Reseña: “La materia oscura” por Alberto Casas

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“Este libro [describe] los esfuerzos teóricos y experimentales para comprender la materia y la energía oscuras. Se ha avanzado mucho, pero seguimos sin comprender su naturaleza ni el porqué de su existencia. Estos misteriosos ingredientes del universo siguen desafiando el ingenio y la curiosidad humana.” Así empieza el último párrafo del libro de Alberto Casas González, “La materia oscura. El elemento más misterioso del universo,” Un paseo por el cosmos, RBA (2015) [159 pp.]. No te dejes engañar por el título, no se trata de un libro sobre la materia oscura (discutida en un tercio del libro), sino también sobre la energía oscura (otro tercio) y sobre la historia de la cosmología moderna (un último tercio).

El libro me ha gustado (me lo he leído casi de un tirón), está bastante bien y te lo recomiendo (ahora se puede comprar en quioscos). Sin embargo, lo considero una oportunidad perdida por el autor. En muchos momentos recuerda demasiado a su libro “El lado oscuro del universo,” CSIC/Catarata (2013) [125 pp.] (breve reseña en LCMF), que también te recomiendo. La línea argumental es muy parecida y, la verdad, no entiendo, ni quiero entender, el porqué el autor no ha realizado un esfuerzo mayor para marcar una diferencia nítida entre ambos textos. Hay muchísimos temas que echo en falta y que me parecen casi imprescindibles en un libro sobre materia oscura. Una pena. 

Sin embargo, el libro, como es habitual en Casas, muestra las grandes dotes de docente y divulgador del autor. Todos los conceptos se introducen con explicaciones muy detalladas y asequibles, casi, para todos los públicos. La verdad, empieza muy bien, pero va cayendo en “El lado oscuro del universo” conforme progresan los capítulos. Alberto, si lees esto, espero picarte para escribir un futuro libro sobre materia oscura que trate sobre materia oscura en exclusiva ;).

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El libro tiene una introducción, cinco capítulos y un listado de lecturas recomendadas (como viene siendo habitual en los libros de RBA Coleccionables). La introducción [pp.  7-11] parece apuntar a un libro sobre materia oscura, con una mención colateral a la energía oscura. Alberto se atreve a afirmar: “En el caso de la materia oscura [aún] carecemos de una detección directa que nos informe de sus características concretas. Así que puede decirse que estamos ‘a medio camino’ de su descubrimiento, y por ello en un momento excitante, tanto desde el punto de vista teórico como desde el experimental y observacional. [No solo] está ahí fuera, sino también aquí, entre nosotros, ya que se extiende por todo el universo. Su enigmática presencia despierta nuestra curiosidad y nos transmite con fuerza el mensaje de que nuestro conocimiento de la naturaleza es incompleto.”

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Halo de materia oscura que conecta M33 (Galaxia del Triángulo) y M31 (Andrómeda). doi: 10.1093/mnras/sts392.

El capítulo 1, “El descubrimiento de la materia oscura” [pp. 13-35], parte de Eratóstenes en el siglo II a.C. y nos lleva hasta Vera Rubin. “El tamaño de la Tierra era bastante bien conocido desde el griego Eratóstenes, [pero] no se sabía nada acerca de su densidad. ¿Cómo se pudo determinar la masa de nuestro planeta?” Gracias al movimiento de la Luna podemos determinar el producto G M, y gracias al experimento de Cavendish el valor de la constante universal de la gravitación G. “¿Es posible determinar la masa de la Vía Láctea o cualquier otra galaxia? Sí, usando el mismo procedimiento que [usó] Newton para medir la masa del Sol: estudiando las velocidades de objetos (típicamente estrellas) que [la] orbitan. Rubin y Ford [usaron] la técnica del efecto Doppler. Lo que encontraron fue sorprendente.”

“La velocidad de las estrellas distantes [al centro de la galaxia] parecía ser siempre aproximadamente la misma. Rubin y Ford estudiaron unas sesenta galaxias, encontrando el mismo fenómeno una y otra vez. Típicamente, la masa visible (ordinaria) de una galaxia es del orden del 10% de la misma; el 90% restante es materia oscura. Existen galaxias pequeñas formadas casi por entero (en un 99%) por materia oscura. A nivel cósmico la proporción de materia oscura es algo menor: entre un 80% y un 85% de la materia total del universo.”

