniz’s purely relational one, neither of which are really to the point. Suffice it to recall the elemental observation that in this experiment the appearance of the vortex requires both time and friction, and matter is transferred to the regions of highest pressure, a clear signature of the Second Law. What is extraordinary is that no one has insisted on this before Pinheiro —something that can only be explained by the conventional roles adscribed to the different branches of physics. Besides, it is clear that springs, whirls and spirals are the most suitable and efficient forms of damping.

It is perhaps appropriate to remember that the so-called “principle of maximum entropy” does not tend towards maximum disorder, as is often thought even among the physicists, but rather the opposite, and this is how Clausius originally understood it. This establishes a very broad but essential link with highly organized systems, at the top of which we usually place living beings. On the other hand, it is enough to contemplate the spiral of the Solar System for a moment to understand that it only makes sense as an open, irreversible process in permanent production.

The concept of order that Boltzmann introduced is no less subjective than that of harmony, the main difference being that in statistical mechanics the micro-states, not the macro-states, have received a convenient quantification. Of course, this is another great rationalization: the irreversibility of phenomena or macrostates would be derived from the reversibility of microstates. But the mere postulation of stationary orbits in atoms —to pretend that there can be variable forces in isolated systems- is illegal both from the thermodynamic point of view and from the mere common sense.

Richard Merrick: Harmonic formation helps explain why phi pervades the solar system

The variational principle proposed by Pinheiro was first suggested by Landau and Lifshitz but has not been developed to date. This is inevitably reminiscent of the idea of damping wells in the Landau-Zener theory, which arise from adiabatic torque transfer when waves cross without destructive interference. Richard Merrick has directly related these wells or vortices to the golden spirals under conditions of resonance [17]. Many will say that one can not see how these conditions can be met in the Solar System, but, once again, the resonances of the classical theory of perturbations in Laplace’s celestial mechanics are in no better situation, being nothing else than pure mathematical relations. If anything, it could be said that they are in a worse situation, since we are asked to believe that gravity can have a repulsive effect.

Although Pinheiro’s thermomechanics involves something similar to this form of transfer, which evokes the parallel transport of the geometric phase, it also incorporates, and this is the key difference, a term for the thermodynamic free energy. A reversible system is a closed system, and there are no closed systems in the universe.

Merrick’s own theory of harmonic interference would be elevated to a much higher level of generality simply by appreciating that the principle of maximum entropy production is not contrary to the generation of harmony but rather conducive to it.

The principle of maximum entropy can be transferred to quantum mechanics with hardly any more sacrifice than the idea of reversibility, as shown by the quantum thermodynamics developed by Beretta, Hatsopoulos and Gyftopoulos; the subject is of extraordinary importance but now it would take us too far [18].

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Physicists are proud of the high degree of accuracy of some of their theories, which is quite understandable given the work invested carrying out their calculations, sometimes to ten and twelve decimal places. Few things would be more eloquent than such precision if it came naturally, without special assumptions or arbitrary ad hoc adjustments, but that is the case most of the time. Still the value of gravity on Earth cannot be measured to more than three decimal places, but astrophysicists pretend to calculate to ten or twelve places to the confines of the universe.

In the case of Lagrange and Laplace this is absolutely evident, and one day we will wonder how we were able to accept their methods without even blinking an eye. The truth is that these procedures were not digested overnight, but if they were finally accepted it was from the invincible desire to expand the power of calculus at any rate, reinforced by the idea, inherited from Newton and Leibniz, that Nature is a clockwork machine of virtually infinite precision. And for the means, what better than to serve the Ideal.

It has rightly been said that had Kepler had more precise data, he would not have advanced his theory of elliptical motion; and in fact, Cassini ovals, fourth-degree curves with a constant distance product, seem to reproduce the observable trajectories more closely, something one should attribute to the perturbations involved. These ovals also raise interesting and profound questions about the dynamical connection between ellipses and hyperbolas. Interestingly, Cassini ovals are used to model the geometry of the spontaneous negative curvature of red blood cells, in which the golden ratio has also been found [19].

As Mathis points out, the very first analyses of perturbations included, already since Newton and Clairaut, a factor 1/ r4 with a repulsive force, which shows again to what extent the “auxiliary” elements of celestial mechanics are hiding something much more important [20].

To the eye of the naturalist, accustomed to the very variable precision of the descriptive sciences, the golden spiral of the Solar System would have to appear as the most splendid example of natural order; an order so magnificent that, unlike Laplace’s, it can include catastrophes in its bosom without hardly blurring. This is a characteristic that we invariably attribute to living beings. Whether judged as a natural phenomenon or as an organism, taking everything into account, the spiral shows a precision, more than sufficient, excellent.

