Francis en “Aparici en Órbita”: El ajuste fino para la habitabilidad de un universo

He participado en la sección «Aparici en Órbita» de Alberto Aparici @CienciaBrujula en el programa «Más de Uno» @MasDeUno de Carlos Alsina @Carlos_Alsina en Onda Cero Radio @OndaCero_es. Te recomiendo disfrutar del podcast “¿Otros universos son posibles?” Onda Cero, 08 May 2019 [17:31] (“Aparici en Órbita s01e34: Universos posibles y universos habitables, con Francis Villatoro”, iVoox, 08 may 2019).

Alberto y Carlos empiezan viajando al multiverso gracias al «aparato multiversal». En un universo Carlos me encuentra hablando de teoría de cuerdas y la acción de Nambu–Goto en la sección «Francis Villatoro en Órbita». Obviamente, no me deja explayarme y retorna a nuestro universo. Alberto introduce el «principio antrópico», lo que me da pie a hablar del artículo de Fred C. Adams, “The degree of fine-tuning in our universe —and others,” Physics Reports (15 Feb 2019), doi: 10.1016/j.physrep.2019.02.001arXiv:1902.03928 [astro-ph.CO] (11 Feb 2019) [122 pp.]. Recomiendo también el libro de Geraint F. Lewis, Luke A. Barnes, “A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos,” Cambridge University Press (2016) [373 pp.].

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Esta figura muestra el rango de masas y tamaños que están permitidas en nuestro universo (en función de la masa mp y el radio rp del protón). El triángulo en el origen (0, 0) es la posición del protón; el triángulo inferior en la posición (19, −19) corresponde a un agujero negro con la masa de Planck; y el triángulo superior la posición del universo observable (dentro del horizonte cósmico). A la izquierda tenemos el régimen cuántico, con la línea azul marcando la longitud de onda de Compton y la zona sombreada inferior los objetos con r < h/(c mp). A la derecha tenemos el régimen de los agujeros negros, con la línea roja marcando los agujeros negros y la zona sombreada inferior los objetos potenciales con un tamaño inferior a su horizonte de sucesos, r < 2 G M /c². El símbolo H marca el hidrógeno y la línea punteada el lugar donde se encuentran los cuerpos macroscópicos; la línea verde son los organismos vivos, desde las bacterias a las ballenas; los planetas son los cuadrados y las estrellas los círculos. Los agujeros negros observados en el universo es el segmento negro oscuro dentro de la línea roja. Las galaxias y los cúmulos galácticos se encuentran en la región sombreada en la parte superior derecha.

¿Qué es lo que hace que nuestro universo sea habitable? No sabemos qué es la vida ni cómo surgió en la Tierra. Pero sabemos que la vida en la Tierra está basada en el carbono, que necesita agua líquida en un planeta rocoso alrededor de una estrella de larga vida. El 99% de nuestro cuerpo está hecho de seis elementos químicos entre los 118 de la tabla periódica: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio y fósforo. Solo el 0.85% está compuesto de cinco elementos más: potasio, azufre, sodio, cloro y magnesio (aunque hay trazas de unos 60 elementos químicos en un cuerpo humano solo unos 29 tienen un papel activo en la vida y salud humanas).

La vida requiere un universo viejo, con una edad de miles de millones de años, que permita la aparición de las estrellas a partir de los elementos químicos más ligeros, como el hidrógeno y el helio. Que además permita que permita la formación de elementos químicos más pesados, en un proceso lento tras la muerte de estas estrellas en explosiones tipo supernovas, o en un proceso rápido en colisiones de estrellas de neutrones. Los elementos pesados permitirán la formación de planetas rocosos que serán habitables si están a la distancia adecuada de su estrella como para tener una atmósfera y agua líquida en su superficie. Así se pueden dar las condiciones que favorezcan la aparición de la vida y su evolución posterior hacia organismos complejos que puedan llegar a ser tan inteligentes como nosotros.