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La cruz de Einstein de la supernova Refsdal. doi: 10.1126/science.aaa3350.

“Experimentos cósmicos” [pp. 37-58] nos habla de la teoría de la relatividad de Einstein y de las razones en contra de las teorías MOND. “La idea de algunos científicos fue que la ley de Newton dejaba de funcionar bien a grandes distancias, hipótesis con la que [simpatiza] la propia Vera Rubin, [un] efecto que parece debido a una materia oscura. [Las] teorías MOND, acrónimo inglés de Modified Newtonian Dynamics (dinámica newtoniana modificada) [supondrían] un descubrimiento todavía más importante que el de la propia materia oscura, de manera que [dicha] hipótesis es cualquier cosa menos conservadora. ¿Pero puede ser cierta? [Así como] la órbita anómala de Mercurio no se debía a ninguna materia oscura, sino a un fallo de la ley de Newton para planetas cercanos al Sol, ¿no podría ser que la ley de Newton fallara también para estrellas muy lejanas que orbitan alrededor de una galaxia?”

La respuesta la conocemos gracias al efecto de lente gravitacional, que “recuerda al que produciría una lupa o una gran bola de cristal. [La] mayor parte de la materia de los cúmulos de galaxias se encuentra en forma de gas. ¿Podemos despojar al cúmulo de su gas intergaláctico, y comprobar si sigue exhibiendo el mismo efecto de lente gravitacional? El llamado Cúmulo de la Bala [son] dos cúmulos galácticos en colisión. [Las galaxias] no se encuentran en el mismo sitio que las [nubes de gas]. El efecto de lente gravitacional [muestra que] la mayor parte de la materia de los cúmulos no está en las nubes de gas. En consecuencia, la hipótesis MOND no es sostenible. [El efecto de la materia oscura] debería aparecer [en] las nubes de gas, ya que es allí donde hay más masa ordinaria. El Cúmulo Bala es la prueba más impresionante y directa de la existencia de la materia oscura.”

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Cómo cambia el espectro multipolar de la radiación de fondo cósmico de microondas con el contenido total de materia del universo. Wayne Hu (University of Chicago).

El capítulo 3, “El rastro de lo invisible en las reliquias del Big Bang” [pp. 59-92], describe la nucleosíntesis primordial y nos recuerda que “si la materia oscura fuera alguna forma de materia ordinaria, eso significaría que la densidad auténtica de materia ordinaria no sería la que observamos sino siete veces mayor. Pero entonces los cálculos de la nucleosíntesis primitiva para la abundancia de los elementos no concordarían en absoluto con las observaciones.” Tras ello pasa a describir la formación del fondo cósmico de microondas durante la recombinación. La explicación está bastante bien (y me recuerda mucho a “El lado oscuro del universo”).

En el espectro multipolar de la radiación cósmica de fondo (que Casas explica con una analogía acústica basada en el timbre de un instrumento musical) se “deduce de la altura del primer pico [que] la densidad de materia es aproximadamente un 32% de la densidad crítica. [La] altura del segundo pico [es] menor que la del primero, [estando] relacionada con la cantidad de materia ordinaria: [un] 5% de la densidad crítica. [Esto] significa que el 27% restante es un tipo de materia distinto de la ordinaria y que no interacciona con ella. [Entonces,] ¿dónde está el 68% que falta? [No] puede ser materia ordinaria ni materia oscura, sino que ha de ser ‘otra cosa’, y esa otra cosa es la energía oscura.”

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Espectro multipolar de las anisotropías del fondo cósmico de microondas del telescopio espacial Planck de la ESA.

Un libro sobre materia oscura escrito por un experto seguro que discutiría en detalle todas las propuestas actuales para explicar la materia oscura. Destacaría sus ventajas e inconvenientes, así como sus señales específicas que permiten su búsqueda en los experimentos y observatorios. Casas se limita a dos propuestas, WIMPs y axiones, que presenta (de forma muy breve) en su capítulo 4, “La naturaleza de la materia oscura. En busca de la ‘partícula X'” [pp. 93-126]. Sabemos que “la materia oscura interacciona muy débilmente con la materia ordinaria; no puede estar hecha de partículas ordinarias; deben ser partículas eléctricamente neutras; han de ser partículas muy estables, con una vida media de como mínimo 13800 millones de años; y tampoco parecen interaccionar mucho consigo mismas. La materia oscura no solo es invisible para nosotros sino también para ella misma.”