And what is the place of the Taijitu, our symbol of the Pole generating the yin and yang, in all this? Well, it goes without saying that the system we are talking about, along with its subsystems — planets and satellites —is an eminently polar process, with axes defining its evolution; and so it is the spiral holonomy that envelops them. As for the yin and yang, if we were to say that they can also be the kinetic and potential energy, we would be told that we are proposing too trivial a correspondence. But all the above should serve to see that this is not the case.

We know that in the orbits kinetic and potential energy do not even compensate, and when they should, as in the case of circular motion in Binet’s equation, we do not even obtain a single force —at least a difference between the center of the circle and the center of the force is required. Looking for the simplest possible argument, the first thing that comes to mind is that the emergence of the golden section in the Taijitu, the freely rotating spherical vortex, contains a sort of analogical and a priori synthesis of 1) a law of areas applied to the two energies, 2) the focal geometry of the ellipses, and 3) a difference that is integrable and a shift in the plane of polarization that it is not. This third point overlaps the Lagrangian and a geometrical phase that in principle seem quite different.

Of course, we leave large loose ends here that such a simple diagram cannot translate. To begin with, just because an ellipse has two foci within does not mean that we have to look inside always for the origin of the forces that determine it, and this would lead us to the theory of perturbations. However, any environmental influence, also outer planets, should already be included in the geometric phase.

If we were to pass from celestial dynamics to light, we could reinterpret in terms of retarded potentials and their incidence on phase the data of ellipsometry or the “abstract monopole with a force of —1/2 at the center of the Poincaré sphere” to which Berry appeals in his generalization of the geometric phase. However, it should not be forgotten that light was already an essentially statistical process even from the times of Stokes and Verdet. The degree of polarization and entropy of a beam of light were always equivalent concepts, although we are still far from drawing all the consequences from this.

We assume the coincidence of the retarded potential and the geometrical phase, although there is not even a specific literature on the subject, nor is there agreement, otherwise, on the significance and status of the geometrical phase itself. There have been those who have seen it as an effect of the exchange of angular momentum, and in any case in classical mechanics the geometrical phase is shown by Hamilton-Jacobi’s formulation of angle-action variables [21].

If harmony is totality, the so-called geometrical phase should have its part in the mathematics of harmony, since it is nothing but the expression of “global change without local change”. We already noticed that the geometrical phase is inherent in fields involving conic sections, so its inclusion here is just elementary. However, the fact that it does not involve the known forces of interaction does not mean that we are dealing with mere “fictitious forces”; they are real forces that transport angular momentum and are essential in the effective configuration of the system.

Since this energy transport is an interference phenomenon, the potential energy of the Lagrangian must comprise the sum of all the interference from the adjacent systems, this being the missing “regulatory mechanism”. It may be argued that in the course of the planets we do not observe the manifestation of interference that characterizes wave processes, even though we do not hesitate to resort to “resonances” to explain perturbations. Let us look at this a little more closely.

If until now we have chosen to see the geometrical phase, in classical mechanics the difference in the solid angle or Hannay angle, as a relational property, the most appropriate way of understanding it would have to be within a purely relational mechanics such as Weber’s one. However, as Poincaré remarked, if we have to multiply the velocity squared, we no longer have a way of distinguishing between kinetic and potential energy, and even the latter is no longer independent of the internal energy of the bodies considered. Hence the postulation of an internal vibration by Noskov. However, this inherent ambiguity does not prevent us from making calculations as precise as with Maxwell’s equations, in addition to some other obvious advantages.

Remember the comparison of the stone that passes through the Earth and the dust particle on that tiny asteroid, which return to the same point in the same time. In a hypothetical medium of homogeneous density, this would suggest an overall dampening and synchronizing effect at different spatial scales. But, without the need for any hypothesis, what the geometrical phase implies is the effective coupling of systems that evolve at different time scales, for example, electrons and nuclei, or gravitational and atomic forces, or, within gravitational forces, the interactions between the different planets. This makes it particularly robust to noise or disturbances.

The ambiguity of relational mechanics need not be a weakness, but could be revealing some limitations inherent in mechanics and its calculus. Just when we want to take to its logical extreme the ideal of converting physics into a pure kinematics, a science of forces and motions, of mere extension, its inevitable dependence on potentials and “non-local” factors is revealed, although we would rather have to talk about definite global configurations.

