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Siempre he considerado la Física como algo digno de ser estudiado. De hecho, mi pequeña biblioteca debe tener algo más de 100 volúmenes de divulgación científica en los que se tratan temas tan dispares como la primera medición del radio y ecuador terrestre, la teoría de la relatividad y sus consecuencias, las biografías de los principales científicos y matemáticos de la Humanidad, … y así, un sinfín de conocimientos interesantísimos para mí -of course!-, que en su día me entretuvieron enormemente y que, de manera indirecta, ampliaron mi horizonte de de intereses por otras áreas del conocimiento que desembocó, entre otras, en mi fascinación por los fractales y la teoría del Caos.

Soy profesor y disfruto explicando aquellos conocimientos que tan buenos recuerdos me traen a la memoria. De hecho, su temática poco o nada tiene que ver con las asignaturas que imparto, pero cada uno tiene sus predilecciones a la hora de entretenerse y culturizarse. Está claro que mi interés por la Física y la ciencia es más bien tardío, si no hubiera encaminado mi culturización profesional por esos derroteros.

Me gusta explicar y crear contenidos, pero cuando encuentro buenos contenidos en la Red y además de calidad, considero que conviene compartirlos con mis lectores y promocionar esos autores, en este caso profesionales del tema.

Si ya está hecho, no tiene sentido crear mi propio contenido. Es más decente que os descarguéis el pdf en cuestión, realizado por especialistas en la materia sobre la persona de Einstein y su obra, titulado Selección del Omnia Especial Einstein, de Mensa España de abril de 2005, un documento de 30 hojas interesantísimo sobre los principales logros de tan genial científico.

Moraleja: aparte de en la librería, también el la Red hay documentación digna de ser leída

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Introducción

La tarea fundamental de algunos de los físicos actuales consiste en la teoría de la unificación; unificación de las cuatro fuerzas de la naturaleza en una sóla teoría que las comprenda a todas.

Se han unificado 3 de las originarias 5 fuerzas, si contamos la electricidad y el magnetismo por separado, y se cree que en el principio del Universo, cuando toda la masa y energía estaba concentrada en un punto inperceptible (Big Bang), nada más hubo una fuerza que se dividió en varias manifestaciones al disminuir la energía de las partículas una vez producido el estallido.

Las 4 fuerzas de la naturaleza son:

La fuerza gravitatoria

Descubierta por Isaac Newton en el s. XVII y conocida por todos como "atracción gravitatoria" o simplemente "gravedad".

Fue la primera en ser descubierta y sufrimos sus efectos diariamente: al levantarnos de la cama, al caminar, cuando se nos caen las cosas de las manos, cuando llueve, … Su campo de trabajo es amplísimo, pues no se salva nada de cuanto existe. Los siguientes ejemplos están firmados por esta fuerza:

Los primeros experimentos los realizó Galileo en la famosa Torre de Pisa. Todo, absolutamente todo se ve afectado por la atracción gravitatoria, incluso la luz se curva por efecto de la gravedad; hecho que fue comprobado en un eclipse total de sol al medir la desviación sufrida por alguna de las estrellas cuya luz vemos pegada a la corona solar, pero situada realmente detrás del astro rey. Vale decir que todos los objetos por el hecho de tener masa ejercen fuerza gravitatorias sobre todos los que tienen a su alrededor.

La fuerza electromagnética

Produce atracción entre partículas, como la "atracción gravitatoria", pero también repulsión debido a la existencia de cargas eléctricas positivas y negativas.

Hasta la 1ª mitad del s.XIX se consideraban 2 fuerzas distintas e independientes: la eléctrica y la magnética. Tras los estudios y trabajos de científicos como Oersted, Faraday, Maxwell y muchos otros, se consiguió la unificación.

No afecta a todos los cuerpos como la gravedad, pues los hay con carga neutra.

La fuerza nuclear débil

Actúa en distancias realmente ínfimas, las distancias subatómicas. Descubierta en el s.XX, se diferencia de la gravitatoria y la electromagnética en que su alcance no es infinito sino muy reducido, pero comparativamente posee una intensidad muy superior a ellas.