Tras presentar de forma breve el modelo estándar de las partículas y el efecto de la materia oscura en los procesos de formación galáctica, en la página 112 se nos presentan “algunos candidatos a materia oscura” (se acaba en la página 118). Por un lado, “partículas con una masa entre 10 veces y 1000 veces la masa de un protón, [con] solo interacciones débiles (una de las cuatro interacciones fundamentales). [Se llaman] WIMPs, acrónimo inglés de Weakly Interacting Massive Particles, o sea ‘partícula masiva con interacción débil’. [Son] los candidatos más estudiados. [Se menciona] otra propuesta, [los] modelos con dimensiones espaciales extra.” Y por otro lado, “los axiones [propuestos] para resolver un problema teórico del modelo estándar relacionado con la estructura de las interacciones fuertes. No podemos entrar aquí en los detalles técnicos.”

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Representación incompleta y resumida de los posibles candidatos a materia oscura. (C) T. Tait.

“La caza de la materia oscura” [pág. 118] se puede realizar por “detección directa, detección indirecta y producción [en colisionadores]. La detección directa [busca] observar la interacción entre las partículas de materia oscura y los núcleos atómicos [mediada] por el intercambio de bosones de Higgs. Este es un aspecto bastante técnico.” La verdad, no sé por qué Casas no profundiza en estos asuntos. Quizás le falta espacio pues lo gasta hablando de energía oscura. Una pena, porque el capítulo 4 podría haber dado para varios capítulos sobre un campo tan interesante y vasto como la materia oscura.

El capítulo 5, “La energía oscura y el destino del universo” [pp. 127-154], en mi opinión, sobra en un libro sobre materia oscura. Supongo que Casas no tenía tiempo para completar con rigor su encargo editorial y decidió tirar de “El lado oscuro del universo.” Nos cuenta que dos “grupos de investigadores se habían propuesto medir la ralentización de la expansión [cósmica]. El High-z Supernova Search Team y el Supernova Cosmology Project presentaron sus resultados en 1998, y desde entonces han sido confirmados por otros equipos: El universo está acelerando su expansión.”

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Tras discutir la constante cosmológica como una presión negativa, de ahí que provoque la aceleración de la expansión, se nos presenta el destino del universo. Casas nos recuerda que la energía oscura fue predicha en 1987 por Steven Weinberg (Premio Nobel de Física en 1979). Usó el principio antrópico para estimar que “la densidad de energía oscura sería distinta de cero, y con una magnitud no muy diferente a la densidad de materia, ¡y acertó!” Finaliza el libro hablando del multiverso. “La idea del principio antrópico asociada al multiverso para explicar la energía oscura es controvertida. A muchos físicos teóricos (¡incluido Weinberg!) no les gusta. [Sin embargo,] guste o no, la idea podría ser correcta.”

En resumen, me ha gustado el libro. Me gusta como escribe Alberto Casas, pero echo en falta una discusión más detalla sobre la materia oscura. Si el libro tiene un título debería ser respetado en su contenido. Habrá que estar atento a las próximas obras de la colección “Un paseo por el cosmos” de RBA. Muchos amigos y divulgadores han contribuido y en este blog acabarán teniendo una reseña.



29 Comentarios

  1. Gracias Francis por la reseña.
    Su hay una parte del libro que se parece demasiado a “El lado oscuro del universo”, eso no puede ser un defecto. Al contrario, no se me ocurre mejor forma de contar lo que sabemos sobre la materia y la energía oscura que lo que hace Alberto Casas en “El lado oscuro del universo”. De hecho, me atrevería a decir que es el mejor libro de divulgación que se ha escrito nunca, porque además de entretener y motivar, como magistralmente hacen muchos otros, ese libro explica la cosmología actual de forma que se entienda. Mis estudiantes, de bachillerato, aprenden mucho más con ese libro que con cualquier otra lectura que se les recomiende.

