El 29 de mayo de hace cien años el Sol se eclipsó en Isla Príncipe y en Sobral y se confirmó la Teoría de la Relatividad General

Como señala el Prof. José Adolfo de Azcárraga, presidente de la RSEF, en su libro En torno a Albert Einstein, su ciencia y su tiempo, la teoría einsteniana contenía una predicción espectacular: la luz también poseía ‘peso’, es decir, debía ser atraída y desviada por los cuerpos celestes». Puesto que la equivalencia entre aceleración y gravedad se extiende a los fenómenos electromagnético y la luz es una onda electromagnética, los rayos luminosos deberían curvarse en presencia de un campo gravitatorio. Einstein ya se dio cuenta de que la única forma de verificar experimentalmente su predicción teórica era durante un eclipse total de Sol que permitiría fotografiar una estrella cercana al Sol, sin la presencia de la potente luz solar. Pues bien, el 29 de mayo de 1919 habría un eclipse de Sol, total desde algunos puntos de la superficie terrestre, lo que haría posible verificar esta curvatura de los rayos de luz.

El primero en darse cuenta que el eclipse del 29 de mayo de 1919 era una oportunidad única para verificar la teoría de Einstein fue Frank Dyson (1868-1939), astrónomo real británico y director del Royal Greenwich Observatory. El astrónomo británico Arthur Eddington (1882-1944), científico de prestigio, cuáquero devoto, pacifista convencido, director del Cambridge University Observatory y uno de los pocos que en aquellos años entendía la relatividad general de Einstein, publicó en marzo de 1919 en la revista The Observatory el artículo “The total eclipse of 1919 May 29 and the influence of gravitation on light”. En este artículo afirmaba que el eclipse de Sol del 29 de mayo de 1919 sería una oportunidad excepcional para estudiar la influencia del campo gravitatorio del Sol sobre un rayo luminoso proveniente de una estrella y así verificar la predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein publicado en noviembre de 1915. Según esta teoría los rayos luminosos rasantes a la corona solar deberían sufrir una desviación de 1.74 segundos de arco. Eddington también afirmaba que si se pudieran tomar fotografías del eclipse, éstas podrían compararse con las que ya se habían tomado con los telescopios de Greenwich y Oxford, que mostraban las mismas estrellas en sus posiciones reales, sin la posible distorsión debida al campo gravitatorio del Sol. En este artículo Eddington también señalaba que si la gravitación actúa sobre la luz, el momento lineal de un rayo luminoso cambiará gradualmente de dirección debido a la acción de la fuerza gravitatoria, del mismo modo que sucede con la trayectoria de un proyectil. Según la mecánica newtoniana la luz debería sufrir una desviación angular de 0.87 segundos de arco, es decir, la mitad de la desviación predicha por la relatividad general.

Para intentar comprobar la desviación de los rayos de luz por un campo gravitatorio se llevaron a cabo dos expediciones científicas británicas que emulaban a las de Malaspina, Cook y La Pérouse del siglo XVIII, la expedición Challenger y la de Darwin a bordo del Beagle en el siglo XIX o a la expedición británica antártica –conocida como expedición Discovery– de principios del siglo XX en la que participaron figuras como Ernest Shackleton o el malogrado Robert Scott. Estas expediciones fueron organizadas por la Royal Astronomical Society.

Frank Dyson fue el responsable de organizar ambas expediciones y cada una de ellas se dirigió a un lugar próximo al Ecuador terrestre. El eclipse no era visible en Europa y aunque podía observarse como parcial desde la mayor parte de Sudamérica y África, sólo era total si se observaba desde una estrecha franja que desde el océano Pacífico, atravesaba Brasil, el océano Atlántico y el África Ecuatorial hasta el océano Índico. Una expedición encabezada por Charles Davidson, asistente de Dyson en el observatorio de Greenwich, puso rumbo a Sobral, en el estado de Ceará, en la costa noreste de Brasil, y otra encabezada por el propio Arthur Eddington a Isla del Príncipe, entonces perteneciente a Portugal y que hoy forma parte de un pequeño país llamado Santo Tomé y Príncipe, en el Golfo de Guinea, y se estableció en una plantación de cacao en Roça Sundy. Ambas expediciones partieron en marzo de Gran Bretaña por lo que llegaron con tiempo de sobra a su destino para hacer todos los preparativos necesarios para una correcta observación del eclipse. Éste duró 6 minutos y 51 segundos, uno de los más largos del siglo XX. Durante el eclipse se tomaron un gran número de fotografías de estrellas alrededor de la corona del Sol (que normalmente no se verían a causa de su potente luz) y cuyo posterior estudio necesitó de varios meses. Eddington fue el responsable del análisis de los datos tomados en la Isla del Príncipe, mientras que Dyson lo fue de los de Sobral.

