Dibujo20180214 trapped atom in EPSRC photo by David Nadlinger

Seguro que ya has visto esta foto de un único átomo de estroncio en una trampa de iones del Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford. Realizada por David Nadlinger, doctorando en dicha universidad, ha ganado la edición de 2018 del concurso británico de fotografía científica organizado por el EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council). Lo sorprendente es que se tomó el 7 de agosto de 2017 con una cámara Canon 5D Mark II, un objetivo EF 50 mm f/1.8 y un tiempo de exposición de 30 segundos. Casi parece imposible que el punto brillante en el centro de la foto sea un átomo atrapado entre dos electrodos metálicos separados 2,3 mm de distancia.

Nadlinger trabaja en un grupo de investigación sobre computación cuántica con iones atrapados. En este campo se usan iones de estroncio 88Sr+ que se enfrían por efecto Doppler usando un láser azul a 422 nm. Como respuesta el ión emite luz fluorescente a dicha longitud de onda gracias a la transición P1/2 → S1/2. Esta emisión se suele usar para asegurarse de que el ión está bien atrapado, lo que Nadlinger ha aprovechado para realizar su fotografía. Por cierto, para implementar un cúbit con este ión se usa el estado de superposición entre los niveles D5/2 ↔ S1/2 (|1> ↔ |0>), que se fuerza con un láser a 624 nm y tiene una vida de media de 0,35 segundos. En el grupo de Nadlinger también usan iones de 43Ca+, pero no permiten una fotografía tan espectacular (salvo que se use un sensor CCD adecuado).

Más abajo tienes la prometida (en el título) explicación de Héctor Socas-Navarro, @hsocasnavarro, del Instituto de Astrofísica de Canarias, director del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, @pcoffeebreak. Ha explicado la foto en un hilo de Twitter, pero como hay lectores de este blog que no son miembros de esta red social, creo interesante copiar aquí su explicación (ver más abajo).

La nota de prensa con el anuncio del ganador del premio es “Single trapped atom captures Science Photography Competition’s top prize,” EPSRC, 12 Feb 2018. Una explicación en inglés de la foto en “Single Trapped Atom Captures Science Photography Competition’s top prize,” NQIT, 12 Feb 2018. Sobre el uso de iones de estroncio atrapados como cúbits recomiendo Dana J. Berkeland, “Quantum Information with Trapped Strontium Ions,” Los Alamos Science 27: 178-183 (2002) [PDF]. Una pieza con la noticia en Scott D’Arcy, “Picture of single atom suspended in electric fields wins top science photography prize,” Independent, 12 Feb 2018.

Una explicación de las trampas de iones del director del grupo de investigación de Oxford en Andrew Steane, “Introduction to Ion Trap Quantum Computing,” ITQC. La página web del grupo y la de David Nadlinger.

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Dibujo20180213 atlas argonne tandem linac accelerator NEEC Science Springs

Un electrón en un átomo ocupa todo el volumen del átomo y por ello puede afectar a su núcleo. En 1976 se predijo que, por resonancia, la captura de un electrón podía excitar un nivel energético en un núcleo. Nature publica la primera observación de este fenómeno gracias al experimento ATLAS del Laboratorio Nacional Argonne (EEUU). Ha costado tanto tiempo porque la energía que liga los electrones a los núcleos ronda los kiloelectrónvoltios (keV) mientras la energía que liga los nucleones entre sí dentro de los núcleos ronda los megaelectrónvoltios (MeV). Sin embargo, hay estados nucleares muy cercanos entre sí, separados por pocos keV, que pueden ser excitados gracias a electrones capturados por iones altamente ionizados.

