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Fisica

Vivere vicino a un buco nero supermassiccio

In linea teorica, intorno ai buchi neri – compresi quelli supermassicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie – potrebbero esistere dei pianeti, e persino dei pianeti che ospitano forme di vita. Sarebbe pericoloso, ovviamente, ma potrebbe anche essere divertente!

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Cortesia NASA/JPL-Caltech

Fin dagli anni novanta sappiamo che ci sono pianeti intorno alle pulsar, oggetti straordinariamente densi nati da violente esplosioni delle stelle. È quindi ragionevole supporre che i pianeti possano esistere anche intorno ai buchi neri: i quali, e questo forse sorprenderà molte persone, in effetti hanno un impatto sull’ambiente molto più debole rispetto alle pulsar.

È anche possibile che su alcuni di questi pianeti si possa formare la vita, dato che sulla Terra gli organismi si sono adattati a condizioni estreme, tra cui calore estremo, freddo gelido, ambienti acidi, altamente salati e persino radioattivi.

Pianeti abitati potrebbero esistere vicino ai buchi neri supermassicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie. La nostra galassia, la Via Lattea, ospita un buco nero la cui massa è pari a quella di quattro milioni di stelle. Conosciuto come Sgr A* (Sgr sta per Sagittarius), la sua orbita circolare stabile più interna (ISCO, Innermost stable circular orbit) ha approssimativamente le dimensioni dell’orbita di Mercurio intorno al nostro Sole.

Allora, come sarebbe la vita su un pianeta del genere?

Prima di affrontare i molti rischi per la salute della vita in prossimità di un buco nero, dovremmo considerare i benefici. Se le civiltà si formano o migrano nelle vicinanze dei buchi neri, cosa potrebbero fare per divertimento e per profitto? Mi vengono in mente le seguenti 10 attività principali:

– Usare il buco nero come fonte di energia pulita scaricando rifiuti attraverso il disco di accumulazione della materia che gli gira intorno. Nel caso di un buco nero che ruoti molto velocemente, sarebbe possibile convertire in radiazione fino al 42 per cento della massa a riposo di questo “cestino della spazzatura”, purché sia situato in corrispondenza dell’orbita circolare stabile più interna.

– Accoppiare qualche dispositivo ingegnerizzato allo spin del buco nero, come un gigantesco volano da cui poter ricavare l’energia di spin.

– Navigare con vele a radiazione su jet relativistici a velocità che si avvicinano a quelle della luce.

– Prolungare la giovinezza visitando saloni di bellezza prossimi all’orizzonte del buco nero, dove il tempo scorre più lentamente a causa del redshift gravitazionale.

– Vedere lo spettacolo dell’intero universo come immagine riflessa e distorta delle lenti gravitazionali intorno al buco nero.

– Installare un parco giochi presso la cosiddetta “sfera fotonica”, dove ci si può divertire con effetti relativistici, come vedersi da dietro guardando dritto in avanti mentre la luce gira intorno al buco nero.

– Sfruttare nuove opportunità per i viaggi spaziali. Per esempio, quando tra miliardi di anni la Via Lattea e la sua galassia sorella Andromeda si fonderanno, i due buchi neri al loro centro si accoppieranno in uno stretto sistema binario, che dovrebbe agire come una fionda gravitazionale ed espellere stelle o pianeti alla velocità della luce. Le agenzie di viaggio possono offrire biglietti per corse eccezionali su pianeti espulsi che attraversano l’intero universo.

– Usare il buco nero come la prigione definitiva, condannando i criminali al confino e alla morte nella singolarità. La massa del buco nero determinerebbe il tempo che rimane da vivere ai prigionieri. Minore è il loro crimine, più massiccio dovrebbe essere il buco nero, permettendo di allungare la vita residua dei criminali una volta attraversate le “pareti della prigione” costituite dall’orizzonte del buco nero.

– Utilizzare per le comunicazioni le onde gravitazionali provenienti da piccoli oggetti in orbita intorno al buco nero. Quei segnali non possono essere bloccati da alcuna forma nota di materia.

– Testare aspetti fondamentali della gravità quantistica attraverso viaggi organizzati di scienziati sperimentali esperti in fisica delle stringhe.

Il pericolo principale per gli astronauti che tentano di eseguire queste attività deriva dalle maree gravitazionali. Come ha notato Albert Einstein nel suo famoso esperimento mentale, a chi si trova all’interno di un ascensore o di una navicella spaziale in caduta libera sembra di non avere alcuna gravità. Ma qualsiasi differenza nell’accelerazione gravitazionale tra la testa e le dita dei piedi, che misura la curvatura dello spazio-tempo, potrebbe strappare il corpo.