Frank Dyson (izquierda) y Arthur Eddington (derecha). Credit: AIP Emilio SegrË Visual Archives, W. F. Meggers Collection

Frank Dyson (izquierda) y Arthur Eddington (derecha). Credito: AIP Emilio Segrè Visual Archives, W. F. Meggers Collection.

Según la teoría de la relatividad general los rayos de luz que pasan cerca del Sol deben desviarse ligeramente, porque la luz se curva debido al campo gravitatorio del Sol. Este efecto se puede observar experimentalmente sólo durante los eclipses, ya que de lo contrario el brillo del Sol oscurece las estrellas afectados. Se compararon las posiciones reales y aparentes de unas trece estrellas y la conclusión fue tajante: el análisis de las medidas obtenidas de la desviación de los rayos de luz confirmaba la influencia del campo gravitatorio sobre la luz, tal y como predecía la teoría de Einstein. Se había verificado una de las predicciones teóricas más espectaculares que se haya hecho jamás y además tan sólo cuatro años después de haberse realizado. El físico, matemático y divulgador científico estadounidense Joseph P. McEvoy en su libro Eclipse publicado en 1999 señala que “una nueva teoría del universo, la creación de un judio alemán que trabajaba en Berlín, fue confirmada por un cuáquero inglés en una pequeña isla africana”. Eddington consideró que la verificación experimental de la desviación de un rayo luminoso por el campo gravitatorio del Sol, que ya vislumbró a través de un primer análisis de sus placas fotográficas cuando todavía se encontraba en la Isla del Príncipe, había sido el mejor momento de su vida.

Negative of the 1919 solar eclipse taken from the report of Arthur Eddington. Eddington highlighted the stars he used in the comparison with horizontal marks; these can be seen inside the red circle.

Negative de la fotografía del eclipse solar de 1919 tomado del informe de Eddington. Marcó las estrellas que utilizó en la comparación con marcas horizontales, que pueden verse dentro del círculo rojo.

Eddington, junto con Dyson y Davidson, publicó los resultados de las medidas tomadas en las islas Sobral y de Príncipe en enero de 1920 en un artículo titulado “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Solar eclipse of May 29, 1919” –que habían enviado el 30 de octubre de 1919– y fueron la prueba concluyente que validaba la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. El 7 de noviembre de 1919 el periódico londinense The Times anunciaba a bombo y platillo: «Revolution in science/new theory of the universe/newtonian ideas overthrown» (Revolución en la ciencia/nueva teoría del universo/las ideas newtonianas derrocadas). Tres días después, el 10 de noviembre de 1919 el New York Times publicaba «Light All Askew in the Heavens/Men of Science More or Less Agog Over Results of Eclipse Observations/Einstein Theory Triumphs» (Luces colgando en el cielo/Hombres de ciencia más o menos excitados por los resultados de las observaciones del eclipse/La teoría de Einstein triunfa).

Pero del éxito de la expedición y de sus conclusiones no sólo se hicieron eco los periódicos británicos y estadounidenses. Casi en las antípodas de la Gran Bretaña, el periódico australiano Western Argus en su página 2 publicaba también el 20 de enero de 1920 «Revolution in science/new theory of the universe».