  2. Me he suscrito hace poco, y estoy a la espera de que me llegue el primer envío. Gracias por decir el nombre del autor. Presumo que el autor del segundo volumen (agujeros negros) será Jose Barbón, si se sigue en la línea de buscar autores que sean profesores españoles expertos en el tema. De hecho, Barbón ha publicado hace poco un libro sobre agujeros negros en la editorial CSIC. No sé si es posible que RBA reedite el libro tan rápido para esta colección. Puede que sea el mismo libro, es de 120 páginas, en la línea de estos libritos de RBA.

    1. Marco, una de las cosas que más me disgusta de RBA Coleccionables es que no incluya el nombre del autor de cada libro en la portada. La nueva serie “Un paseo por el cosmos” los incluye en la contraportada, pero series anteriores ni siquiera eso, había que abrir el libro para saber quién era el autor. Una pena.

      Por ello no sé si Pepe (J.L.F.) Barbón será o no será autor del libro sobre agujeros negros. Una sorpresa que desvelaremos pronto los que estamos suscritos.

      1. Soy una persona cercana a Alberto Casas. Quería aprovechar este foro para comentar sobre alguna de vuestras observaciones. Como bien decís, el nombre del autor aparece en la contraportada, lo que es una pena. Me consta que la editorial no quería en principio ni siquiera conceder esa posibilidad, cosa que finalmente hizo (y a partir de ahí también a los siguientes autores). Alberto estuvo en varias ocasiones a punto de abandonar el proyecto por esta y otras cuestiones, como modificaciones en el texto por parte de la editorial sin avisar. Tampoco se utilizó el título del libro que el sugirió (y que describía de forma más fiel el contenido), etc. Comento todo esto más que nada para que podáis apreciar que el mundo editorial está todavía un poco alejado de los estándares que deberían ser normales cuando se hace divulgación científica.

  3. Esta muy bien el libro, leo muchos libros de divulgación y este autor ha sido un descubrimiento. Me engancha de principio a fin y explica las cosas de forma muy amena. Espero que no pierda calidad la colección con el tiempo.

    1. Mario, ¿en español o en inglés? En español tienes “La quinta esencia” de Lawrence Krauss (aunque es un poco antiguo, el original es de 1989). Algo más moderno, pero en inglés es “In Search of Dark Matter,” de Ken Freeman y Geoff McNamara (2006). Por supuesto en los últimos 10 años se ha investigado muchísimo. Un poco más moderno es “The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter” de Katherine Freese (2014). Si quieres algo muy gráfico, más parecido a una revista que a un libro, “Discovering Dark Matter” de Philip Wolny (2015) te gustará.

      Si quieres algo moderno y próximo a un libro de texto, te recomiendo “Dark Matter: An Introduction” de Debasish Majumdar (2015). Pero hay muchísimos otros, en función de tus conocimientos.

      1. Me quedo con este The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter. Creo que es lo suficientemente nuevo para estar actualizado. Supongo que con la formación de ingeniería no tendré problemas. Gracias!

  4. La existencia de la energía oscura y de la materia oscura pone de manifiesto una vez más la inmensa suerte que tenemos de estar aquí leyendo esto. Los detalles y contingencias de los primeros instantes del Universo determinaron que nuestro Universo contenga un 72% de energía oscura, un 23% de materia oscura y solo un 5% de materia bariónica. A su vez ese 5% sobrevivió a la aniquilación materia-antimateria durante la bariogénesis primordial que a su vez depende de la cantidad de violación CP la cual parece estar ajustada para producir, una vez más, una cantidad de materia bariónica óptima para el surgimiento de la vida. La energía oscura, probablemente debida a la energía del vacío es un ajuste mucho más brutal: 120 ordenes de magnitud de discrepancia entre teoría y experimento y una constante cosmológica de valor ridículo, necesaria para que nosotros estemos aquí. Si añadimos los tremendos ajustes necesarios para todas las demás constantes de la Física y el hecho casi confirmado de la inflación cósmica parecemos avocados a admitir la existencia de un Multiverso con innumerables posibilidades y valores de las constantes fundamentales.
    Si esto es así, somos realmente algo muy especial y raro, tan raro que la extinción de nuestra especie sería una tragedia para todo el Multiverso (aunque a éste le importe un rábano nuestra existencia). Por esto, hasta que podamos expandirnos a otros entornos, deberíamos tomar medidas urgentes para no acabar con los recursos del planeta, la más urgente, probablemente, evitar reproducirnos exponencialmente. Sin embargo, ¿quién escucha a un puñado de científicos “locos”?