strong>¿Y cómo se hace para estudiar eso científicamente? La ciencia no puede explicar por qué ocurren las cosas. La ciencia solo explica cómo ocurren las cosas. La teoría del big bang (inflacionario) explica cómo cambia el contenido del universo conforme el universo se expande y se enfría. Según las leyes físicas conocidas en la actualidad, todas las partículas que observamos en el universo surgieron en el bang que ocurrió cuando finalizó la inflación cósmica, una expansión acelerada del universo. La energía total y la duración de la inflación cósmica influye en los valores actuales de las cargas de estas partículas (carga eléctrica, hipercarga débil y carga de color;  lo que los físicos llamamos constantes de acoplamiento). Las masas de las partículas surgieron mucho más tarde, cuando el universo tenía un nanosegundo de edad, debido a un cambio en el campo Higgs (la transición de fase electrodébil). Los valores de las masas de las partículas dependen de la masa de la partícula de Higgs (es decir, de la constante de acoplamiento del campo de Higgs; que también tiene un valor que depende de los detalles de la inflación cósmica).

Podemos plantear como hipótesis razonable que un universo potencial está regido por las mismas leyes físicas que nuestro universo. Pero sabemos que los valores de los 26 parámetros del modelo estándar de la física de partículas, que incluye a las cargas y las masas de las partículas, así como de los 6 parámetros del modelo cosmológico de consenso, dependen de los detalles de la inflación cósmica, que a su vez dependen de la fluctuación cuántica primordial que le dio origen. Como el azar es intrínseco a la física cuántica, en diferentes universos esta fluctuación cuántica habrá sido diferente, conduciendo a universos regidos por las mismas leyes físicas, pero con diferentes valores de sus parámetros. Así, solo permitirán la aparición de la vida los universos potenciales que tengan los parámetros adecuados.

La expansión del universo podría ser mucho más rápida y entonces la vida no sería posible. ¿Qué sabemos sobre este asunto? La expansión del universo en la actualidad se está acelerando porque el contenido de nuestro universo desde hace unos cinco mil millones de años está dominado por la llamada energía oscura. No sabemos qué es la energía oscura, pero pensamos que su origen es la energía del vacío (la llamada constante cosmológica de Einstein). El universo actual está lleno de enormes vacíos, la llamada web cósmica, una especie de espuma de jabón donde toda la materia se encuentra en las paredes de las burbujas de jabón. Según la física cuántica, teniendo en cuenta el campo de Higgs, la constante cosmológica debida a la energía del vacío debería ser unos 54 órdenes de magnitud más grande que el valor actual en el universo (si no se tiene en cuenta el vacío del campo de Higgs tendría que ser 122 órdenes de magnitud más grande). No sabemos por qué su valor es tan pequeño, uno de los grandes problemas de la Física en el siglo XXI, pero se supone que se requiere un enorme muy ajuste fino para que un universo tenga un valor así.

Sin embargo, para la habitabilidad de un universo no es necesario un ajuste tan fino de la energía oscura. El universo temprano está dominado por la radiación (partículas sin masa), para pasar a estar dominado por la materia (partículas con masa) y luego estar dominado por el vacío (la energía oscura). El origen de la vida requiere que la energía oscura empiece a dominar el universo en una etapa tardía, permitiendo que la materia domine el contenido total del universo, tras la llamada edad oscura, para que se formen las estrellas, las galaxias y las grandes estructuras del universo. El nuevo artículo publicado en Physics Reports nos estima que para que dure un tiempo suficiente el dominio de la materia se puede cambiar la amplitud de la fluctuación cuántica primordial (Q) entre una décima y mil veces el valor de nuestro universo, permitiendo un valor máximo de la densidad de la energía oscura superior a un billón de veces el valor actual, y por supuesto, no existe ninguna cota mínima. Así la energía oscura está mucho menos acotada de lo que se podría pensar en un principio en relación a la habitabilidad de un universo.

