Fronteras de la Física en el siglo XXI

442 Pages·2013·19.963 MB·Spanish

by  Octavio Miramontes

Fronteras de la F´ısica en el siglo XXI
Octavio Miramontes y Karen Volke (Editores)
CopIt-arXives
PublishingOpenAccess
withanOpenMind
2013
EstelibrocontienematerialprotegidoporLeyesdeAutor
Todoslosderechosreservados©2013
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FronterasdelaF´ısicaenelSigloXXI/
porOctavioMiramontesyKarenVolke(editores)
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Copit-arXives,Me´xicoDF2013
ISBN:978-1-938128-03-5ebook
1.F´ısicamoderna.2.Cosmolog´ıa3.Astrof´ısica4.F´ısicadealtasenerg´ıas
5.Informacio´n3.Estructuradelamateria4.F´ısicanolineal
6.SistemasComplejos7.F´ısicaestad´ıstica8.F´ısicame´dica
9.Materiales10.Nanociencias11.O´pticaymicromanipulacio´n
11.F´ısicaysociedad12.Econof´ısica13.Feno´menoscolectivos
ISBN:978-1-938128-03-5ebook
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apoyodecidido.ManuelTorresLabansat,EugenioLeyKoo,IgnacioGarzo´n,PedroMira-
montes,LuisFelipeRodr´ıguez,GustavoMartinezMekler,CarlosMej´ıaMonasterio,Luis
Mocha´n, Alberto Gu¨ijosa, Fernando Ramirez, Alejandro Raga, Luis Urrutia, Rocio Ja´ure-
gui, Shahen Hacyan, Jose´ Ignacio Jime´nez y Eliane Ceccon. Gracias especiales para Sven
Siegmund (Leipzig) por proporcionar el formato proceedings.cls que se ha usado en el
estilodeestelibro.
LoseditoresagradecenelapoyodeDGAPA-UNAMproyectoPAPIITIN-101712.

´
Indice general
Autores IX
Pro´logo XIII
Introduccio´n XV
Origen,Evolucio´nyEstructuradelaMateria 1
VladimirAvila-Reese UnUniversoenevolucio´n 3
1. Prea´mbulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. ElUniversohomoge´neo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.Dina´micaygeometr´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.Historiate´rmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.Inflacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.Radiacio´nCo´smicadeFondoenMicroondas(RCFM) . . . . . . . . . . . 10
3. ElUniversoinhomoge´neo:formacio´ndeestructuras . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.Evolucio´nlinealdelasperturbaciones:Materiaoscuraexo´tica(MO). . . 13
3.2.Evolucio´nnolinealdelasperturbaciones:elUniversoencomputadora 15
4. E´xitosyretosafuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.Medicionesdelospara´metroscosmolo´gicos . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2.Consistenciaypredicciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.Retosamedianoplazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5. PerspectivasyEp´ılogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6. Algunaslecturasrecomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
GenaroToledo Lamateriaysusnuevasestructuras 29
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2. Atomismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3. Laestructuradela´tomoylaestructuranuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4. Comportamientodeloscomponentesdela´tomo . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5. Elsurgimientodelaideadepartones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
I
II I´NDICEGENERAL
6. Lainteraccio´nfuertecomoteor´ıadenorma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7. HiperoneseHipernu´cleos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8. Estadosexo´ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
9. Materiaencondicionesextremas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
10. Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
11. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
MyriamMondrago´n F´ısicadealtasenerg´ıas 45
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2. Altasenerg´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3. ElModeloEsta´ndardelaspart´ıculaselementales . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Renormalizabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Interaccionesfundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Materiayanti-materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Boso´ndeHiggsyrenormalizabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Materiaobscura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4. Misteriossinresolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5. Ma´sAlla´ delModeloEsta´ndar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Ma´ssimetr´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6. Fronterasdelaf´ısicadealtasenerg´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
FronteradelaEnerg´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
FronteradelaIntensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
FronteradelCosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
MiguelAlcubierre AgujerosNegros 75
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2. Gravitacio´nygeometr´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3. Relatividadespecial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4. Relatividadgeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5. CurvaturaylasecuacionesdecampodeEinstein . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6. Lasolucio´ndeSchwarzschildylosagujerosnegros . . . . . . . . . . . . . . 84
7. Agujerosnegrosgenerales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8. Agujerosnegrosastrof´ısicosycolapsogravitacional . . . . . . . . . . . . . . 89