  5. Yo creo que la materia oscura es materia normal que esta en otras dimensiones. La gravedad se cuela entre las dimensiones y afecta a este universo. Bueno a decir verdad, lo mas probable es que sea alguna partícula aun no descubierta porque al fin y al cabo, ¿ por que todas las partículas iban a interaccionar con el campo electromagnético? Pero estas alternativas también deberían tenerse en cuenta.

  6. Francis una consulta, dado que entiendo que tú has leído ambos libros de este autor, tanto “El lado oscuro del universo” como “La materia oscura”, ¿cuál me aconsejarías comprar y leer primero?
    Muchas gracias.

      1. “La materia Oscura”: Comprado, leído, acabado y disfrutado. Como bien explicas es “para todos los públicos”
        Muchas gracias, sin tu reseña seguro que no se me hubiese ocurrido comprarlo.

  7. Hola, Francis. Me estoy leyendo este libro, está muy bien explicado todo, pero me quedé atascado en esto, que no entiendo (página 131-132). Dice que las dos líneas que representan las dos posibles evoluciones del universo (expansión eterna o fin de expansión para volver a contracción) tienen que coincidir hoy. El argumento no lo entiendo, dice: “para comprender bien la figura [fig. 2 página 133] notemos que hoy en día conocemos la distancia entre las galaxias y el ritmo de expansión. por tanto, las dos curvas, que representan las dos posibilidades, deben coincidir en el momento actual”. Eso de que las dos curvas representan las dos posibilidades… ¿por qué?.

    A ver si me lo aclaras. Mil gracias por anticipado.

    1. Jose, la figura compara la evolución de un universo con densidad menor que la crítica ρ<ρc; hoy en día los datos cosmológicos indican que nuestro universo tiene la densidad crítica ρ=ρc. Luego las observaciones indican que si fuera o bien ρ>ρc o bien ρ<ρc entonces estamos hoy (principio antrópico) en el justo momento en el lugar en el que ambas curvas de evolución del universo coinciden y por ello observamos ρ=ρc. Por supuesto, la opción preferida por la mayoría de los cosmólogos es que siempre ρ=ρc (con lo que la figura de Alberto Casas tiene poco sentido).

    2. Jose, las curvas tienen que coincidiren el momento presente porque haya sido como haya sido el pasado del universo, cualquier modelo aceptable tiene que describir cómo es la expansión ahora mismo. Como conocemos la distancia entre las galaxias, cualquier curva aceptable ha de pasar por ese punto de la gráfica que representa el momento presente. Además conocemos el ritmo de expansión, por lo que las curvas no solo han de coincidir sino tener la misma pendiente en ese punto (momento presente). Pero el pasado puede ser distinto. Por eso las curvas son distintas hacia el pasado y hacia el futuro.
      Es como si ves pasar un coche a 100 Km/h por la puerta de tu casa. Si ese coche ha venido acelerando desde que salió de su casa significa que ha tardado más de una hora en realizar los últimos 100 Km, ya que su velocidad siempre ha sido menor que si ha viajado a velocidad constante. En estas dos posibilidades el pasado es ditinto pero el presente es igual, ya que está impuesto por la observación.

      1. Maria, , veo que tienes mucho sentido pedagógico. A eso se llama habilidad para exlicar cualquier concepto sean cuales fueren los conocimientos previos sobre la cuestón

  8. Por fin me ha llegado y en un par de tardes me lo he leído entero. Te quería pedir alguna referencia sobre el tema de los modos acústicos, es algo que no conocía y me ha fascinado.

        1. Jomanolu, la materia oscura no es una ciencia en sí (todavía), pero la física y la cosmología son ciencias que estudian este constituyente importante del universo. Sabemos mucho de la materia oscura, pero nos gustaría saber mucho más.

  9. ¡Hola!