What is essential in the apparently casual comparison between the Taijitu and the elliptical orbit is that the latter is also an integral expression of the totality: not only of the internal forces but also of the external forces that contribute to its form in real time. If the compensation mechanism serves as an effective regulation it cannot affect only the potentials but equally the forces.




La manzana y el dragón

Por lo que sé, Nikolay Noskov fue el primero en apreciar, en los años 90 del pasado siglo, que la dinámica de Weber era hasta el momento la única que permitía dar cuenta de la forma de las elipses, incluso si no pretendían dar una “explicación mecánica” de su creación. A ese respecto, Noskov insistió particularmente en asociar los potenciales retardados con vibraciones longitudinales de los cuerpos en movimiento para darle un contenido a la conservación, meramente formal en Weber, de la energía; también insistió en que su ocurrencia penetraba todo tipo de fenómenos naturales, desde la estabilidad de los átomos y sus núcleos, al movimiento elíptico orbital, el sonido, la luz, el electromagnetismo, el flujo del agua o las ráfagas de viento [9].

A pesar de los malentendidos sobre el tema, estas ondas longitudinales no son incompatibles con la física conocida, y Noskov recordaba que la misma ecuación de onda de Schrödinger es una mezcla de ecuaciones diferentes que describen ondas en un medio y ondas dentro del cuerpo en movimiento —y lo mismo ocurrió desde el comienzo con las “ondas electromagnéticas” de Maxwell, que incluso desde el punto de vista más clásico no pueden ser otra cosa que un promedio estadístico entre lo que ocurre en porciones de espacio y de materia.

Fue también Noskov quien advirtió que el comportamiento de las fuerzas y potenciales en la ley de Weber habían entrañado desde siempre un feedback, aunque no parece haber percibido que esto es extensible a todas las teorías gauge, y, finalmente, incluso a la propia mecánica celeste newtoniana, si bien en todos estos casos se presenta disfrazada. Los átomos serían definitivamente “tontos” sin esta capacidad de ajuste incorporada en la misma idea del campo.

*

Volvamos ahora a la razón continua. Miles Williams Mathis se pregunta cómo es que, habida cuenta de la igualdad Φ2 + Φ = 1, no se ha relacionado phi con las más elementales leyes de cuadrados inversos de la física; más aún, se pregunta cómo es que no ha sido asociada con la propia esfera, siendo tan evidente que la superficie de una esfera también disminuye al cuadrado [10].

Podría argumentarse que la serie de Fibonacci no cae al cuadrado, pero el factor Φ sí, como puede visualizarse fácilmente en los cuadrados sucesivos de la espiral áurea (1, 1/Φ, 1/Φ2 , 1/Φ3 …) o en su expresión como raíz cuadrada continua. Mathis no está confundiendo el cuadrado inverso con la raíz cuadrada, sino que está hablando de un factor de escala entre dos hipotéticos subcampos el uno dentro del otro.

  Miles Mathis: More on the Golden Ratio and Fibonacci Series

Puede que Mathis esté en lo cierto al insistir en que la presencia de phi debe tener también una causa física subyacente; el único problema es que la física moderna ignora y niega por completo una relación de escala entre carga y gravedad, en verdad luz y gravedad, como el que propone. Sin embargo el origen de su correlación se encuentra en el mismísimo problema de la elipse de Kepler, en el que quiere ver una acción conjunta de dos campos diferentes, el segundo basado no sólo en el cuadrado inverso de la distancia sino también en una ley inversa a la cuarta potencia (1/ r4) con un producto de la densidad por el volumen, en lugar de la fórmula habitual de masas.

Ahora bien, Mathis es quien primero que ha hablado expresamente de la conflación de la velocidad orbital y el movimiento innato en Newton, interpretando el lagrangiano como el velado producto de dos campos, de efectos atractivo y repulsivo, cuya proporción o intensidad relativa está en función de la escala y densidad [11].

La inclusión de la densidad tendría que ser fundamental en una física verdaderamente relacional que siguiera el espíritu de Arquímedes, lo que nos lleva de vuelta al tema de las ondas y las espirales. Las espirales son una ocurrencia común en astronomía, siendo las galaxias su manifestación más aparente; estas galaxias han sido descritas en términos de ondas de densidad.

También en el Sistema Solar y la distribución de sus planetas se ha querido ver una espiral logarítmica con Φ como clave. Como en el caso de la llamada “ley”, o más bien regla de Titus-Bode, la existencia de un orden no aleatorio parece bastante evidente, pero el ajuste fino de los valores dados resulta un tanto arbitrario.