Hace su aparición en la desintegración Beta (ß) de algunos compuestos radioactivos. En las últimas décadas del pasado milenio se demostró, en el marco de la mecánica cuántica, que la fuerzas electromagnética y nuclear débil son dos manifestaciones de una sóla fuerza: la fuerza electrodébil, con lo que realmente podríamos afirmar que no hay 4 sino de momento 3 fuerzas fundamentales.

Para entender este concepto es preciso recordar que los núcleos atómicos están constituidos de protones y neutrones. De paso añadiremos que los protones y los neutrones están constituidos por 3 quarks.

¿Qué es un quark"

Los quarks son partículas elementales, que no solamente forman al protón, sino a toda una serie de familias de otras partículas. Combinaciones de tres quarks forman los bariones (como el protón) y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones. Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están en estados ligados con otros quarks ya sea en un barión o en un mesón. La teoría de los Quarks fue elaborada en 1963 por los físicos Murray Gell-Mann y Yuval Ne’eman. Fue Gell-Mann quien dió el nombre de ‘quarks’ a estas partículas. La palabra no tiene significado alguno y salió de una frase de un libro del escritor James Joyce. Poco tiempo después de lanzada la hipótesis de los quarks, experimentos realizados en los laboratorios de Fermilab (en EEUU) y CERN (en Ginebra) comenzaron a dar evidencia experimental sobre su existencia.

Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D y un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D. ¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón? Pues simple, con un quark tipo U a uno tipo D, convertiremos un protón en un neutrón.Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil. Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

La fuerza nuclear fuerte

Actúa sobre los componentes de los núcleos atómicos atrayéndolos para que éste no pueda descompensarse por la intensa fuerza electromagnética de repulsión a la que se ven sometidos los protones (cargas positivas). Recordar que los protones se repelen como consecuencia de la fuerza electromagnética. Como consecuencia de ello, la fuerza con más intensidad de las 4 es la nuclear fuerte, siendo su alcance también del orden subatómico.

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La constante de gravitación universal, denominada G, tiene un valor de 6.67*10^-11 (N*m²)/kg² y su valor fue establecido por primera vez por el físico inglés Henry Cavendish en 1798.

Newton ya se refirió a ella en su famosa Ley de la Gravitación Universal, pero no fue hasta 100 años más tarde cuando Cavendish pudo cuantificarla.

F->fuerza de atracción de 2 cuerpos

Cavendish, colgó de un hilo, una varilla en cuyos extremos puso unas bolitas de masa conocida. Suspendió el hilo al techo y puso al lado de cada bolita una gran bola, también de masa conocida. Pretendía medir la fuerza de atracción gravitatoria entre la bola pequeña y la grande … y al final lo consiguió.

Con este dato, los de las masas de las bolas y la distancia que las separaba, pudo calcular G de forma primitiva.

Su valor actual lo estableció el físico americano Paul R. Heyl en 1928 y es de

6.67*10^-11 (N*m²⁾/kg²

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Para calcular g, primero cabe preguntarse ¿Qué es g? Se denomina g a la gravedad. Ahora nos preguntaremos

¿y qué es la gravedad?

La gravedad es una fuerza, pero no una fuerza cualquiera. Es una fuerza única que hace que nuestros antípodas no se caigan de la Tierra y permanezcan pegados al suelo, que los aviones no puedan salir de la atmósfera terrestre o que cuando se nos cae un plato siempre viaje verticalmente y hacia abajo (aunque todo esto es relativo, como diría Einstein)

Estoy hablando de la gravedad terrestre, es a la que estamos sometidos todos los seres vivos por el hecho de habitar este planeta. Nosotros y todo lo que hay en la Tierra sufrimos diariamente sus consecuencias y vivimos en paz y armonía toda nuestra existencia junto a esta fuerza irresistible.

En otro artículo hablaremos de Newton, la manzana y el descubrimiento de la gravedad.