    Yo pregunté hace tiempo a RBA por los autores de las distintas obras. Me enviaron el siguiente listado parcial:

    1 La materia oscura. Alberto Casas
    2 Los agujeros negros. Antxon Alberdi
    3 El bosón de Higgs. David Blanco
    4 Espacio-tiempo cuántico. Arturo Quirantes
    5 Universos paralelos. José Rodríguez
    6 Los neutrinos. Juan Antonio Caballero
    7 El vacío y la nada. Enrique F. Borja
    8 La flecha del tiempo. David Blanco
    9 Las grandes estructuras del universo. Eduardo Battaner López
    10 Las constantes universales. Jesús Navarro Faus
    11 El Big Bang y el origen del universo. Antonio Lallena Rojo
    12 Simetría y supersimetría. Francisco Pérez-Bernal
    13 La evolución del universo / Del Big Bang a nuestros días. David Galadí
    14 El modelo estándar de partículas. Mario Emilio Gómez
    15 La nanotecnología. Antonio Acosta
    16 El final del universo. Miguel Ángel Sánchez
    17 La teoría del caos. Alberto Pérez
    18 La posibilidad de viajar en el tiempo. José Enrique Amaro
    19 El origen de la vida. Juan Antonio Aguilera Mochón
    20 Cuerdas y supercuerdas. Leo Edelstein / Gastón Giribet
    21 Los exoplanetas. Arturo Quirantes
    22 El frío absoluto. Bruno Juliá
    23 La realidad cuántica. María Cruz Boscá
    24 Quarks y gluones. José Rodríguez-Quintero
    25 Inteligencia artificial. Sebastián Grinschpun

    Por si os sirve.

    Un saludo,
    Jose Brox

  10. Buenos días, Francisco.

    Recién he comenzado a comprar esta colección (eso implica que he tenido que pedir bastantes libros atrasados); no adquirí este porque me esperaba de él que fuese una discusión sobre Materia Oscura y una introducción bastante teórica sobre el tema que, por lo que parece (corrígeme si me equivoco), no fue así. ¿Crees que dentro de los títulos de la colección habrá alguno que la trate también? Por ejemplo, de Física Cuántica salió el del Vacío y la Nada, saldrá Gravedad Cuántica y hay algún otro título más metido (Tiempo cuántico creo, también), no sé si ocurrirá parecido en este caso.

    Es una lástima porque para mi nivel estos libros son geniales, pero el límite de hojas hace que algunos sean perfectos y en otros el autor haga de trapecista para poder cercenar todo lo que quisiese contar sin que el libro pierda sentido.

    1. Francisco, los libros que saldrán son los siguientes:

      1 La materia oscura. Alberto Casas
      2 Los agujeros negros. Antxon Alberdi
      3 El bosón de Higgs. David Blanco
      4 Espacio-tiempo cuántico. Arturo Quirantes
      5 Universos paralelos. José Rodríguez
      6 Los neutrinos. Juan Antonio Caballero
      7 El vacío y la nada. Enrique F. Borja
      8 La flecha del tiempo. David Blanco
      9 Las grandes estructuras del universo. Eduardo Battaner López
      10 Las constantes universales. Jesús Navarro Faus
      11 El Big Bang y el origen del universo. Antonio Lallena Rojo
      12 Simetría y supersimetría. Francisco Pérez-Bernal
      13 La evolución del universo / Del Big Bang a nuestros días. David Galadí
      14 El modelo estándar de partículas. Mario Emilio Gómez
      15 La nanotecnología. Antonio Acosta
      16 El final del universo. Miguel Ángel Sánchez
      17 La teoría del caos. Alberto Pérez
      18 La posibilidad de viajar en el tiempo. José Enrique Amaro
      19 El origen de la vida. Juan Antonio Aguilera Mochón
      20 Cuerdas y supercuerdas. Leo Edelstein / Gastón Giribet
      21 Los exoplanetas. Arturo Quirantes
      22 El frío absoluto. Bruno Juliá
      23 La realidad cuántica. María Cruz Boscá
      24 Quarks y gluones. José Rodríguez-Quintero
      25 Inteligencia artificial. Sebastián Grinschpun

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 19 septiembre, 2015
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