No hay ni que decir que la elipse es la transformación del círculo cuando su centro se divide en dos focos; aunque desde el otro punto de vista bien puede decirse, y ello no carece de importancia, que el círculo es sólo el caso límite de la primera. Abundando en el problema de Kepler, aunque bajo otra luz, Nicolae Mazilu nos remite al teorema de Newton sobre las elipses giratorias en precesión. Newton ya había considerado cuidadosamente el caso de fuerzas decreciendo al cubo de la distancia, y en este caso hipotético los cuerpos describen órbitas en forma de espiral logarítmica, que por supuesto nadie ha observado.

Ahora bien, los trabajos de E. B. Wilson de 1919 y 1924 mostraban que las órbitas estables de los electrones en el átomo no eran elipses sino espirales logarítmicas; sólo que la fuerza implicada no es la fuerza de Coulomb, sino una fuerza de transición entre dos órbitas elípticas diferentes. La solución posterior del problema ha cubierto de olvido un modelo que también era consistente. Y como para todas las aplicaciones de las secciones cónicas a la física, también aquí se encuentra esa signatura de cambio en el potencial, el desplazamiento en la polarización o plano de fase conocido como fase geométrica, descubierta por Pancharatnam y generalizada con tanto éxito a la mecánica cuántica por Berry [12] .

Jan Boeyens: Commensurability in the Solar System

Diversos estudios han mostrado que la distribución de los planetas del Sistema Solar sigue la pauta de una espiral logarítmica áurea con una precisión de más del 97 por ciento, que puede aumentar si se tienen en cuenta los años siderales y periodos sinódicos del sistema en su conjunto [13]. Para Hartmut Müller, la proximidad se debería simplemente a la cercanía de phi al valor de √e, que es 1,648. Según otros recuentos que no he verificado, el promedio de la distancia entre planetas consecutivos desde el Sol a Plutón, tomando la distancia entre los dos anteriores como unidad, es justamente 1,618. Si se descarta este último planeta la media se desvía ampliamente, lo que da una idea de la fragilidad de estas calibraciones.

Se ha dicho a menudo que la armonía perceptible en el Sistema Solar no es posible sin algún mecanismo de feedback, mientras que el acercamiento newtoniano combina sin más una fuerza a distancia con trayectorias como las balas de cañón, dependientes de fuerzas externas o colisiones. Sin embargo ya hemos visto que incluso en el caso newtoniano se esconde una autointeracción al fundir en uno solo el movimiento innato y la velocidad orbital.

La mecánica celeste da paso a una versión más abstracta, la mecánica lagrangiana, para evitar este embrollo; la diferencia entre la energía cinética y la potencial se remiten a las llamadas “condiciones iniciales”, pero estas no son otra cosa que el movimiento innato de Newton… el caso es que esta diferencia promedio del lagrangiano y la excentricidad promedio de las órbitas es del mismo orden de magnitud que las desviaciones de la distribución del sistema solar obtenidas por la espiral logarítmica áurea. Así pues, se puede tomar la densidad lagrangiana del sistema entero y sus promedios y ver cómo van encajando en ella los planetas con sus órbitas.

Parece ser que las publicaciones científicas han dejado de admitir estudios sobre la distribución planetaria, puesto que, al no tener una física subyacente, quedan relegados al limbo de la especulación numerológica. Sin embargo el lagrangiano usado rutinariamente en mecánica celeste tampoco es nada más que una pura analogía matemática, y existe sólo para difuminar diferencias del mismo orden de magnitud. Basta con admitir esto para darse cuenta de que en realidad no nos movemos en terrenos diferentes.

Admitirlo es admitir también que la gravedad es de suyo una fuerza de ajuste que depende del entorno y no una constante universal, pero esto es algo que ya está implícito en la mecánica relacional de Weber.

La teoría de Mathis, es más específica en el sentido de que contempla G como una transformación entre dos radios. No se ha ocupado de encajar sus propias nociones de la física subyacente a la Sección Áurea en la espiral del Sistema Solar, pero si ha tratado en detalle la Ley de Bode de forma mucho más simple basándose en una serie basada en √2, además de incluir naturalmente en ella la equivalencia óptica, el desatendido hecho de que muchos planetas vienen a tener el mismo tamaño desde el Sol, del mismo modo que muchos satélites tienen el mismo tamaño que el Sol vistos desde sus respectivos planetas. No se trata por tanto de una mera coincidencia puntual [13]. La equivalencia óptica sería el guiño final que nos dedica la Naturaleza para ver quién es más ciega, si ella o nosotros.