Sobre las masas de las partículas, ¿sería muy diferente el universo si las partículas fueran más pesadas o más ligeras? El campo de Higgs explica el origen de la masa de las partículas. La fluctuación cuántica primordial y la inflación cósmica permiten que las masas de las partículas sean muy diferentes de las que observamos. Los átomos están formados por las partículas más ligeras: electrones que orbitan un núcleo formado por neutrones y protones, que a su vez están formados por los quarks más ligeros, llamados arriba y abajo. Se puede estudiar cómo afectan las masas de los electrones y de los quarks arriba y abajo a la habitabilidad. La carga del electrón es tres veces la carga del quark abajo, y la del quark arriba dos veces la del quark abajo. La física del modelo estándar exige que el cociente de la masa del electrón y del quark abajo esté fijado (f = me/md ≈ 0.107) para la estabilidad del protón y con ella de los núcleos de los átomos. El factor que más limita es la masa del quark abajo, que podemos tocar muy poco, como mucho multiplicarla hasta por un factor de 7; la masa del electrón cambiará en consecuencia. Sin embargo, la masa del quark arriba la podemos tocar mucho más, podría ser entre cien veces más pequeña y diez más grande, unos tres órdenes de magnitud. Por supuesto, este cambio afectaría a la física de las estrellas, pero se pueden describir procesos físicos que permitan estrellas de larga vida muy similares a las actuales con este tipo de cambios.

¿Cuánto crédito tiene esta teoría del multiverso? ¿Se considera probable entre los físicos? Muchos físicos detestan la idea del multiverso, porque dicen que la física solo debería describir lo observable y los otros universos potenciales no se pueden observar (por estar causalmente desconectados del nuestro). Pero hay que recordar que el Universo Observable es solo una parte del Universo (que debería ser como mínimo unas diez veces más grande). Hubo un tiempo que nuestro universo estaba formado por la Tierra y cosas que la orbitaban, luego por el Sol y cosas que lo orbitaban, luego por nuestra galaxia y cosas que lo orbitaban, y ahora sabemos que nuestro Universo Observable (dentro del horizonte cósmico que tiene un radio de unos 43000 millones de años luz, todo lo que podemos llegar a ver en los 13800 millones de años de edad del universo), es solo una parte de un Universo más grande.

Si nuestras ideas actuales sobre el origen del universo en una fluctuación cuántica en un falso vacío primordial, un preuniverso, amplificada por la inflación cósmica, son acertadas, entonces en dicho preuniverso tuvo que haber otras fluctuaciones cuánticas que dieran lugar a otros universos (causalmente desconectados del nuestro). La idea de multiverso puede que no nos guste a muchos, pero es una idea inevitable en el marco de nuestro conocimiento actual sobre la física del origen de nuestro universo.



32 Comentarios

  1. La idea del multiverso encaja bien con el carácter derrochador de la naturaleza. Dado que la naturaleza ha generado muchos planetas carentes de vida, y además nos ha creado a los humanos mediante un proceso sumamente despilfarrador como es la selección natural, tiene sentido que existan muchos otros universos, estériles en su mayoría.

    1. Supongo que no es necesario que te añada la observación de que la naturaleza no tenía ninguna obligación de crearnos a nosotros. Nosotros somos probablemente un afortunado accidente. ¿No sería más “triste” un Universo tan fascinante como el nuestro sin nadie consciente para admirarlo? Aunque lamentablemente son muchas más las personas ajenas a este hecho que las verdaderamente conscientes de ello.

  2. No entiendo muy bien por què se supone que otros universos desconectados causalmente del nuestro, estarìan regidos por las mismas leyes fìsicas, porque entonces se tratarìa de un argumento circular, ya que habrìa que explicar de dònde surgieron dichas leyes fìsicas y por què son precisamente esas y no otras. Si bien los multiuniversos con la multiplicidad de valores paramètricos que inplican, dan una posible respuesta a las cuestiones del principio antròpico y del ajuste fino, es a costa de trasladar el problema un paso màs allà. Pensar una fluctuaciòn cuàntica del vacìo en un pre-universo implica suponer la preexistencia de la mecànica cuàntica, lo que a mi entender serìa, literalmente, una perticiòn de principio. ¿Por què cada universo no podrìa tener sus leyes fìsicas propias totalmente distintas?

    1. “¿Por què cada universo no podrìa tener sus leyes fìsicas propias totalmente distintas?”

      Hola Julio. Debes tener en cuenta que la ciencia requiere aplicar la navaja de Occam, es decir, explica las cosas desechando las complicaciones innecesarias. La hipótesis más sencilla, con mucha diferencia, es suponer que las mismas leyes físicas rigen en todo el multiverso.

        1. Lo que nos dice la ciencia es que vivimos en un multiverso. Sin embargo, la hipótesis según la cual “no hay otras leyes físicas” es la más sencilla en todos los casos imaginables: la aceptamos hoy para el multiverso igual que en el pasado la aceptábamos para el universo; y también la tendríamos que aceptar para un supuesto multi-multiverso, un multi-multi-multiverso, etc.

