Stellar structure and compact objects before 1940: Towards relativistic astrophysics

Since the mid-1920s, different strands of research used stars as "physics laboratories" for investigating the nature of matter under extreme densities and pressures, impossible to realize on Earth. To trace this process this paper is following the evolution of the concept of a dense core in stars, which was important both for an understanding of stellar evolution and as a testing ground for the fast-evolving field of nuclear physics. In spite of the divide between physicists and astrophysicists, some key actors working in the cross-fertilized soil of overlapping but different scientific cultures formulated models and tentative theories that gradually evolved into more realistic and structured astrophysical objects. These investigations culminated in the first contact with general relativity in 1939, when J. Robert Oppenheimer and his students George Volkoff and Hartland Snyder systematically applied the theory to the dense core of a collapsing neutron star. This pioneering application of Einstein's theory to an astrophysical compact object can be regarded as a milestone in the path eventually leading to the emergence of relativistic astrophysics in the early 1960s.Comment: 83 pages, 4 figures, submitted to the European Physical Journal

Software variability in service robotics

Robots artificially replicate human capabilities thanks to their software, the main embodiment of intelligence. However, engineering robotics software has become increasingly challenging. Developers need expertise from different disciplines as well as they are faced with heterogeneous hardware and uncertain operating environments. To this end, the software needs to be variable—to customize robots for different customers, hardware, and operating environments. However, variability adds substantial complexity and needs to be managed—yet, ad hoc practices prevail in the robotics domain, challenging effective software reuse, maintenance, and evolution. To improve the situation, we need to enhance our empirical understanding of variability in robotics. We present a multiple-case study on software variability in the vibrant and challenging domain of service robotics. We investigated drivers, practices, methods, and challenges of variability from industrial companies building service robots. We analyzed the state-of-the-practice and the state-of-the-art—the former via an experience report and eleven interviews with two service robotics companies; the latter via a systematic literature review. We triangulated from these sources, reporting observations with actionable recommendations for researchers, tool providers, and practitioners. We formulated hypotheses trying to explain our observations, and also compared the state-of-the-art from the literature with the-state-of-the-practice we observed in our cases. We learned that the level of abstraction in robotics software needs to be raised for simplifying variability management and software integration, while keeping a sufficient level of customization to boost efficiency and effectiveness in their robots’ operation. Planning and realizing variability for specific requirements and implementing robust abstractions permit robotic applications to operate robustly in dynamic environments, which are often only partially known and controllable. With this aim, our companies use a number of mechanisms, some of them based on formalisms used to specify robotic behavior, such as finite-state machines and behavior trees. To foster software reuse, the service robotics domain will greatly benefit from having software components—completely decoupled from hardware—with harmonized and standardized interfaces, and organized in an ecosystem shared among various companies

Experimental studies on cloud condensation nuclei activation and cloud microphysical properties

Atmospheric aerosol particles have the ability to affect climate through cloud interactions and direct scattering and absorption of radiation. These aerosol particles can also affect human health through respiratory system. Aerosol particles are emitted to the atmosphere through direct sources or they can be formed through chemical processes from gas phase precursors. The different atmospheric processes and climate feedbacks of aerosol particles can be studied using process-scale models as well as larger global-scale models. In recent years, it has been found out that certain aerosol species lack information on their thermodynamic properties, causing uncertainties in process-scale modelling as well as global-scale modelling. In addition, transport of aerosols to remote regions, where emissions of aerosol particles are low, is poorly modelled in global-scale models. Furthermore, sources for formed secondary organic aerosol (SOA) include uncertainties in global aerosol-climate models, which causes uncertainty to estimating the radiative forcing (RF). In this thesis, these aspects relating to uncertainties are addressed using process and global-scale modelling. This was done first by evaluating the capability of thermodynamic equilibrium model to reproduce observed hygroscopicity in terms of dimethylamine, sulfuric acid and ammonia containing particles. Second, an in-cloud wet deposition scheme was developed (hereafter referred to as the newly-developed scheme) for global models which use sectional aerosol description. The newlydeveloped wet deposition scheme was tested using ECHAM-HAMMOZ global aerosol-climate model with Sectional Aerosol model for Large-Scale Applications (SALSA) in terms of aerosol vertical distributions and lifetimes. Third, the biotic stress effects to trees over boreal region and their effects to SOA formation, clouds and radiative effects were studied using ECHAM-HAMMOZ with SALSA. The results showed that when the thermodynamic equilibrium model was used to model particles with sizes of the order of couple of tens of nanometers, it was inadequate in estimating the hygroscopic growth of dimethylamine (DMA), sulfuric acid (SA) and ammonia containing particles. Thus, more investigation is needed in terms of thermodynamics of DMA containing systems to properly evaluate its effects to climate. Global aerosol-climate models are very complex and thus making aerosol processes more physically sound can even impair the results. This was seen in the results of the newly-developed, more physical, in-cloud wet deposition scheme as it produced spurious vertical profiles and atmospheric black carbon lifetime when compared to the preexisting scheme. Especially, the atmospheric lifetime of black carbon, in the newly-developed scheme, was 1.6 times longer than in the pre-existing scheme and over 2.6 times longer than has been suggested by experimental studies. Thus, the sensitivity of the newly-developed scheme was tested in terms of internal mixing and emission size distribution of black carbon as well as ageing of aerosol species. These results showed that mixing black carbon with soluble substances produced best results in comparison with the observations as well as atmospheric lifetimes of aerosol species when compared to AEROCOM model means. Lastly, the results studying the biotic stress effects on climate showed that increasing the extent of stress in boreal trees enhanced SOA formation as the emissions of volatile organic compounds (VOCs) were increased. The enhanced SOA formation increased cloud droplet number concentration (CDNC) at cloud top and caused stronger negative RF in both all-sky and clear-sky cases. In the future, aerosol model development should investigate further on the thermodynamic properties of aerosol species, especially with respect to DMA. The wet removal and extent of internal mixing of different aerosol species, especially black carbon, should be further investigated and revised, in global climate models, to properly evaluate the transport of aerosol particles. In addition, sources of atmospheric SOA needs further investigation to properly describe its behaviour in the atmosphere as well as the effects on the climate