Y ya que parece una típica travesura de la Naturaleza, aquí vamos a permitirnos una pequeña diversión numerológica. La equivalencia óptica que se pone de manifiesto en los eclipses totales es una relación angular y proyectiva (con un valor aproximado de 1/720 de la esfera celeste) en concordancia con el número 108, tan importante en diferentes tradiciones, y que implica el número de diámetros solares que hay entre el Sol y la Tierra, el número de diámetros terrestres en el diámetro del Sol y el número de diámetros lunares que separa a la Luna de la Tierra.

En el pentagrama que sirve para construir una espiral áurea —y con el que también puede determinarse unívocamente una elipse en geometría esférica- vemos que los ángulos recíprocos del pentágono y la estrella son 108 y 72 grados. Por otra parte, el mismo Mathis comenta, sin relacionarlo para nada con la equivalencia óptica, que en los aceleradores la masa relativista de un protón suele encontrar un límite de 108 unidades que ni la Relatividad ni la mecánica cuántica explican, y hace una derivación del famoso factor gamma que lo vincula directamente con G.

Por supuesto, el factor relativista de Lorentz coincide con la mecánica de Weber hasta un cierto límite de energía —aunque en la segunda lo que aumenta es la propia energía interna y no la masa. No podría haber conexión más natural con la equivalencia óptica que la de la propia luz, y la teoría de Mathis establece una serie de ecuaciones e identidades entre la luz y la carga, la carga y la masa, y la masa con la gravedad.

Por el otro lado, si tiráramos una piedra en un pozo que perforara la Tierra de lado a lado, y esperáramos a que volviera igual que un muelle o un péndulo, tardaría unos 84 minutos, lo mismo que un objeto en una órbita cerrada. Si hiciéramos lo mismo con una partícula de polvo en un asteroide del tamaño de una manzana, pero de la misma densidad que nuestro planeta, el resultado sería exactamente el mismo. Este hecho, que parece asignar un papel importante a la densidad sobre la propia masa y la distancia, traspasa la apariencia del fenómeno gravitatorio, y debería resultarnos tan pasmoso como la comprobación de Galileo de que los objetos caen a la misma velocidad independientemente de su peso; también encaja muy bien en el contexto de una espiral igual a todas las escalas.

En cualquier caso el lagrangiano, la diferencia entre energía cinética y potencial, tiene que desempeñar un papel fundamental como referencia para el ajuste fino de los distintos elementos del Sistema Solar. En mecánica celeste, a pesar de lo que se diga, la integral siempre ha conducido al diferencial, y no al contrario. Como ya dijimos la ley descubierta por Newton no produce la elipse sino que aspira a encajar en ella.

Así pues tenemos la manzana de Newton y el Áureo Dragón de la Espiral del Sistema Solar. ¿Se tragará el Dragón a la Manzana? La respuesta es que no necesita tragársela, puesto que desde el principio ha estado dentro de él. Repitámoslo de nuevo: los campos gauge, caracterizados por la invariancia del lagrangiano bajo transformaciones, equivalen a un feedback no trivial entre la fuerza y el potencial, que a su vez se confunde con el eterno “problema de la información”, a saber, cómo sabe la Luna dónde está el Sol y cómo “conoce” su masa para comportarse como se comporta. ¿Por qué se pregunta por el problema de la información al nivel de las partículas y se ignora donde puede verse a simple vista para empezar?

Considerando los ajustes del lagrangiano con respecto a un sistema descrito exclusivamente por fuerzas no variables, el entero Sistema Solar parece una enorme holonomía espiral.

El lagrangiano también puede esconder tasas virtuales de disipación —virtuales, claro, pues que las órbitas se conservan es algo que ya sabemos. De hecho lo que Lagrange hizo fue diluir el principio de trabajo virtual de D’Alembert introduciendo coordenadas generalizadas. Pero estamos tan acostumbrados a separar los formalismos de la termodinámica de los de los sistemas reversibles, supuestamente más fundamentales, que cuesta ver lo que esto significa. Sin embargo, el instinto más cierto nos dice que todo lo reversible no es sino pura ilusión, y los comportamientos reversibles, meras islas rodeadas por un océano sin formas. No hay movimiento sin irreversibilidad; pretender lo contrario es una quimera.

Mario J. Pinheiro ha querido reparar ese divorcio entre convicciones y formalismos proponiendo una reformulación de la mecánica alternativa a la mecánica lagrangiana, con un principio variacional para sistemas rotatorios fuera de equilibrio y un tiempo mecánico-termodinámico en un conjunto de dos ecuaciones diferenciales de primer orden. Aquí el equilibrio se da entre la variación mínima de energía y la producción máxima de entropía.