Las expediciones a Sobral e Isla del Príncipe así como los resultados de las medidas tomadas durante el eclipse total de Sol del 29 de mayo de 1919 habían traspasado las fronteras y no sólo de los países sino también entre los científicos y el gran público convirtiendo a Einstein en un personaje de alcance planetario y catapultándolo a la fama. Había nacido una estrella gracias a la determinación experimental de la desviación de la luz de otras estrellas.

Einstein y Eddington solo se conocieron por primera vez años después del final de la Primera Guerra Mundial.

MÁS INFORMACIÓN

A. Azcárraga, En torno a Einstein, su ciencia y su tiempo (Publicaciones de la Universidad de Valencia, 2007).

A. Beléndez, “Un eclipse para confirmar la Teoría de la Relatividad General” (BBVA OpenMind, 20 de julio de 2015).

A. S. Eddington, “The total eclipse of 1919 May 29 and the influence of gravitation on light”, The Observatory, Vol. 42, p. 119-122 (1919).

W. Dyson, A. S. Eddington, C. R. Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Solar eclipse of May 29, 1919”, Philosophical Transactions of the Royal Society A 220 (571-581): 291–333 (1920).

D. Kennefick, “Testing relativity from the 1919 eclipse—a question of bias”, Physics Today 62(3), 37 (2009).

R. Ellis, P. G. Ferreira, R. Massey and G. Weszkalnys, “90 years on — the 1919 eclipse expedition at Príncipe”, Astronomy & Geophysics 50 (4), pp. 4.12-4.15 (2009).

C. el Puerto, “La utilidad de lo inútil. La Relatividad General”, IAC, Vía Láctea, s/n, El Blog, 19-08-2014 (consultado el 28-05-2015).

X. Roqué, “Einstein y la prensa. La construcción de un icono científico contemporáneo”, Mètode Núm. 48, Invierno 2005/06.

J. P. McEvoy, Eclipse: The Science and History of Nature’s Most Spectacular Phenomenon (Fourth Estate Ltd, 1999).

M. Arthur Eddington, el hombre hizo famoso a Albert Einstein al demostrar la Teoría de la Relatividad (BBC News, 25 de mayo de 2019).

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May 16th, 2020: The Laser Turns 60!

In 1960 the laser, one of the most important and versatile scientific instruments of all time, was invented. It was on 16 May 1960, that the North American physicist and engineer, Theodore Maiman (1927-2007), obtained the first laser emission.

Theodore Maiman (1927-2007), winner of the Wolf Foundation Prize in Physics, 1983 Credit: AIP Emilio Segre Visual Archives.

This date is therefore of great importance not only for those of us who carry out research in the field of optics and other scientific fields, but also for the general public who use laser devices in their daily lives. CD, DVD and Blu-ray players, laser printers, barcode readers, and fibre-optic communication systems that connect to the worldwide web and Internet are just a few of the many examples of laser applications in our daily life. Lasers also have a range of important biomedical applications; for example they are used to correct myopia, treat certain tumours and even whiten teeth, not to mention the beauty clinics that continually bombard us with advertisements for laser depilation, which has become so popular nowadays. However, the laser is of great importance not only due to its numerous scientific and commercial applications or the fact that it is the essential tool in various state-of-the-art technologies but also because it was a key factor in the boom experienced by optics in the second half of the last century. Around 1950 optics was considered by many to be a scientific discipline with a great past but not much of a future. At that time, the most prestigious journals were full of scientific papers from other branches of physics. However, this situation changed dramatically thanks to the laser which led to a vigorous development of optics. It is indisputable that the laser triggered a spectacular reactivation in numerous areas of optics and gave rise to others such as optoelectronics, non-linear optics or optical communications.

spie.org/laser60

This date is therefore of great importance not only for those of us who carry out research in the field of optics and other scientific fields, but also for the general public who use laser devices in their daily lives. CD, DVD and Blu-ray players, laser printers, barcode readers, and fibre-optic communication systems that connect to the worldwide web and Internet are just a few of the many examples of laser applications in our daily life. Lasers also have a range of important biomedical applications; for example they are used to correct myopia, treat certain tumors and even whiten teeth, not to mention the beauty clinics that continually bombard us with advertisements for laser depilation, which has become so popular nowadays. However, the laser is of great importance not only due to its numerous scientific and commercial applications or the fact that it is the essential tool in various state-of-the-art technologies but also because it was a key factor in the boom experienced by optics in the second half of the last century. Around 1950 optics was considered by many to be a scientific discipline with a great past but not much of a future. At that time, the most prestigious journals were full of scientific papers from other branches of physics. However, this situation changed dramatically thanks to the laser which led to a vigorous development of optics. It is indisputable that the laser triggered a spectacular reactivation in numerous areas of optics and gave rise to others such as optoelectronics, non-linear optics or optical communications.