          1. Navaja de Ockham, cierto. Este equivaldria al Multiverso de Tipo II en la clasificacion de Max Tegmark, donde las leyes fisicas que subyacen son las mismas pero lo que varian son constantes fisicas, numero de dimensiones incluso, etc.

            Lo digo tambien por las preguntas de rigor sobre la naturaleza de dicho vacio, que desde luego imprimiria sus leyes fisicas a cada Universo que naciera de este -origen, incluso extension, etc-. Naturalmente esos otros multiversos con sus propias leyes fisicas serian aun mas infalsificables.

            Lastima, parece que en este multiverso al menos no va a existir uno donde la Fuerza o la magia sean posibles.

          2. Rawandi:

            La ciencia no requiere aplicar la navaja de Occam y la hipótesis “todos los universos tienen las mismas leyes físicas” no está aceptada por científicos, ni siquiera es plausible, hay fuerte evidencia de todo tipo en contra de dicha hipótesis.

            En el marco de los paradigmas actuales tan inevitable es el multiverso como la existencia de distintas teorías efectivas que constituirían la física a baja energía en cada uno de los distintos universos.

          3. Ramiro, por supuesto que cada universo se comportará de acuerdo con “teorías efectivas” diferentes a las de otros universos, pero todas esas teorías efectivas mostrarán patrones comunes, ya que estarán determinadas por una ‘teoría de todo’ que gobernará el multiverso entero, ¿no?

          4. De acuerdo Rawandi.

            Los posibles universos contendrán teorías efectivas diferentes, pero todos serán soluciones particulares de una serie de leyes físicas comunes. De acuerdo.

            Saludos 😉

          5. En la presente entrada Francis dice:
            “…conduciendo a universos regidos por las mismas leyes físicas, pero con diferentes valores de sus parámetros.

            Y en esta otra entrada dice:
            “…Las leyes físicas no son las mismas en estos dominios, siendo diferentes los valores de sus parámetros (constante cosmológica, tipos de campos, constantes de interacción y masas de las partículas).”

            Son dos maneras de decir lo mismo. ¡Cosas del lenguaje! 😉

          6. Actualmente, aceptando la validez de la mecánica cuántica, la relatividad y la teoría de campos las leyes físicas más generales que dan lugar a diferentes teorías efectivas son las leyes basadas en la teoría de cuerdas 🙂

    2. Julio:

      ¿Por qué se supone que universos diferentes están causalmente desconectados?

      Por definición de horizonte cosmológico, en ningún momento puedes enviar una señal a un punto fuera de vuestro horizonte; en particular recuerde que regiones de tamaño H^(-1) (el tamaño típico del horizonte para un punto arbitrario) durante la época inflacionaria serán “protouniversos” y evolucionarán de forma independiente bajo la expansión acelerada, pues (de nuevo) un observador contenido en uno de estos dominios no puede enviar una señal fuera de este y menos aún cuando el espacio está en esta fase acelerada.

      Un saludo.

  3. Me desconcerto la declaracion de que nuestro universo tendria que ser unas 10 veces mas grande al observable de 43 mil millones de años luz o 13 mil millones de años de existencia…

    …. ¿En base a que se sustenta la afirmación?.

    1. No estamos seguros de que el Universo sea finito o infinito. De lo que estamos seguros es de que si fuese finito, sería muy grande. Todo depende de la densidad del Universo, que se cuantifica mediante el parámetro de densidad, al que usualmente se le nombra con la letra griega Omega mayúscula.

      Si Omega es menor o igual que 1, el Universo es a priori infinito.
      Si Omega es mayor que 1, el Universo es finito.