The Maxwell-Pauli Equations

We study the quantum mechanical many-body problem of $N \geq 1$ non-relativistic electrons with spin interacting with their self-generated classical electromagnetic field and $K \geq 0$ static nuclei. We model the dynamics of the electrons and their self-generated electromagnetic field using the so-called many-body Maxwell-Pauli equations. The main result of this thesis is to construct time global, finite-energy, weak solutions to the many-body Maxwell-Pauli equations under the assumption that the fine structure constant $\alpha$ and the nuclear charges are not too large. The assumptions on the size of $\alpha$ and the nuclear charges ensure that we have energetic stability for this system, i.e., the absolute ground state energy exists. The work in this thesis serves as an initial step towards understanding the connection between the energetic stability of matter in quantum mechanics and the well-posedness of the corresponding dynamical equations.Comment: 95 pages. PhD thesis, Georgia Institute of Technology, May 2020. Includes results from arXiv:1904.0674

Decision-making support for the alignment of business-process-driven organization with strategic plans.

Los planes de negocio son documentos en los que los equipos ejecutivos de las organizaciones (BETs, por sus siglas en inglés), especifican todos y cada uno de los aspectos de la organización. Dos componentes muy importantes de los planes de negocio son el plan de operaciones y el plan estratégico. El plan de operaciones recoge, tanto las actividades/tareas que se pueden realizar en la organización, para proporcionar los productos o servicios que se ofrecen, cómo la forma en que se han de llevar a cabo estas actividades/tareas; El plan estratégico especifica la dirección y los objetivos de la organización, elabora objetivos e identifica estrategias para alcanzar éstos objetivos. Las organizaciones siguen la dirección establecida sus planes estratégicos, pero debido a diversos factores, a menudo esto, mantener la dirección establecida es difícil. Uno de estos factores es la influencia de las personas, las cuales toman decisiones, en ocasiones basadas en su conocimiento local de la organización, sus experiencias previas y/o su intuición, en lugar de hacerlo mediante un análisis cuantitativo de cómo sus decisiones pueden afectar a la organización, y por tanto cómo de alineadas están con la dirección establecida. Esto hace que, en ocasiones, las decisiones no estén alineadas con la dirección marcada por la organización, y que además que ni se tenga constancia de este hecho. En esta tesis doctoral se proponen metodologías y mecanismos para ayudar a las personas, a tomar decisiones alineadas con la dirección establecida por la organización. La consultora GartnerTM considera que la capacidad de ayudar en el proceso de toma de decisión es crucial para los sistemas que respaldan las operaciones de la empresa (BPMSs, por sus siglas en inglés). Por esta razón, las metodologías y mecanismos propuestos en esta tesis, se integran dentro con los BPMSs, como sistemas de ayuda a la toma de decisiones (DSS, por sus siglas en inglés). De un análisis sistemático de la literatura existente, se derivaron varias propuestas para la mejora de DSSs, y se identificaron tres tipos de decisiones que se toman en procesos de negocio, las cuales no están ampliamente respaldadas por los DSSs actuales: (1) decisiones que direccionan la instancia de proceso de negocio (BPI, por sus siglas en inglés); (2) decisiones sobre el valor de las variables de entrada; y (3) decisiones sobre qué proceso de negocio (BP, por sus siglas in inglés) ejecutar. En esta tesis se proponen tres DSSs, cada uno de ellos, alineado con uno de los tipos de decisión antes mencionados. Los DSSs para el direccionamiento de BPIs constituyen uno de los campos de estudio más conocidos en el contexto de la toma de decisiones en BPs, sin embargo, las propuestas encontradas en la literatura, no permiten considerar el contexto en el que se está ejecutando la BPI, es decir, estas propuestas solo consideran la información relacionada con BPI en ejecución (es decir, sólo tienen en cuenta información local) y no consideran el estado global de la organización. El DSS, para direccionar BPIs presentado en esta tesis, propone un lenguaje