Se han usado iones de molibdeno-93 con carga entre +32 y +36 (recuerda que el Mo tiene 42 electrones). Su núcleo tiene dos estados energéticos separados por solo 4,85(9) keV, los estados con espín (21/2)+ y (17/2)+. La energía de captura de electrones por estos iones ronda 4,85 keV. Gracias a esta coincidencia se ha podido observar la excitación de un núcleo por captura de un electrón (NEEC, por sus siglas en inglés). Por técnicas nucleares se excitan los núcleos a un estado de espín (35/2) que se desintegra vía una cadena nuclear con emisión radiactiva gamma hasta el estado (21/2)+, cuya vida media es de 6,85 horas (tiempo suficiente para permitir la captura de un electrón). Lo normal es que este estado decaiga en el estado (13/2)+ emitiendo un fotón con energía de 263 keV. Gracias a la NEEC, el núcleo se excita al estado (17/2)+ cuya vida media es de 3,5 nanosegundos, que decae en el estado (13/2)+ emitiendo un fotón con energía de 268 keV. El pico en el espectro gamma a esta energía es la señal inequívoca de la observación.

La observación de la NEEC permite estimar su probabilidad (difícil de estimar por medios teóricos), lo que tiene consecuencias en astrofísica. Se recurre a este proceso para explicar la reducción en la abundancia de ciertos isótopos en entornos estelares cuya vida media es más larga de lo que indican las observaciones. En dichos entornos hay muchos electrones y gracias a la NEEC la vida media de estos isótopos se reduce mucho. Pero, por supuesto, lo más relevante para un físico teórico es la confirmación experimental de una predicción de hace 40 años.

El experimento es muy complejo en sus detalles, pero creo que no son relevantes aquí. Los interesados pueden consultar el artículo es C. J. Chiara, J. J. Carroll, …, S. A. Karamian, “Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture,” Nature 554: 216–218 (08 Feb 2018), doi: 10.1038/nature25483. Más información divulgativa en la nota de prensa de Savannah Mitchem, “Captured electrons excite nuclei to higher energy states,” ANL, 09 Feb 2018 [ScienceSprings, 12 Feb 2018].

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Dibujo20180212 Plume structures smooth and rough Taylor-Couette turbulence 41567 2017 26

La turbulencia es uno de los grandes retos del siglo XXI. En una tubería rugosa el flujo turbulento se caracteriza por el llamado factor de fricción de Darcy, que depende del número de Reynolds. En 1962 Robert Kraichnan predijo un régimen turbulento cuyo factor de fricción no depende del número de Reynolds en el problema de Rayleigh–Bénard, un fluido en un recipiente calentado por debajo. Se publica en Nature Physics la primera observación experimental de este fenómeno, aunque se usa el problema de Taylor–Couette, un fluido entre dos cilindros concéntricos que rotan a diferente velocidad. Para lograr que la turbulencia no dependa de la fricción se introducen pilares empotrados (riblets) en el interior de ambos cilindros; esto simula una rugosidad de pared con una escala mayor que los vórtices más pequeños.

El número adimensional de Reynolds (Re) es el cociente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en el fluido. En una tubería rugosa, a partir de cierto número de Reynolds crítico (~3500) aparece la turbulencia; en dicho régimen la resistencia al flujo sigue la ecuación de Darcy–Weisbach, siendo proporcional al cuadrado de la velocidad media del fluido. Esta fricción depende del valor de Re vía la ecuación de Colebrook (1939) para el factor de fricción de Darcy, Cf.

El problema de Rayleigh–Bénard se caracteriza por los números de Nusselt (Nu), cociente entre la transferencia de calor por convección y por conducción, y de Rayleigh (Ra), la versión adimensional de la diferencia de temperatura entre el fluido en el fondo y en la parte superior. Según la teoría de Kraichnan, para alto Ra, aparece un régimen turbulento descrito por una ley de escala Nu = Ra1/2, con Cf independiente del número de Reynolds.

El problema de Taylor–Couette se caracteriza por el número de Nusselt equivalente (Nuω) y por el número de Taylor (Ta), análogo al número de Reynolds para las fuerzas centrífugas. La teoría de Kraichnan predice que, para alto Ta, se tiene Nuω = Ta1/2, con Cf independiente de Re. Esta predicción ha sido confirmada tanto numérica como experimentalmente por el nuevo trabajo.

Se confirma un fenómeno que recibe el pomposo nombre de régimen último asintótico (asymptotic ultimate regime) de la turbulencia. El artículo es Xiaojue Zhu, Ruben A. Verschoof, …, Detlef Lohse, “Wall roughness induces asymptotic ultimate turbulence,” Nature Physics (12 Feb 2018), doi: 10.1038/s41567-017-0034-3, arXiv:1802.04356 [physics.flu-dyn];más información divulgativa en Alexander J. Smits, “Ultimate evidence for the ultimate regime,” Nature Physics (12 Feb 2018), doi: 10.1038/s41567-017-0034-3.