What is a laser? 

It is a device capable of generating a light beam of a much greater intensity than that emitted by any other type of light source. Moreover it has the property of coherence, which ordinary light beams usually lack. The angular dispersion of a laser beam is also much smaller and so when a laser ray is emitted and dispersed by the surrounding dust particles it is seen as a narrow straight light beam. But let us leave to one side the specialized technical points, more suitable to other types of publications, and concentrate on aspects of the invention of the laser which are no less important and no doubt of greater interest to the general public. The word laser is actually an acronym for “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” and was coined in 1957 by the American physicist Gordon Gould (1920-2005), working for the private company Technical Research Group (TGR), who changed the “M” of Maser for the “L” of Laser. In the image below, the phrase “some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” may be seen (Gordon Gould’s manuscript, 1957).

First page of Gordon Gould’s 1957 lab notebook where he defines the term ‘laser’. Credit: (AIP Emilio Segre Visual Archives.

The origins of the development of the laser may be found in a paper by Albert Einstein (1879-1955) on stimulated emission of radiation in 1916 («Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie», Emission and absorption of radiation in Quantum Theory). But it was an article published on 15 December 1958 by two physicists, Charles Townes (who died on 27 January of 2015 at the age of 99) and Arthur Schawlow (1921-1999) titled  “Infrared and Optical Masers” that laid the theoretical bases enabling Maiman to build the first laser at the Hughes Research Laboratories (HRL) in Malibu, California in 1960. Maiman used as the gain medium a synthetic ruby crystal rod  one centimeter long with mirrors on both ends and so created the first ever active optical resonator. It is probably not general knowledge that the Hughes Research Laboratories was a private research company founded in 1948 by Howard Hughes (1905-1976), eccentric multimillionaire, aviator, self-taught engineer, Hollywood producer and entrepreneur, played by Leonardo DiCaprio in the film “The Aviator” directed by Martin Scorsese in 2004.

The executives of the Hughes Research Laboratories gave Maiman a deadline of nine months, 50,000 dollars and an assistant to obtain the first laser emission. Maiman was going to use a movie projector lamp to optically excite the gain medium but it was his assistant, Irnee D’Haenes, who had the idea of illuminating the ruby crystal with a photographic flash.

Charles H. Townes (left) and Arthur Leonard Schwalow (right). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez.

When he obtained the first laser emission, Maiman submitted a short article to the prestigious physics journal the Physical Review. However, it was rejected by the editors who said that the journal had a backlog of articles on masers –antecedent of the laser in the microwave region and so had decided not to accept any more articles on this topic since they did not merit prompt publication. Maiman then sent his article to the prestigious British journal, Nature, which is even more particular than the Physical Review. However it was accepted for publication and saw the light (excuse the pun) on 6 August 1960 in the section Letters to Nature under the title “Stimulated Optical Radiation in Ruby”, with Maiman as its sole author. This article which ran to barely 300 words and took up the space of just over a column may well be the shortest specialized article on such an important scientific development ever published. In a book published to celebrate the centenary of the journal Nature, Townes described Maiman’s article as “the most important per word of any of the wonderful papers” that this prestigious journal had published in its hundred years of existence. After Maiman’s article was officially accepted by Nature, the Hughes laboratories announced that the first working laser had been built in their company and called a press conference in Manhattan on 7 July 1960.