Esta termomecánica permite describir consistentemente sistemas con unas características bien diferentes de las de los sistemas reversibles, particularmente relevantes para el caso que nos ocupa: los subsistemas dentro de un sistema más grande pueden amortiguar las fuerzas que se ejercen sobre ello, y en lugar de estar esclavizados queda espacio para la interacción y la autorregulación. Puede haber un componente de torsión topológica y conversión de movimiento lineal o angular en movimiento angular. El momento angular sirve de amortiguador para disipar las perturbaciones, “un mecanismo de compensación bien conocido en biomecánica y robótica” [15] .

Hasta donde sé, la propuesta de Pinheiro de una mecánica irreversible es la única que da una explicación apropiada del famoso experimento de Newton del cubo de agua y el torbellino formado por su rotación, por el transporte de momento angular, frente a la interpretación absoluta de Newton o la puramente relacional de Leibniz, ninguna de las cuales hace verdaderamente al caso. Baste para ello recordar la observación elemental de que en este experimento la aparición del vórtice requiere tanto tiempo como fricción, y la materia es transferida a las regiones de mayor presión, signo claro de la Segunda Ley. Lo extraordinario es que no se haya insistido en esto antes de Pinheiro —algo que sólo puede explicarse por los papeles convenidos de antemano para las distintas ramas de la física. Por lo demás salta a la vista que muelles, torbellinos y espirales son las formas idóneas y más eficientes para la amortiguación.

Tal vez sea oportuno recordar que el llamado “principio de máxima entropía” no tiende hacia el máximo desorden, como muy a menudo se piensa incluso dentro del mundo de la física, sino más bien hacia lo contrario, y así es como lo entendió originalmente Clausius [16]. Esto establece un vínculo muy amplio pero esencial con el mundo de los sistemas más altamente organizados, a cuya cabeza solemos poner a los seres vivos. Por lo demás, basta con detenerse a contemplarlo un momento para comprender que una espiral como la del Sistema Solar sólo tiene sentido como proceso irreversible y en producción permanente.

El concepto de orden que introdujo Boltzmann no es menos subjetivo que el de armonía, siendo la principal diferencia que en la mecánica estadística los microestados, que no los macroestados, han recibido una más o menos adecuada cuantificación. Claro que no deja de ser otra grandiosa racionalización: la irreversibilidad de los fenómenos o macroprocesos se derivaría de la reversibilidad de los microprocesos. Pero la mera postulación de órbitas estacionarias en los átomos —pretender que pueda haber fuerzas variables en sistemas aislados- es ilegal tanto desde el punto de vista termodinámico como desde el mero sentido común.

El principio variacional propuesto por Pinheiro fue sugerido por primera vez por Landau y Lifshitz pero no ha tenido desarrollo hasta el día de hoy. Esto recuerda inevitablemente la idea de los pozos de amortiguación de la teoría de Landau y Zener, que surgen de la transferencia adiabática de par de torsión al cruzarse ondas sin interferencia destructiva. Richard Merrick ha relacionado directamente estos pozos o vórtices con las espirales áureas en condiciones de resonancia [17]. Muchos dirán que no se ve cómo pueden satisfacerse esas condiciones en el Sistema Solar, pero, una vez más, las resonancias de la teoría clásica de perturbaciones en la mecánica celeste de Laplace no se encuentran en mejor situación, no siendo otra cosa que puras relaciones matemáticas. Podría en todo caso decirse que están en peor situación, puesto que se nos pide que creamos que la gravedad puede tener un efecto repulsivo.

Richard Merrick: Harmonic formation helps explain why phi pervades the solar system

Aunque la termomecánica de Pinheiro conlleva algo similar a esta forma de transferencia, que evoca el transporte paralelo de la fase geométrica, incorpora además un término para la energía libre termodinámica, y esta es la diferencia capital. Un sistema reversible es un sistema cerrado, y no hay sistemas cerrados en el universo.

La propia teoría de la interferencia armónica de Merrick se vería elevada a un nivel mucho más alto de generalidad con sólo apreciar que el principio de máxima producción de entropía no es contrario a la generación de armonía sino más bien conducente a ella.

El principio de máxima producción de entropía se puede trasladar a la mecánica cuántica sin apenas más sacrificio que el la idea de la reversibilidad, como ha mostrado la termodinámica cuántica de Gian Paolo Beretta, Hatsopoulos y Gyftopoulos; el tema es de extraordinaria importancia pero ahora nos llevaría demasiado lejos [18].