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Dibujo20180212 oganesson electronic structure is smooth Credit P Jerabek et al and APS Alan Stonebraker

El oganesón​ (Og), antes ununoctio (Z=118), es el elemento sintético más pesado, hasta ahora, de la tabla periódica. El estudio teórico de su estructura electrónica ha mostrado una inesperada sorpresa: no es un gas noble desde el punto de vista químico (como el resto de elementos del grupo 18). Sus electrones no se disponen en capas con nivel energético bien definido, sino que se distribuyen de forma casi continua, como en un gas de Thomas–Fermi. La razón es la fuerte interacción mutua entre sus electrones, que deben ser descritos mediante la ecuación de Dirac, pues se mueven a velocidades relativistas.

Sintetizado en 2002, el oganesón es radiactivo y su vida media es menor de un milisegundo. Por ello, la validación experimental de esta predicción teórica es muy complicada; por cierto, ha sido obtenida usando el llamado método de la localización de fermiones aplicado a la ecuación de Dirac. Este método, que se usa para predecir la estructura energética de los núcleos atómicos, se usa por primera vez para los estados electrónicos de un elemento superpesado. La razón del comportamiento tan raro de este elemento es su acoplamiento espín-órbita, más fuerte que para los gases nobles xenón (Xe) y radón (Rn). Sin lugar a dudas este descubrimiento estimulará el estudio de las propiedades físico-químicas de los elementos superpesados.

El artículo es Paul Jerabek, Bastian Schuetrumpf, …, Witold Nazarewicz, “Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit,” Phys. Rev. Lett. 120: 053001 (31 Jan 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.053001, arXiv:1707.08710 [nucl-th]; más información divulgativa en Angela K. Wilson, “Heaviest Element Has Unusual Shell Structure,” Physics 11: 10 (31 Jan 2018) [link], y en Ryan F. Mandelbaum, “Heaviest Element Should Completely Subvert the Rules of High School Chemistry,” Gizmodo, 07 Feb 2018.

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Dibujo20180208 coffee break ep149 ivooxHe participado en el episodio 149 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox, iTunes], titulado “Adiós Polchinski y Lynden-Bell; Falcon Heavy; Fine-Tuning del Universo; El Problema de las Galaxias Satélite,” 08 Feb 2018. “La tertulia semanal ha repasado las últimas noticias de la actualidad científica”.

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Dibujo20171201 teaser encuentros ciencia xv malaga corte ingles

¿Hoy 09 de febrero estás en Málaga? A las 19:30 puedes disfrutar de la charla “Tres tristes trolas sobre la historia: los hombres, la agricultura y la civilización” de Luis Quevedo, famoso comunicador científico (NTN24, La 2, Canal Historia, NPR, Cuonda, etc.) y director de documentales científicos (“En busca del futuro perdido”, “Los poderes extraordinarios del cuerpo humano”, etc.). Será en el Ámbito Cultural de El Corte Inglés-Málaga. ¿Te la vas a perder?

“En las últimas décadas, gracias a un cóctel de nuevos hallazgos arqueológicos, pioneras técnicas moleculares y una nada despreciable dosis de suerte, el pensamiento sobre nuestra historia -cómo nos hicimos humanos, por qué dejamos de ser nómadas y de dónde surgió el Estado y su desigualdad- está sufriendo un gran cambio. Mucho de lo que nos contaron sobre nuestros orígenes es falso y debido a un cierto chauvinismo cultural. La mejor ciencia hoy nos dice que fuimos la única e inevitable consecuencia de nuestra evolución y nos ayuda a poner el incierto futuro, climático, social y político, en perspectiva. Algunas de las ideas reflejadas en la charla se han difundido a través de mis documentales, otras son frescas para futuros proyectos”.