2 puntos de vista antagónicos

La gravedad es, pues, una fuerza y es también una aceleración. Al dejar caer desde un tercer piso un ladrillo se hace evidente que éste acelera hasta que finalmente se estrella en el pavimento, en el mejor de los casos. ¿Por qué cae el ladrillo? Es más, ¿el ladrillo cae por su propio peso o, más bien, es atraido por la Tierra? La respuesta correcta es la segunda, coloquialmente diríamos "el ladrillo se cayó". Un físico diría "la Tierra atrajo al ladrillo".

Valor constante

De hecho, la Tierra atrae a todos los objetos con la misma fuerza, independientemente de su peso, es decir, atrae con la misma fuerza un papel de fumar que un tomo de 2000 páginas de una enciclopedia. ¿Por qué, entonces, al soltar de forma independiente ambos objetos desde la misma altura, llega antes el pesado tomo de la enciclopedia? Fácil, la explicación está en la fuerza de rozamiento. Ambos objetos están sometidos a la misma fuerza de gravedad, pero también actúa sobre ellos una fuerza que los frena: la fuerza de rozamiento. Ésta, es la causante de que el libro llegue en primer lugar al suelo. En el caso del papel de fumar, la fuerza de rozamiento presenta una oposición al peso de la hoja, lo que hace que ésta baje lentamente. El rozamiento no puede hacer lo mismo con el pesado tomo de la enciclopedia debido a su masa. Por tanto, esta experiencia no es equitativa con el papel. Ya que no disponemos de un laboratorio adecuado para eliminar la fuerza de rozamiento en el experimento, lo justo sería forzar a que el rozamiento actuase con el mismo ímpeto frente a ambos cuerpos. Estaríamos en igualdad de condiciones y entonces la experiencia sí resultaría adecuada. La forma más fácil de conseguirlo sería poniendo el papel de fumar encima del tomo de la enciclopedia. Entonces actuaría sobre ambos la misma fuerza de rozamiento y, por tanto, si alzamos el tomo a cierta altura y lo dejamos caer, nos dará la impresión de que hayamos pegado con pegamento el papel al tomo, pues ambos bajan acelerando al unísono. Al descubierto queda que la atmósfera terrestre no es el laboratorio más idóneo para este tipo de experiencias.

Cálculo de g

Partamos de la Ley de Gravitación Universal de Newton

Sabiendo que en caída libre , entonces tenemos que

con lo que

y aplicando esta fórmula para el caso terrestre con:

tenemos

(Artículo original del 3/05/2002)

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Los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones unidos por la fuerza nuclear fuerte. Si no fuera así, los núcleos atómicos no existirían pues los protones al tener carga eléctrica positiva se repelerían entre ellos, y por lo tanto, sería imposible la existencia de átomos, moléculas y materia de cualquier tipo. Tenemos, pues, mucho que agradecer a la fuerza nuclear fuerte.

No obstante, el impacto de un neutrón lanzado con la suficiente fuerza hacia el núcleo de un átomo puede vencer la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidas a las partículas del núcleo y desencadenar una liberación de energía a la que llamamos "energía nuclear".

Veámoslo con un sencillo gráfico.

Los neutrones (azules en el gráfico) que salen disparados pueden iniciar una reacción en cadena.

Lo característico de este proceso es que la masa del núcleo atómico inicial resulta ser algo mayor que la suma de las masas de los 2 núcleos obtenidos.

¿Dónde está la masa que falta? Está en forma de energía. ¿Es eso posible? Sí. La explicación está en la conocida ecuación relativista. La masa que falta es la fuerza nuclear fuerte que mantiene la cohesión en el núcleo atómico. Es decir que la masa se ha convertido en energía según la ecuación E=mc².Todo esto nos explica porque la fisión de un núcleo de uranio en dos núcleos con una masa total menor liberará una cantidad de energía enorme. Es la base de las bombas atómicas y de su tremendo poder destructivo.

(Artículo original 25/04/2002)

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¿Seremos capaces de descifrar los grandes misterios que envuelven todavía la formación y composición del Universo?

Para tales menesteres, científicos y físicos de todo el mundo trabajan en Suiza con el acelerador de partículas del CERN.

CERN es el acrónimo de Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Es el laboratorio internacional donde fueron descubiertos los bosones W y Z, y donde fue tomando forma el invento más importante del siglo XX para la difusión cultural: la World Wide Web (WWW).