In a very short time the laser stopped being a simple curiosity and became an almost unending source of new scientific advances and technological developments of great significance. In fact the first commercial laser came on the market barely a year later in 1961. In the same year the first He-Ne lasers, probably the most well known and widely used lasers ever since, were commercialized. In these early years between 1960 and 1970 none of the researchers working on developing the laser –the majority in laboratories of private companies such as those of Hughes, IBM, General Electric or Bell- could have imagined to what extent lasers would transform not only science and technology but also our daily life over the subsequent 60 years.

On May 16, 2020, we  celebrate the 60th Anniversary of Maiman’s monumental accomplishment in conjunction with the International Day of Light.

He-Ne laser illuminating an optical set-up formed by two holographic lenses in the Optics laboratory at the University of Alicante. The University of Alicante was one of the pioneer universities in Spain in the application of laser to research. / Augusto Beléndez, Variable holographic filter (1988).

 

“55th anniversary of the laser’s invention”: Published in IYL2015 BLOG (May 27th, 2015)

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Videoconferencia 16 de mayo a las 16:00 h: Maxwell y la Teoría Electromagnética de la Luz

El sábado 16 de mayo de 2020 a las 16:00 (hora española) y con motivo de la celebración del Día Internacional de la Luz, impartiré la videoconferencia “Maxwell y la teoría electromagnética de la luz” organizada por el Club de Astronomía Villa Mercedes, San Luis (Argentina).

Esta videoconferencia también está incluida dentro de las “actividades de extensión universitaria que refuercen la docencia oficial”, de acuerdo a lo señalado en programa DOCENTIA,  correspondiente a la asignatura Electromagnetismo II del Grado en Física de la Universidad de Alicante (curso 2019-20). La figura de James Clerk Maxwell aparece en todos los temas de la asignatura.

James Clerk Maxwell es uno de los científicos más importantes de la historia de la ciencia y sin embargo es bastante desconocido para el gran público. En 1865 ve la luz el artículo “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” que contiene las ecuaciones de Maxwell, la predicción teórica de la existencia de las ondas electromagnéticas y la teoría electromagnética de la luz. Tomando como punto de partida este trabajo se hace una breve referencia al papel fundamental, por una parte de Young y Fresnel en la aceptación de la teoría ondulatoria de la luz, y por otra al de Oersted, Ampère y Faraday en la unificación electromagnética. A continuación nos centramos en la vida de James Clerk Maxwell, uno de los científicos más importantes de la historia de la Física, así como en algunas de sus contribuciones a la Física. Todo ello para concluir con la ‘síntesis’ de Maxwell de la luz, electricidad y magnetismo, que permitió desarrollar la teoría electromagnética de la luz, así como abrir las puertas a dos de los cambios de paradigma más importantes de la Física del siglo XX:la teoría de los cuantos de Planck y la teoría de la relatividad especial de Einstein.

VÍDEO DE LA CONFERENCIA

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Día Internacional de la Luz: Retos de la Óptica

La Óptica es la parte de la Física que se ocupa de la luz visible y de otras ondas electromagnéticas. La luz posee una “doble personalidad”, a veces se comporta como una onda y otras lo hace como corpúsculos o paquetes discretos de energía llamados fotones, lo que se denomina “dualidad onda-corpúsculo”. Por analogía con el término Electrónica, en los últimos años se ha acuñado el término Fotónica. Aunque a menudo los términos Óptica y Fotónica se utilizan indistintamente, en ocasiones se usa este último cuando se quiere destacar la naturaleza corpuscular de la luz. El número de dispositivos y sistemas que operan con luz es cada vez mayor y se aplican en áreas muy diversas, todos ellos constituyen las “tecnologías basadas en la luz”.

Hoy en día la Óptica y sus tecnologías han salido de las universidades y de los laboratorios de investigación y forman parte de nuestra vida cotidiana. Las encontramos en hospitales e industrias de todo tipo. Compensan nuestra visión y la mejoran. Con ayuda de las fibras ópticas transportan nuestras conversaciones telefónicas, llevan las imágenes a nuestros televisores y conectan nuestros ordenadores a internet. Están en las pantallas de nuestros teléfonos móviles, en los lectores de códigos de barras y códigos QR, así como en los reproductores de audio y vídeo. Se hallan en sistemas de impresión, visión artificial, iluminación LED y de seguridad como los hologramas de billetes y tarjetas de crédito. Es evidente que las tecnologías basadas en la luz afectan a cada día de nuestras vidas.