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Los físicos se precian mucho del alto grado de precisión de algunas de sus teorías, lo que es harto comprensible habida cuenta de los trabajos que se toman en llevar adelante sus cálculos, en algunas ocasiones hasta diez y doce cifras decimales. Pocas cosas serían más elocuentes que tal precisión si llegara de forma natural, sin asunciones especiales ni arbitrarios ajustes ad hoc, pero en realidad ese suele ser el caso la mayoría de las veces. Aún no se puede medir el valor de la gravedad en la Tierra con más de tres cifras decimales, pero se pretenden hacer cálculos con diez o doce cifras hasta los confines del universo.

En el caso de Lagrange y Laplace esto es absolutamente evidente, y algún día nos preguntaremos cómo hemos podido aceptar sus métodos sin ni siquiera pestañear. Lo cierto es que esos procedimientos no se digirieron de la noche a la mañana, pero si finalmente se dieron por buenos fue precisamente por el deseo mismo de expandir más y más el dominio del cálculo, todo ello dentro de la idea, heredada de Newton y Leibniz, de que la Naturaleza no era sino una maquinaria de relojería de una precisión virtualmente infinita. Y para los medios qué mejor que servir al Ideal.

Con razón se ha dicho que si Kepler hubiera tenido datos más precisos, no hubiera avanzado su teoría del movimiento elíptico; y en verdad, los óvalos de Cassini, curvas de cuarto grado con un producto de las distancias constante, parecen reproducir las trayectorias observables con mejor aproximación, lo que habría que atribuir a las perturbaciones. Estos óvalos plantean además interesantes y profundas cuestiones sobre la conexión dinámica entre elipses e hipérbolas. Curiosamente, los óvalos de Cassini se utilizan para modelar la geometría de la curvatura negativa espontánea de los glóbulos rojos, en los que también se ha encontrado la proporción áurea [19].

Como nota Mathis, los primeros análisis de perturbaciones incluían, ya desde Newton y Clairaut, un factor 1/ r4 con una fuerza repulsiva, lo que muestra hasta qué punto los elementos “auxiliares” de la mecánica celeste están escondiendo algo mucho más importante [20].

Para la mirada del naturalista, acostumbrado a la muy variable precisión de las ciencias descriptivas, la espiral del Sistema Solar tendría que aparecer como el más espléndido ejemplo de ordenamiento natural; un orden tan magnífico que, a diferencia del de Laplace, puede incluir en su seno catástrofes sin apenas desdibujarse. Esta es una característica que atribuimos invariablemente a los seres vivos. Ya se juzgue como fenómeno natural o como organismo, teniendo todo en cuenta, la espiral muestra una precisión, más que suficiente, excelente.

¿Y cuál es el lugar del Taijitu, nuestro símbolo del Polo generador del Yin y el Yang, en todo esto? Bueno, ni que decir tiene que el sistema del que estamos hablando, junto con sus subsistemas —planetas y satélites- es un proceso eminentemente polar, con unos ejes que definen su evolución; y que también lo es la holonomía espiral que los envuelve. Y en cuanto al Yin y el Yang, si dijéramos que también pueden ser la energía cinética y la potencial, se nos diría que estamos proponiendo una correspondencia demasiado trivial. Pero lo ya apuntado debería servir para ver que no es el caso.

Sabemos que en las órbitas la energía cinética y la potencial ni siquiera se compensan, y cuando debieran hacerlo, como en el caso del movimiento circular en la ecuación de Binet, ni siquiera obtenemos una fuerza única —se requiere al menos una diferencia entre el centro del círculo y el de la fuerza. Buscando el argumento más simple posible, lo primero que viene a la mente es que la emergencia de la sección áurea en el Taijitu, el vórtice esférico en libre rotación, encierra una suerte de síntesis, analógica y a priori, de 1) una ley de áreas aplicada a las dos energías, 2) la geometría focal de las elipses, y 3) una diferencia integrable y un giro o cambio en el plano de polarización que no lo es. Este tercer punto solapa el lagrangiano y una fase geométrica que en principio parecen cosas bien diferentes.

Por supuesto, aquí dejamos grandes cabos sueltos que un diagrama tan simple no puede traducir. Para empezar, que una elipse tenga en su interior dos focos no significa que haya que buscar el origen de las fuerzas que la determinan en su interior, y esto nos llevaría a la teoría de perturbaciones. Pero cualquier influencia ambiental, incluida la de otros planetas, debería estar ya incluida en la fase geométrica.