El acelerador del CERN, en las cercanías de Ginebra, está constituido por un tunel subterráneo de forma circular de 27 kilómetros de perímetro.

En su interior hay miles de imanes superconductores en el centro de los cuales discurre un tubo al que se le ha realizado un vacío perfecto y al que se le aplica un campo magnético para que los electrones y positrones (¡bendito Asimov!) de su interior mantengan una trayectoria curva, aumentando su velocidad a base de radiofrecuencia.

Los científicos estudian sus colisiones, tanto de electrones y positrones como de materia y antimateria. Esta es la forma de estudiar el pasado más antiguo que existe: las primeras instantáneas de la creación del Universo

Se materializan pues, los estados primigenios de nuestro Universo, llegándose a representarlo cuando tenía menos de un picosegundo (billonésima de segundo) y se recrean las condiciones que tuvieron lugar en nuestro Universo en regiones extraordinariamente pequeñas del espacio-tiempo.

Este hecho, demuestra que dentro de cualquier corpúsculo de materia ordinaria, quedan restos de nuestro pasado, … de nuestro origen.

Enlaces de interés: Site oficial: CERN Paseo educativo La Aventura de las partículas

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Podemos movernos de diferentes formas y a distintas velocidades:

• paseo tranquilo -3 km/h-
• carrera rápida -12 km/h-
• en el coche -120 km/h-
• en avión -900 km/h-
• en un cohete -12000 km/h-
• …

Pero en ninguna de estas ocasiones observaremos nada especial que se salga de lo que estamos acostumbrados a sentir. De hecho, el hombre no puede superar, de momento, velocidades superiores a las expuestas.

La velocidad de la luz es de, aproximadamente, 300000 km/s. Es la velocidad más rápida, una barrera infranqueable que no puede traspasarse. Una velocidad que los humanos jamás podremos alcanzar.

Veamos sus efectos

El movimiento a velocidades cercanas a la de la luz -c de ahora en adelante- produce curiosos efectos no visibles a las velocidades a la que nos movemos los humanos. A saber:

1. Aumento de masa ( masa)

ecuación de Lorentz

2. Contracción de la longitud

ecuación de FitzGerald

3. Dilatación del tiempo

Fijémonos que a medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, 1 hora se va dilatando, más y más y más …

Comprobando que es gerundio

Todas estas consecuencias derivadas de los velocidades relativistas han sido corroboradas en los aceleradores de partículas, dando, pues, la razón a Einstein y sus teorías.

CERN

En el interior del acelerador de partículas se coloca un electrón (masa=9.11 x 10^-28 gr.) y se va acelerando llegando a alcanzar velocidades cercanas a la de la luz, constatándose perfectamente el de masa en función de la velocidad, tal como indicó en su día Lorentz.

(Artículo original del 29/04/2002)

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¿Cuál es el origen de la famosa fórmula de Einstein?

El origen de la famosa ecuación de Albert Einstein. ¿Nos os habeis preguntado de dónde debe venir esa famosa ecuación que tanta importancia ha tenido en la Ciencia moderna? Este artículo son básicamente 4 o 5 ecuaciones que demuestran el origen y el cálculo de la famosa fórmula que convierte la masa en energía.

Einstein trabajó la ecuación de Lorenz que nos da la masa de los objetos que se mueven a velocidades relativistas.

Observemos que hemos transformado la fórmula por otra que resultará más adecuado para nuestros propósitos.

Ahora no hay raíz. En su lugar tenemos un binomio elevado a un exponente. Si echamos mano del baúl de los recuerdos, repararemos en el famoso "binomio de Newton" para poder desarrollarla.

Los términos en que puede desarrollarse son infinitos y cada uno será menor que el anterior, es o es evidente. Por tanto, sólo tomamos los 2 primeros olvidando el resto, pues la suma de todos ellos será tan pequeña que podemos despreciarla. Nos quedará entonces

y sustituyendo el resultado en la ecuación original obtendremos

y recordemos que mv²(1/2) nos da la energía cinética o de movimiento de un cuerpo de masa m viajando a una velocidad v, luego

E=(1/2)mv²

Siendo m-m₀= aumento de masa, y denominándolo simplemente m, nos queda,

Esta ecuación nos indica que la masa es una forma de energía y que un cuerpo de masa ínfima posee una energía enormemente grande.