que permite definir variables, la cuales representan el estado global de la organización, y además mecanismos para utilizar éstas variables en las decisiones de direccionamiento de la BPI. Gracias a esto, las decisiones se pueden tomar de manera global a la organización. Otro tipo de decisiones que se toman en BP está relacionado con elegir valores de entrada de los BP (por ejemplo, la cantidad a invertir o la cantidad de empleados que se asignan a una tarea). La elección de valores de entrada en BP puede influir directamente en que la empresa consiga los objetivos marcados, o no. Para determinar los valores más adecuados para las variables de entrada de los BP, se deben analizar tanto las instancias pasadas, como los modelos de procesos de negocio. En el DSS propuesto en esta tesis para decidir sobre los valores de entrada, la información extraída de instancias pasadas es utilizada utiliza para sugerir el rango de valores dentro del cual, el valor de la variable está alineado con los objetivos marcados por la organización. Dado que la información empleada para extraer el conocimiento de los BPI finalizados se almacena en bases de datos, también se propone una metodología para validar la alineación de los datos de estas instancias anteriores con el BP. Los DSS descritos anteriormente están relacionados con las decisiones tomadas sobre BPI, es decir BP que se están ya ejecutando; sin embargo, la elección de qué BP se debe ejecutar, también constituye una decisión en sí misma. Esta decisión también puede afectar el estado de la organización y, por lo tanto, puede afectar el logro de los objetivos especificados en los planes estratégicos de la organización. Estas decisiones se conocen como decisiones de gobernanza, y también deben estar alineadas con los planes estratégicos. Con el fin de conseguir este alineamiento, en esta tesis se propone una metodología para modelar, tanto los BP, como la medida en que la ejecución de éstos afecta a los indicadores de la organización. Éste modelad lo hacen personas (expertos en negocios), por lo que en esta tesis también se proponen mecanismos para su validación respecto de la actividad de la organización en el pasado. El DSS propuesto para decisiones de gobernanza, se basa en la capacidad de simular estos modelos, para predecir el estado final de la organización en caso de ejecutar uno varios procesos de negocio, en un momento determinado. Los DSSs y técnicas propuestas en esta tesis mejoran la capacidad de toma de decisiones en cuatro aspectos: 1. Ayudan a los usuarios a tomar decisiones alineadas con la dirección marcada por la organización, en función del estado general de la empresa y de lo que sucedió en el pasado. 2. Aseguran que las decisiones tomadas estén alineadas con los planes estratégicos, por lo que todas las personas involucradas en la organización toman decisiones de acuerdo con los objetivos definidos por la organización. 3. Aprovechan la información de ejecuciones pasadas de BP de la empresa, para mejorar la organización. 4. Aprovechan el conocimiento de las personas involucradas en la organización tienen del funcionamiento de la misma, al tiempo que permiten tomar decisión razonadas sobre por qué se toma realiza una acción u otra. Por otro lado, estas técnicas están orientadas a: ser utilizadas por expertos del negocio, es decir, personas sin formación técnica; contribuir a una mejor comprensión de cómo las acciones realizadas en la organización pueden afectar el logro de los objetivos definidos; y a permitir que información del estado de la organización pueda ser utilizada por terceras aplicaciones. Por último, destacar que las propuestas desarrolladas en el contexto de esta tesis y los ejemplos utilizados para ilustrarlas han sido extraídas de casos de empresas reales

Enjoying Science in a Singapore Neighbourhood Secondary School: An Oxymoron?

A sample of 238 Secondary 1 students at school-entry level and 274 Secondary 4 and 5 students at school-leaving level in Singapore responded to four questionnaires: Getting to Know You to assess attitudes to science and general views of school; WIHIC to assess perceptions of science classroom environment; and QTI to assess student-teacher relationships. Enjoying science in a Singapore neighbourhood Secondary school was not found to be an oxymoron