Los Encuentros con la Ciencia nacieron en 2004 y este año celebran la XV edición. Las charlas son en el Ámbito Cultural de El Corte Inglés de Málaga. Organizan Enrique Viguera, Ana Grande y José Lozano, los tres de la Universidad de Málaga, Julia Toval, de la Sociedad Malagueña de Astronomía, Mariola Argibay, del IES Cánovas del Castillo, Juan Carlos Aznar, del IES Vega de Mijas, y José J. Reina, Colegio El Pinar. Recuerda que el Ámbito Cultural de El Corte Inglés está en C/ Hilera.

Anuncio oficial del ciclo de conferencias en su web “XV ediciones de Encuentros con la Ciencia”, Encuentros con la Ciencia, 15 Nov 2017.

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Dibujo20180208 la traca 8 ivoox luciernagas

Ya está disponible el podcast #8 de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

La memoria del agua. La homeopatía es una pseudomedicina creada en 1796 por Samuel Hahnemann bajo la idea de que «lo similar cura lo similar» (similia similibus curentur). La homeopatía es una pseudomedicina cuyo éxito se basa en el efecto placebo; muchas remiten por sí solas, luego consumir agua o azúcar como pócima homeopática puede hacer creer al enfermo que se ha curado gracias a la homeopatía. Hay que recordar que a finales del siglo XVIII se acuñó el término “matasanos” para los médicos, que abusaban de la sangría y la purgación, tratamientos que a menudo empeoraban los síntomas y a veces resultaban letales. Hahnemann rechazó estas prácticas como irracionales y desaconsejables;​ en su lugar, defendía el uso de preparaciones homeopáticas, que actuaban como pociones mágicas preparadas por él, pero que básicamente eran agua y solo agua. El efecto placebo ligado a la recuperación normal de la enfermedad son el éxito de esta terapia.

El polémico artículo del que hablo es E. Davenas, F. Beauvais, …, J. Benveniste, “Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against IgE,” Nature 333: 816–818 (30 Jun 1988), doi: 10.1038/333816a0; el editorial de John Maddox, “When to believe the unbelievable,” Nature 333: 787 (30 Jun 1988), doi: 10.1038/333787a0; la crítica del trío en John Maddox, James Randi, Walter W. Stewart, “‘High-dilution’ experiments a delusion,” Nature 334: 287–290 (28 Jul 1988), doi: 10.1038/334287a0. Sobre la homeopatía recomiendo la web “¿Qué es la homeopatía?”.

El texto de más abajo está muy inspirado por Federico di Trocchio, “Las mentiras de la ciencia”, Historia de la ciencia, Alianza Editorial (1993), capítulo 4 [pp. 165-174].

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Dibujo20180128 swampland landscape web northeastern edu het string_data slides rudelius pdf

El modelo estándar que describe la física de partículas a baja energía en nuestro universo es una teoría efectiva (que no es válida a alta energía). Se llama swampland (pantanal) al conjunto de todas las teorías efectivas (que describen a baja energía cada universo posible); se llama landscape (paisaje) al conjunto de todas las teorías efectivas descritas con la teoría de cuerdas. En 1986 se pensaba que había un único vacío de la teoría de cuerdas que coincidía con el modelo estándar de la física de partículas; hoy sabemos que hay muchos (quizás infinitos). Más aún, quizás haya física más allá del modelo estándar, pues hay incontables vacíos que la predicen (quizás haya infinitos).

El objetivo actual de la fenomenología en teoría de cuerdas es estudiar las propiedades genéricas del landscape, que lo diferencian del swampland, para poder contrastarlas con experimentos y observaciones a baja energía. Como es obvio, la imaginación no es suficiente para explorar una tierra desconocida, hay que recorrerla con los ojos bien abiertos. Un camino es la exploración computacional del landscape; solo se puede explorar un número finito y pequeño de vacíos (teorías efectivas a baja energía). Las propiedades estadísticas de estos vacíos podrían ser genéricas, aunque también podrían ser accidentales (dependientes del método de exploración); quizás lo más relevante para la física de nuestro universo está en lugares excepcionales del landscape imposibles de alcanzar con un método computacional sistemático (cual cuevas ocultas llenas de diamantes en lugares inaccesibles). Pero si nadie se atreve a iniciar la exploración nunca sabremos qué nos depara el landscape.