Para saber más:

La teoría especial de la relatividad Relatividad para principiantes (merece la pena, es un trabajo buenísimo) Special Relativity

(Artículo original del 1/05/2002)

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Consideraciones

Albert Einstein obtuvo el Premio Nobel de Física en 1921 y no por su Teoría de la Relatividad, ni general ni especial. Lo obtuvo por la demostrar quela "hipótesis cuántica" de Planck podía explicar lo que conoce como efecto fotoeléctrico, es decir, la característica que algunos metales tienen de desprender electrones al ser iluminados. Este artículo data de 1905, cuando Einstein todavía se encontraba en la oficina de patentes en Suiza.

A finales del s. XIX los científicos creían que el espacio estaba lleno de un medio contínuo al que denominaron "éter". De la existencia de este "éter" se justificaba que la velocidad de la luz (c de ahora en adelante) parecería > a un observador en una nave espacial que viajase al encuentro de la luz y < a otro que viajara en la misma dirección. En cambio, no se encontraron diferencias entre la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la órbita terrestre y en la dirección perpendicular a la misma. Estos experimentos fueron realizados por la pareja Michelson-Morley en 1887. Llegaron pues, a la conclusión de que la luz viajaba siempre a la misma velocidad con respecto al observador, fuera cual fuera el movimiento de éste. Tanto si estuviera parado como si se moviera con + o - velocidad y en cualquier dirección.

Einstein, en un artículo publicado en 1905 dijo que si no podemos detectar si nos movemos o no en el espacio, la noción del "éter" como medio en el espacio resultaba redundante y por tanto innecesaria. Como consecuencia de esta afirmación, formuló el postulado de que las leyes de la ciencia deberían parecer las mismas a todos los observadores que se movieran libremente. Por lo tanto, la medición de c no variará en función de quién realice la medición. Será independiente de su movimiento y tendrá el mismo valor en todas las direcciones.

La consecuencia más importante de todo esto, es que el tiempo es una magnitud relativa y cada observador medirá su tiempo, que no debe coincidir con el de los demás, a no ser que ambos estén en la misma situación uno respecto al otro, como por ejemplo, viajando ambos dentro de la misma nave. No así, si viajaran en naves distintas, con dirección, sentido y velocidades distintas.

Los experimentos realizados mandando sendas sondas con sendos relojes muy precisos orbitando alrededor de la Tierra durante una larga temporada en direcciones opuestas (una de este a oeste y otra de oeste a este) , han confirmado estas deducciones teóricas de Einstein al observarse diferencias en los registros de los relojes.

Einstein destronó así, 2 de los principios básicos en los que se sustentaba la Ciencia a finales del s.XIX:

• La existencia del "éter", es decir, la idea del reposo absoluto
• El tiempo absoluto

El primero ya ha quedado ejemplificado anteriormente, en cuanto al segundo, es fácil de entender si nos detenemos a pensar de qué forma una persona dentro de un ascensor puede determinar si éste está parado o acelerando. La respuesta se hace evidente, de ninguna. Las 2 situaciones, reposo relativo y movimiento uniformemente acelerado son indistinguibles. Las experiencias realizadas en un laboratorio en reposo relativo darán los mismos resultados que si viajamos dentro de una nave a 200000 km/s. Si lanzamos verticalmente y hacia arriba una pelota, caerá hacia abajo por la misma vertical que haya subido, tanto en el laboratorio terrestre como en el de la nave, ya que nosotros y todo lo que hay en la nave viaja con ella y a la misma velocidad, con lo que ese movimiento es un estado de equilibrio. Los dos asientos de piloto y copiloto estarán siempre uno al lado de otro y en reposo relativo uno respecto al otro al viajar ambos en la misma nave y a la misma velocidad, pero ese reposo no será tal para el observador que desde la Tierra ve como se aleja la nave y con ella los 2 asientos. En su sistema referencial, los asientos están en movimiento con respecto a él.