Si pasáramos por un momento de la dinámica orbital a la luz, podríamos reinterpretar en clave de los potenciales retardados y su incidencia en la fase los datos de la elipsometría o el “monopolo abstracto con una fuerza de —1/2 en el centro de la esfera de Poincaré” al que apela Berry en su generalización de la fase geométrica. Ahora bien, conviene no olvidar que la luz era ya un problema esencialmente estadístico incluso desde los tiempos de Stokes y de Verdet. Grado de polarización y entropía de un haz de luz fueron siempre conceptos equivalentes, aunque aún estemos lejos de extraer todas las consecuencias de ello.

Damos por supuesta la coincidencia del potencial retardado y la fase geométrica, aunque ni siquiera existe una literatura específica sobre el tema, como tampoco hay acuerdo, por lo demás, en torno a la significación y estatus de la propia fase geométrica. No han faltado quienes la han visto como un efecto del intercambio de momento angular, y, en cualquier caso, en mecánica clásica la fase geométrica se pone de manifiesto con la formulación de Hamilton-Jacobi de variables de ángulo y acción [21].

Si armonía es totalidad, la llamada fase geométrica tendría que tener su parte en la matemática de la armonía, puesto que aquella no es sino la expresión de un “cambio global sin cambio local”. Ya notamos que la fase geométrica es inherente a campos que involucran secciones cónicas, así que su inclusión aquí es completamente elemental. Ahora bien, el que no implique a las fuerzas de interacción reconocidas no significa que se trate de meras “fuerzas ficticias”; se trata de fuerzas reales que transportan momento angular y resultan esenciales en la configuración efectiva del sistema.

Puesto que este transporte de energía es un fenómeno de interferencia, la energía potencial del lagrangiano ha de comprender la suma de todas las interferencias de los sistemas adyacentes, siendo este el “mecanismo de regulación”. Puede aducirse que en el curso de los planetas no observamos la manifestación de interferencias que caracteriza a los procesos ondulatorios, a pesar de que no se dude en recurrir a “resonancias” para explicar perturbaciones. Veamos esto un poco más de cerca.

Si hasta ahora se ha querido ver la fase geométrica, en mecánica clásica la diferencia en el ángulo sólido o ángulo de Hannay, como una propiedad relacional, la forma más adecuada de entenderla tendría que ser dentro de una mecánica puramente relacional como la ya mencionada de Weber. Ahora bien, como ya notó Poincaré, si tenemos que multiplicar la velocidad al cuadrado ya no tenemos forma de distinguir entre la energía cinética y la potencial, e incluso éstas dejan de ser independientes de la energía interna de los cuerpos considerados. De aquí la postulación de una vibración interna por Noskov. Empero, esta ambigüedad inherente no impide hacer cálculos tan precisos como con las ecuaciones de Maxwell, además de tener otras obvias ventajas.

Recuérdese la comparación de la piedra que atraviesa la Tierra y la partícula de polvo en su diminuto asteroide, que vuelven al mismo punto en el mismo tiempo. En un medio hipotético de densidad homogénea, esto sugeriría un efecto de amortiguación y sincronización conjuntos y a distintas escalas espaciales. Pero, sin necesidad de hipótesis alguna, lo que la fase geométrica implica es el acoplamiento efectivo de sistemas que evolucionan a diferentes escalas temporales, por ejemplo, los electrones y los núcleos, o fuerzas gravitatorias y atómicas, o, dentro de la misma gravedad, las interacciones entre los distintos planetas. Esto la hace particularmente robusta al ruido o las perturbaciones.

La ambigüedad de la mecánica relacional no tiene por qué ser una debilidad, sino que podría estarnos revelando ciertas limitaciones inherentes a la mecánica y su cálculo. Justo cuando queremos llevar a su extremo lógico el ideal de convertir la física en una pura cinemática, una ciencia de fuerzas y movimientos, de mera extensión, es cuando se revela su inevitable dependencia de los potenciales y de factores considerados “no locales”, aunque más bien tendríamos que hablar de configuraciones globales definidas.

Lo esencial en la comparación, aparentemente casual, entre el Taijitu y la órbita elíptica es que ésta última también es una expresión íntegra de la totalidad: no sólo de las fuerzas internas sino también de fuerzas externas que contribuyen contemporáneamente a su forma. Si el mecanismo de compensación sirve de regulación efectiva no puede afectar sólo a los potenciales sino igualmente a las fuerzas.