9. Comoverloinvisible:lasondasgravitacionales . . . . . . . . . . . . . . . . 91
10. ¿AgujerosnegrosenSuiza? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Sau´lRamos-Sa´nchez Eluniversodelassupercuerdas 95
1. Gestacio´nderevolucionescient´ıficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2. Eldespertardelassupercuerdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
I´NDICEGENERAL III
3. Ma´squeso´locuerdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4. Nuestrouniversohechodecuerdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5. Dualidadhologra´fica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6. LassupercuerdasenMe´xicoysufuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
ElMundodeloPequen˜o 115
CarlosVillarreal FuerzasdeCasimir 117
1. OrigendelasfuerzasdeCasimir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2. FuerzadeCasimirentreplacasconductorasideales . . . . . . . . . . . . . . 120
3. FuerzasdeCasimirencavidadesconductoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4. Pisto´ndeCasimir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5. FuerzasdeCasimirenmaterialesdispersivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6. FuerzasdeCasimirelectro´nicasyacu´sticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7. EfectoCasimirensistemasnoinerciales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8. Perspectivas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
9. Algunaslecturasrecomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
KarenVolke Laluzsobreelmicromundo:Unlaboratorioenunchip 135
1. Delaminiaturizacio´ntecnolo´gicaalLab-en-un-Chip . . . . . . . . . . . . . 135
2. Lamicromanipulacio´nconluz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3. Retosyavancesenlaste´cnicasdedeteccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4. Investigacio´nmultidisciplinariaysistemasintegrados . . . . . . . . . . . . . 155
5. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
CeciliaNoguez F´ısicaalaescalananome´trica 161
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2. ¿Que´ esnanociencia?¿Que´ esnanotecnolog´ıa? . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3. Plasmo´nica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4. Aplicacionesdelaplasmo´nica:Estadoactualyperspectivas . . . . . . . . . 169
5. Cuandoelfuturodelananotecnolog´ıanosalcance . . . . . . . . . . . . . . . 175
6. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
RosarioParedes Materiaultrafr´ıa 177
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2. LaF´ısicaEstad´ısticadelaCondensacio´ndeBose . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3. Condensacio´ndeBose-Einsteinenunlaboratorio . . . . . . . . . . . . . . . 179
Enfriamientola´ser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Enfriamientoporevaporacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4. GasdegeneradodeFermienunlaboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
IV I´NDICEGENERAL
5. Gasesultrafr´ıosconinteraccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6. Atomosfr´ıos:Unlaboratoriocua´ntico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
CondensadosdeBoseenredeso´pticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
CruceBEC-BCSenungasdefermionesinteractuantes . . . . . . . . . . . . 189
7. Elretodeunacomputadoracua´ntica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
CarlosPineda Informacio´ncua´ntica 195
1. Historiayalgunosprerrequisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
2. Desarrolloactualyperspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3. Desarrolloafuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
LaMateriaCompleja 209
OctavioMiramontes Evolucio´nymateriacompleja 211
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
2. Origenyevolucio´ndelamateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3. Emergenciaeinterdisciplina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4. Laf´ısicadelaemergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5. Desequilibrio,fluctuacionesyautoorganizacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6. Sintregua:laevolucio´ndelamateriaesinevitable . . . . . . . . . . . . . . . 219
Lamateriacomplejayelco´mputoemergente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7. Lamateriacomplejaviva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8. Elfuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
LucasLacasa Redes,Interacciones,Emergencia 233
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
2. Redescomplejas:definicionesyejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Losinicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Ejemplosderedescomplejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Medidasclave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
3. Estructuraydina´mica:propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
RedesSmall-World:elmundoesunpan˜uelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
ElmodelodeWatts-Strogatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Redeslibresdeescala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Asortatividad:unproblemadema´ximaentrop´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . 246
4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Feno´menosdepropagacio´n:epidemias,apagonesyextinciones . . . . . . . 247