Los algoritmos genéticos son un método rápido y efectivo para explorar el lanscape. Un primer estudio de ciento veinte mil vacíos se publicó en Steven Abel, John Rizos, “Genetic Algorithms and the Search for Viable String Vacua,” J. J. High Energ. Phys. 2014: 10 (2014), doi: 10.1007/JHEP08(2014)010, arXiv:1404.7359 [hep-th]. Un buen resumen de sus conclusiones genéricas en Keith R. Dienes, “Probing the string landscape: Implications, applications, and altercations,” International Journal of Modern Physics A 30: 1530017 (2015), doi: 10.1142/S0217751X15300173 [slides]. En mi opinión, lo más interesante son los vacíos sin supersimetría que son estables, en contra de los prejuicios de hace décadas, como en Steven Abel, Keith R. Dienes, Eirini Mavroudi, “Towards a nonsupersymmetric string phenomenology,” Phys. Rev. D 91: 126014 (2015), doi: 10.1103/PhysRevD.91.126014, y Steven Abel, Keith R. Dienes, Eirini Mavroudi, “GUT Precursors and Entwined SUSY: The Phenomenology of Stable Non-Supersymmetric Strings,” arXiv:1712.06894 [hep-ph].

Estas iniciativas computacionales se enmarcan en el SVP (String Vacuum Project, SVP). Más información sobre el proyecto en sus fases iniciales en “Strings at the LHC and in the Early Universe,” KITP Program, (2010), [program link], que incluía el workshop “SVP 2010 Spring Meeting,” [program link]. En este blog ya lo mencionamos en “La teoría de cuerdas vuelve a sus orígenes (cantemos todos QCD killed the stringy star)”, LCMF, 06 May 2010. Quizás conviene recordar sus conclusiones, aún muy preliminares.

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Dibujo20180201-green-laser-three-olive-oils-daurmith-photos

La calidad de un aceite de oliva virgen se puede estudiar mediante espectrofluorimetría gracias a que contiene compuestos fluorescentes y luminiscentes. Entre los fluorescentes tenemos tocoferoles, pigmentos (clorofilas, carotenos y feofitinas), fenoles y vitamina E. Una prueba popular para determinar la calidad de un aceite de oliva virgen extra consiste en atravesar una muestra con un láser verde (532 nm). El haz en el líquido se vuelve de color rojizo gracias a la fluorescencia de la clorofila (~680 nm); el color es más rojizo cuanto más clorofila contiene el aceite. ¿Qué fiabilidad tiene la prueba del láser verde para estimar la calidad de un aceite?

Esta cuestión nace de un tuit de Adela Torres, @Daurmith, que probó en su propia casa con tres aceites: Lágrima (aceite de oliva virgen extra), Altura (aceite de oliva de color verde oscuro, no calificado como virgen extra) y zumo de oliva (recién prensado en la almazara y con bonito color dorado) [PS] He cambiado las etiquetas a la foto por este tuit de Adela [/PS]. Como muestra esta foto, para el zumo de oliva el láser verde adquiere un color amarillento en lugar de rojizo (recuerda que el amarillo es combinación del color verde y del color rojo). Por tanto, parece que el zumo de oliva contiene menos clorofila que los otros dos aceites. ¿Cómo es posible? Como es de esperar el aceite de oliva virgen extra tiene un color rojizo más intenso que el aceite que no es virgen extra. ¿Qué está pasando?

En mi modesta opinión, no soy experto en estos lares, la diferencia en el color del haz láser está relacionada con el procesado y filtrado del aceite. Durante el procesado del aceite la clorofila se transforma en compuestos más estables, como la feofitina y la pirofeofitina, cuya fluorescencia es más amarilla, de ahí que resulte un aceite de color dorado en lugar de verdoso. El aceite de color más oscuro contiene más clorofila; el aceite de oliva que no es virgen extra y el zumo de oliva de almazara parecen estar filtrados. La diferencia en estos dos me parece que está relacionada con el sistema de filtrado, que conjeturo que podría ser de peor calidad en la almazara (o al menos parece reducir más la concentración de clorofila). [PS] He cambiado el texto por este tuit de Adela [/PS].