El láser, uno de los instrumentos científicos más importantes y versátiles que se hayan inventado jamás, reactivó la Óptica de forma explosiva a partir de 1960. Esta fuente de luz coherente hizo entrar en una auténtica ebullición al mundo científico, permitiendo descubrir nuevos fenómenos ópticos y dando lugar a un sinfín de aplicaciones inimaginables hasta entonces.

La Óptica se ha convertido en una de las disciplinas científicas con uno de los futuros más estimulantes y prometedores. Las industrias relacionadas con la luz son auténticos motores económicos que mueven trescientos mil millones de euros en todo el mundo. Hoy el reto fundamental de la Óptica es satisfacer las necesidades humanas en múltiples vertientes. Tiene que ser capaz de dar acceso a la información de forma rápida y facilitar las comunicaciones lo que requiere que la próxima generación de redes ópticas funcione con mayor ancho de banda. Es necesario fabricar nuevas fuentes de luz más eficientes que proporcionen una iluminación económica y de larga duración. La aplicación de las tecnologías basadas en la luz en biomedicina está abriendo nuevas posibilidades en numerosos campos: diagnóstico médico, terapia, cirugía, imagen biomédica y tecnología clínica. Hoy en día se utilizan numerosos sensores ópticos como los pulsioxímetros y se espera desarrollar otros, por ejemplo para determinar el nivel de glucosa en sangre por métodos no invasivos.

La Óptica y sus tecnologías están llamadas a ayudar a preservar el patrimonio cultural, promover el desarrollo sostenible y aumentar la salud y el bienestar social. Tienen el reto de aportar nuevas soluciones a los problemas mundiales en campos como la energía, la educación, la agricultura, la sanidad y el medioambiente. Ya se habla de la Fotónica “verde”, cuyos retos son el desarrollo de sistemas ópticos para la generación de energía limpia y renovable, los dispositivos de iluminación de bajo consumo y el uso de materiales y componentes ópticos respetuosos con el medio ambiente.

Prueba de lo que se espera de las tecnologías basadas en la luz es el Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea, el cual considera a la Fotónica como una de las tecnologías facilitadoras esenciales junto con la micro y nanoelectrónica, materiales avanzados, biotecnología industrial, nanotecnología y sistemas de fabricación avanzados.

La Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó el 16 de mayo como Día Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz para poner de manifiesto el papel fundamental que la luz y sus tecnologías desempeñan en todas las actividades humanas: ciencia, ingeniería, arquitectura, medicina, comunicaciones, cultura, arte, ocio, etc.

El Grupo de Holografía y Procesado Óptico, integrado en el Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y Tecnologías de la Universidad de Alicante, desarrolla una intensa actividad investigadora en el campo de la Óptica en áreas como los materiales ópticos medioambientalmente compatibles, las memorias holográficas, la generación de dispositivos fotónicos en fotopolímeros utilizando arquitecturas híbridas óptico-digitales, la caracterización de materiales de registro holográfico o el estudio de la propagación de la radiación electromagnética en medios periódicos.

Es indudable que el estudio de la luz y sus tecnologías se ha convertido en una disciplina transversal clave de la ciencia y la tecnología del siglo XXI. Al igual que a veces se ha denominado al siglo XX como el “siglo de la Electrónica”, quizás el siglo XXI sea el “siglo de la luz”, fundamentalmente gracias a los avances en Óptica y Fotónica acaecidos en los últimos cincuenta años.

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Los científicos no estudian la naturaleza porque sea útil…

“Los científicos no estudian la naturaleza porque sea útil; la estudian porque les place, y les place porque es bella. Si la naturaleza no fuese bella, no valdría la pena conocerla, no valdría la pena vivir la vida”.

Henri Poincaré (1854-1912)

Henri Poincaré (1854-1912). Créditos: Wikipedia.

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