Robustezfrenteaataques:elcasodeunaredtro´fica . . . . . . . . . . . . . . 248
I´NDICEGENERAL V
Navegacio´nenredyalgoritmosdebu´squeda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5. Perspectivasdefuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
BartoloLuque Nu´meroscr´ıticosautoorganizados 253
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
2. Criticalidadautoorganizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Pilasdearena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
3. Pilasdenu´meros:conjuntosprimitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Cuentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4. Retroalimentandolateor´ıadenu´merosylossistemascomplejos . . . . . . . 263
5. An´ımateaexplorarportucuenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
DenisBoyer Procesosdifusivos:demole´culasaanimales 267
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
2. Difusio´nsimple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
CaminatasaleatoriasyTeoremaL´ımiteCentral . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Propiedadesdeprimerpaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Nu´merodesitiosdistintosvisitadosyprocesosdeaniquilacio´n . . . . . . . 273
3. Movilidaddeorganismoscomplejos:perspectivaspresentesyfuturas . . . 275
Ma´salla´ deladifusio´nsimple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Biolog´ıaymodelosbasadosenagentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
5. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
FranciscoJ.Sevilla Movilidadyagentes 289
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
2. Feno´menoscolectivos:losefectosdeinteraccio´nentreagentes . . . . . . . . 292
3. Sistemasdeagentesbrownianosautopropulsados . . . . . . . . . . . . . . . 295
Autopropulsio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Transicionesdefaseenunsistemadepart´ıculasautopropulsadas. . . . . . . 297
4. Direccionesfuturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
5. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
F´ısicaInterdisciplinaria 307
GerardoGarc´ıaNaumis F´ısicaySociedad 309
1. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
2. Econof´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Repartoderiquezaenunmundoderecursoslimitados . . . . . . . . . . . . 314
Termodina´micadelariqueza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
VI I´NDICEGENERAL
3. Sociof´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Transicionesdetiposocial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Conflictosyformacio´ndealianzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
4. Ana´lisisdelassociedadesmedianteleyesfundamentalesdelaf´ısica . . . . 333
Elgranbalancedeenerg´ıayentrop´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Lacivilizacio´nhumanaenelUniverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
5. Eldilemadelfuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
6. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
AnaM.ContrerasyHerna´nLarralde Econof´ısica 341
1. ¿Deque´ setratalaEconom´ıa? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
2. LospuentesentrelaF´ısicaylaEconom´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
3. ¿Que´ estudialaEconof´ısica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Finanzascuantitativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Teor´ıadejuegosyeljuegodeminor´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
¡Ymuchoma´s! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
4. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
MercedesRodr´ıguez F´ısicaMe´dica 359
1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
2. Introduccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
3. ¿Que´ eslaf´ısicame´dica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Laf´ısicame´dica,¿profesio´nodisciplinacient´ıfica? . . . . . . . . . . . . . . . 361
Tresdescubrimientosclave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
4. Imagenolog´ıame´dica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
Formacio´ndeima´genesplanasconrayosX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Tomograf´ıaComputarizada(CT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5. Radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
Teleterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
RadioterapiadeIntensidadModulada(IMRT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Hadronterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
6. Elpresenteyfuturodelaf´ısicame´dicaenMe´xico . . . . . . . . . . . . . . . 373
Infraestructuraparaeltratamientodeca´ncerenMe´xico . . . . . . . . . . . . 373
Estad´ısticasdelInstitutoNacionaldeCancerolog´ıa(INCan) . . . . . . . . . 373
Losf´ısicosme´dicoscl´ınicosylainvestigacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Investigacio´nenf´ısicame´dica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
ElfuturodelPETenMe´xico–unejemploaseguir . . . . . . . . . . . . . . . 377
7. Tendenciasglobales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Tratamientopersonalizadodelca´ncer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Explotandoelpotencialdelaantimateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
8. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381