Que c sea la misma para cualquier observador implica que nada puede moverse a una velocidad > c

La famosa fórmula E=mc² relaciona la masa y la energía, de hecho las hace equivalentes, lo que implica que si usamos E para acelerar un objeto, su masa aumentará y deberemos incrementar E para poder seguir acelerándolo, por lo que para que un móvil alcance c supondría un aporte infinito de E, lo cual es imposible. Consecuentemente c es imposible de alcanzar, incluso para partículas tan ligeras como puedan ser los electrones. Recordar que los experimentos con aceleradores de partículas han demostrado todas estas afirmaciones manifestadas por Einstein, pero eso es un asunto para tratar en otro artículo.

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Título: El Universo en una cáscara de nuez (en el inglés original "The universe in a nutshell") Autor: Stephen Hawking Editorial: Crítica/Planeta ISBN: 84-8432-293-9

Traducción en castellano del libro (traducción hecha por David Jou) en el que Stephen Hawking describe una de las más preciosas teorías sobre el Universo que se hallan elaborado hasta ahora, explicando desde la base de la teoría de la relatividad y el big bang hasta llevarnos poco a poco al interior de nuestro universo nuez…

Cada vez debemos abrir más nuestras mentes para explorar nuevos horizontes, darnos cuenta que tal vez nuestro universo no es infinito en la manera en que lo concebimos, quizá solo sea demasiado grande, eso aún no podemos afirmarlo. Debemos explorar, buscar bases que nos ayuden a comprender mejor nuestro entorno ¿estarán las respuestas en esa cáscara de nuez? ¡Nuestro universo podría tener 10 u 11 dimensiones! En este libro el tiempo y la historia tienen una forma bien definida, e incluso, la posible forma infinita del universo atrapada en una fina membrana con la forma de una cáscara de nuez se nos podría antojar a un universo fractal. Cómo se expande el conocimiento. Escarbando cada vez más profundo en lugar de ir más lejos tal vez estemos más cerca de hallar la respuesta. Recomiendo mucho este libro, que aunque intenta ser lo más sencillo y evitar los términos científicos, requiere de algunos conocimientos previos para una mayor comprensión. Además, esta vez el universo se nos muestra de una manera en la que no habíamos pensado. Por favor léanlo y maravillense o sorpréndanse por ustedes mismos.

Resumen de los capítulos del libro Capítulo 1 : Breve historia de la relatividad Capítulo 2 : La forma del tiempo Capítulo 3 : El universo en una cáscara de nuez Capítulo 4 : Prediciendo el futuro Capítulo 5 : Protegiendo el pasado Capítulo 6 : ¿Será nuestro futuro como Star Trek o no? Capitulo 7 : Los nuevos universos membrana

En el libro también se recomiendan lecturas adicionales como: Einstein, Albert, The Meaning of Relativity, Princeton, Princeton University Press, 1988 (Traducción al castellano: EL significado de la relatividad, Espasa Calpe, Madrid, 1971) Feynman, Richard, The Character of Physical Law, Cambridge, Mass., MIT Press, 1995 (Traducción al castellano: EL carácter de la ley física, Colección Muy Interesante, Orbis, Barcelona, 1986) Greene, Brian, The Elegant Universe, Londres, Jonathan Cape, 1999 (Traducción al castellano: EL universo elegante, Crítica-Planeta, Barcelona, 2001) Guth, Alan, The Inflationary Universe, Reading, Mass., Addison-Wesley, 1997 Rees, Martin, Our Cosmic Habitat, Princeton, Princeton University Press, otoño 2001 Rees, Martin, Just Six Numbers, Nueva York, Basic Books, 1999 Thorne, Kip, Black Holes and Time Warps, nueva York, Norton, 1994 (Traducción al castellano: Agujeros negros y tiempo curvo, Crítica, Barcelona, 1995) Weinberg, Steven, The first three minutes, Nueva York, Basic Books, 1993 (Traducción al castellano: Los tres primeros minutos del universo, Alianza editorial, Madrid, 1978)

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