      El valor de Omega hay que medirlo y ello no es nada fácil, pero en los últimos años se han hecho grandes esfuerzos y a partir de diferentes observaciones de diferentes fenómenos cosmológicos, la Colaboración Planck sintetizó en 2018 todos los resultados, dando como mejor valor hasta el momento el de:

      Omega = 0.9993 +/- 0.0019

      Con este valor máximo de Omega, el de la Constante de Hubble y el de la velocidad de la luz se calcula que si el Universo es finito, actualmente tiene COMO MINIMO un radio de 417 mil millones de años luz. Como el radio del Universo Observable es actualmente de unos 46 mil millones de años luz, de ahí la cifra de que el radio del universo global es como mínimo unas 10 veces mayor que el radio del universo observable. Observa que lo que es unas 10 veces mayor es el radio, no el volumen que sería (417/46)^3 veces mayor.
      La fórmula de cálculo puedes consultarla en:

      https://forum.lawebdefisica.com/threads/40961-Tama%C3%B1o-del-Universo-Observable-y-del-Universo-en-su-totalidad?p=185201#post185201

      Saludos.

      1. Aparte de eso, que esta apoyado por la observacion, hay otras estimaciones basadas en la teoria de la inflacion cosmica: desde un radio al menos (3 seguido de 23 ceros) veces mayor hasta mucho, mucho, mucho mas. Y son limites inferiores.

        Estos articulos son realmente fascinantes.

  4. Primero de todo gracias Francis por tenermos al día con estos temas, de forma tan amena i regurosa.
    Por otro lado, podrías explicar la razón por la que el universo debe ser al menos 10 veces mayor que el observable?

      1. Wow, buena memoria. Muchas gracias.

        La verdad es que los comentarios de la noticia han desaparecido. Pero sí que recuerdo haberlo preguntado.

        Así da gusto, gracias de nuevo.

        1. Lo recordaba porque te respondí en esa entrada… me fui a dormir…
          y al día siguiente “algo” había obligado a Francis a ventilar la casa 😉

          En fija me perdí un Troll Show épico 🙂
          Saludos.

  5. Muy interesantes los aportes. Cuando uno aborda cuestiones que se ubican en los lìmites del conocimiento actual es difìcil no tocar temas filosòficos, lo importante es no alejarse del rigor cientìfico. Con respecto a la navaja de Occam, pienso que es un recurso metodològico argumentativo, màs no puede tener la fuerza de una ley fìsica. Por ejemplo, si atendemos a la economìa de recursos ¿què serìa màs probable: una infinitud de universos o que no hubiese nada? El hecho de que cualquiera de nosotros exista implica que la famosa navaja està tal vez un poco desafilada. Pero no es esto lo que querìa expresar, sino que creo entender que cierta corriente del pensamiento cientìfico postula que una ley fìsica serìa algo asì como un algoritmo ejecutado computacionalmente por la estructura del espacio-tiempo, por lo tanto ¿Còmo un vacìo primordial inestructurado podrìa computar o almacenar reglas recursivas? Se entiende que las variables tomen un valor definido aleatorio en la inflaciòn de cada burbuja de universo, pero la preexistencia more platònico de una teorìa del todo, independientemente de cualquier espacio-tiempo, creo entender que genera ciertos inconvenientes lògicos.

    1. Julio, la navaja de Occam no nos exige que aceptemos a toda costa las ideas más simples, sino algo bastante distinto, a saber: que desechemos “las complicaciones innecesarias”. La clave está en el vocablo “innecesarias”. Dado que sabemos que existimos, nuestra existencia no es una “complicación innecesaria”, y por tanto tenemos que descartar la existencia de la nada absoluta.

      La teoría del todo (o quizá el conjunto de leyes físicas de rango superior) no tiene una “preexistencia platónica independiente” sino que es inherente al multiverso eterno: es la manera en que funciona el multiverso eterno.