¿Qué tiene todo esto que ver con las propiedades organolépticas del aceite? Preferir un aceite filtrado o sin filtrar es una cuestión de gustos. Sin filtrar el color es más verdoso, más oscuro y más turbio; filtrado el color es más dorado, más limpio y más brillante. Además, el filtrado, al eliminar ciertas impurezas que podrían acelerar la oxidación del aceite, podría incrementar su durabilidad. Aunque, a veces se adereza el aceite con romero o albahaca para retrasar un poco su oxidación. En resumen, el láser verde es una prueba casera del contenido de clorofila del aceite de oliva, nada más, y nada menos. Para saber si un aceite es mejor o peor, hay que probarlo.

Más información sobre espectrofluorimetría y la oxidación del aceite de oliva virgen en Enrique Jacobo Díaz Montaña, “Desarrollo de un método verde para evaluar el tiempo de vida útil de aceites de oliva vírgenes,” Trabajo Fin de Grado dirigido por María Teresa Morales Millán y María Dolores Hernanz Vila, Departamento de Química Analítica, Universidad de Sevilla (07 Jul 2017) [PDF en idUS]. En este blog puedes leer “Truco para saber si un aceite de oliva es virgen extra con un puntero láser verde”, LCMF, 17 Sep 2012.

[PS 07 Feb 2018] En Twitter varios de vosotros habéis comentado que el color del aceite es independiente de su calidad y/o tipo. Por ejemplo, Alvaro Olavarria,‏ @alvaroogito, comenta que “en condiciones óptimas de calidad de fruto y extracción, obtendremos vírgenes extras independientemente del color del aceite, razón por lo cual las copas de cata son opacas. Aceites verdes clorofílicos pueden ser lampantes y aceites dorados extras premium”. [/PS]

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Dibujo20180205 eclipse image with 0p62 seconds exposure arxiv 1802.00343

El astrónomo aficionado Donald G. Bruns ha usado el eclipse total del 21 de agosto de 2017 para verificar la teoría general de la relatividad de Einstein. Mediante un telescopio refractor y una cámara CCD ha obtenido 45 imágenes en 22 segundos. Las 20 estrellas en el campo observado muestran una desviación normalizada L = 1,752 segundos de arco, a solo un 0,05% de la predicción teórica L = 1,751 segundos de arco. Por desgracia, el error sistemático estimado es del 3,4%, luego, en rigor, el valor obtenido es L = 1,75 ± 0,06 segundos de arco. Por fortuna, es la medida más precisa hasta hoy usando eclipses.

El verano pasado muchos me preguntaron si no había astrónomos profesionales emulando a Sir Arthur Eddington. Como afirmé entonces, hoy no tiene ningún interés científico, pues el experimento no es competitivo con los resultados usando satélites (Hipparcos logró una precisión del 0,2% y Gaia se espera que logre el 0,0001%). Como solo tiene interés histórico, ya que el eclipse de 1919 hizo famoso a Einstein, solo un inquieto astrónomo aficionado como Bruns se ha atrevido a aprovechar el eclipse total. Su premio es que otros aficionados seguirán sus pasos en los eclipses de 2024 y 2027, que permitirán reducir el error sistemático por debajo del 2%.

El artículo, si te interesan los detalles, es Donald G. Bruns, “Gravitational Starlight Deflection Measurements during the 21 August 2017 Total Solar Eclipse,” arXiv:1802.00343 [astro-ph.IM]. Quizás alguno recuerde haber leído sobre los preparativos en Donald G. Bruns, “My Do-It-Yourself Relativity Test,” Sky & Telescope, 09 Jun 2016.

Por cierto, recomiendo leer en este blog “El eclipse de 1919, la teoría de Einstein y el eclipse de 2017″, LCMF, 21 Ago 2017, donde menciono que un astrónomo profesional estimó que el error podría llegar a reducirse a menos del 2,3%; en concreto, Bradley E. Schaefer, “The Eddington Experiment during the 2017 Total Solar Eclipse Will Improve On Prior Work by Near Two Orders of Magnitude,” American Astronomical Society, AAS Meeting #230 (Jun 2017), SAO/NASA ADS.

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