  6. Interesantísimo artículo, es posible que muchos trabajos hayan exagerado los márgenes estrictamente necesarios de las constantes fundamentales compatibles con nuestra existencia. De todas formas, hay que tener mucho cuidado con que se considera “grande” o “pequeño”: que se pueda permitir una variación de un factor 10exp12 en la constante cosmológica (a costa de variar Q) parece mucho, pero este valor es despreciable si lo comparamos con los valores asociados al supuesto “ajuste fino” de dicha constante (10exp52 o 10exp122). Como diría el gran Paul Dirac debemos aceptar las consecuencias de las teorías aceptadas por la comunidad científica sean cuales sean, nos gusten o no, y las consecuencias de la inflación cósmica son tremendas:
    1º) Nuestro Universo es mucho más grande del tamaño del Universo observable, mucho más grande que el tamaño del Horizonte de partículas, mucho más grande quizás de lo que podamos concebir…
    2º) El big-bang es un evento más entre muchísimos otros big-bang: se corresponde con el momento en el que el campo inflaton alcanza el valor del vacío verdadero dentro de un mar de falso vacío. Las oscilaciones cuánticas en torno a dicho nuevo vacío produjo toda la materia y la energía de nuestro Universo (nuestro big-bang)
    3º) Como nuestro Big-Bang es solo uno entre tantos, nuestro Universo es solo uno entre muchísimos.
    La inflación, la cosmología cuántica y la teoría de cuerdas nos conducen inevitablemente a un escenario global con distintos espacio-tiempos que poseen diferentes energías de vacío. Esta nueva visión del Universo quizás puede entenderse mejor en el marco de la llamada cosmología cuántica, la idea es aplicar la mecánica cuántica al Universo como un todo: se calcula cual es la función de onda del Universo que en esencia es la suma de la función de onda del espacio-tiempo y de los campos de materia. En este contexto (semiclásico) se basa la ecuación de Wheeler-deWitt o la función de onda de Hartle-Hawking. Esta última nos permite calcular cual es la probabilidad de que se cree un Universo de la nada, donde la “nada” no es el concepto filosófico de algo totalmente vacío sin ninguna propiedad sino que es una región “Euclidea” del espacio-tiempo, es decir, una región sin tiempo real y sin campos reales (similar al famoso tiempo imaginario que popularizó Hawking). El escenario más global se da en el recientemente llamado “marco de la tercera cuantización”: se define una función de onda del multiverso y la cuantización da lugar a operadores cuánticos que definen la creación y aniquilación de Universos. Quizás lo más importante de todo es que si este escenario es real el multiverso tendría EFECTOS MEDIBLES directamente en nuestro Universo debido a efectos no locales, es decir, debido al entrelazamiento cuántico: los modos más bajos del CMB se verían afectados lo que se traduciría en una modificación del espectro de potencia del CMB que podría ser medido en futuras mediciones más precisas. Para los que quieran profundizar en este apasionante campo pueden leer por ejemplo este impresionante paper: https://arxiv.org/abs/1706.06023
    Soy consciente de que todo esto parece metafísica o ciencia ficción, sin embargo, aunque parezca increíble, la ciencia moderna está trayendo al campo de la Física cuestiones que hace muy poco eran pura Metafísica. Actualmente el Multiverso puede tener efectos medibles, de hecho, varios experimentos ya están midiendo ciertas posibles “huellas” de su existencia, por tanto, en principio (aunque su verificación es muy difícil) el Multiverso ES VERIFICABLE EXPERIMENTALMENTE. Ya no somos el centro del sistema solar, ni de la galaxia, ni de nuestro grupo local, ni del Universo, ahora somos solo parte un un inmenso Multiverso… sin embargo, de momento somos la única organización de materia conocida capaz de ser conscientes de la enorme belleza y complejidad de la naturaleza ¿Hasta donde seremos capaces de llegar?

    1. Gracias planck, muy interesante. Una pregunta, ¿qué es exactamente “Q=curvature fluctuation amplitude”? ¿Cómo se mide? ¿Por qué/cómo ligas la variación en el valor de Q a la variación del valor de la Constante Cosmológica?
      Gracias y saludos.

      1. Hola Albert, en este caso Q se refiere a la amplitud de las fluctuaciones primordiales, recuerda que son estas minúsculas fluctuaciones, amplificadas durante la inflación, las que permiten que existan acumulaciones de materia y por tanto galaxias y planetas. A mayor Q mayor agregación de materia y por tanto mayor densidad de galaxias. Aumentar Q permite tener una mayor constante cosmológica ya que el aumento de densidad compensaría la disgregación de la materia provocada al aumentar la aceleración de la expansión cósmica. El valor de Q se calcula midiendo las no-Gaussianidades del CMB.

    2. He estado googleando:
      “Q=curvature fluctuation amplitude”, ¿es simplemente la desviación de pico relativa de las temperaturas del CMB respecto de su temperatura media?
      ¿¿ Q=Tp/Tm = 1/100000 ??
      Gracias, saludos.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 8 mayo, 2019
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