Quelle maree imporrebbero una condanna a morte nelle vicinanze di un buco nero di massa stellare, ma non rappresentano una minaccia per il corpo umano nell’ambiente molto più esteso intorno a un buco nero supermassiccio, come Sgr A*.

Un sistema binario dibuchi neri. (Cortesia NASA)

 

Di conseguenza, la densità della materia necessaria per fare un buco nero si scala linearmente con la sua curvatura spaziotemporale. I buchi neri di bassa massa si formano attraverso il collasso del nucleo di una stella massiccia a densità di gran lunga superiori a quelle di un nucleo atomico. Ma per fare un buco nero supermassiccio, che è molto più rarefatto, è sufficiente riempire l’orbita di Giove con acqua liquida.

Per quanto semplice possa sembrare questo progetto di ingegneria, non è affatto pratico, poiché richiede circa 100 milioni di masse solari di acqua. E il calore generato durante il versamento dell’acqua brucerebbe tutti gli impianti associati.

Infatti, il calore liberato dai buchi neri supermassicci costituisce una minaccia esistenziale per le civiltà che risiedono vicino ai centri delle galassie. In un articolo con John Forbes, abbiamo dimostrato che una frazione significativa di tutti i pianeti dell’universo è vulnerabile alla perdita delle loro atmosfere o alla bollitura dei loro oceani per il fatto di essere stati vicini a un nucleo galattico attivo durante la loro vita.

Per la prima volta nella storia dell’umanità, ora abbiamo la tecnologia per raffigurare le sagome dei buchi neri supermassicci al centro della Via Lattea e della galassia ellittica gigante M87 sullo sfondo del gas incandescente alle loro spalle. Le prime immagini di questo tipo dovrebbero essere pubblicate entro la fine dell’anno.

In una conferenza al convegno del 2018 della Black Hole Initiative di Harvard, un centro interdisciplinare dedicato allo studio dei buchi neri, ho suggerito che i futuri progressi nella propulsione spaziale potrebbero permetterci di organizzare una gita verso un buco nero vicino. Questa sarà una grande opportunità per dedicarsi ad alcune delle suddette attività, e forse anche per scambiare informazioni sulla gravità quantistica con un turista di altre civiltà che potrebbe essersi già accampato là fuori.


(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” l’11 marzo 2019



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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Fisica

Arriva il primo “robot vivente”, creato con cellule staminali

Deriva da cellule staminali di rana, il nuovo robot vivente non è né una macchine tradizionale né una nuova specie animale. Ecco cos’è e perché potrebbe essere molto utile in medicina e per combattere l’inquinamento

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In futuro i robot saranno sempre più spesso ispirati alle nostre caratteristiche biologiche. Ma oggi il mondo delle tecnologie ci stupisce con una proposta finora inedita: un gruppo di ricerca ha creato un nuovo prototipo che non solo prende ispirazione dalla biologia ma che  è interamente costituito da materiale biologico. I creatori, dell’università del Vermont e di Tuft, parlano per questo di robot vivente, primo nel suo genere, una macchina minuscola, per niente somigliante all’idea che abbiamo di robot – quella dell’automa. Le applicazioni potrebbero riguardare diversi campi, dalla ricerca delle contaminazioni radioattive ad usi clinici. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Negli anni scorsi ci sono stati dei tentativi anche di successo di creare organismi viventi semi-sintetici. In questo caso parliamo di un oggetto molto diversi, come spiegano gli scienziati, che hanno progettato e realizzato la “prima macchina biologica interamente messa su a partire dal nulla”, o meglio da cellule. I ricercatori la hanno chiamata xenobot perché deriva dall’elaborazione di cellule staminali della rana africana Xenopus laevi, spesso utilizzata come modello animale nella ricerca in biologia. “Il dna dell’organismo realizzato è al 100% quello della rana”, specifica Michael Levin, uno dei due coordinatori dello studio, ricercatore all’università di Tuft, “ma non è una rana”“Non sono né robot tradizionali né nuove specie animali”, sottolineano i ricercatori, che chiariscono che si tratta di nuova classe di artefatti, oggetti artificiali che sono organismi viventi e programmabili.

Gli scienziati hanno progettato i nuovi robot con i supercomputer dell’università del Vermont e poi li hanno assemblati e testati all’università Tuft. Prima hanno prelevato le cellule staminali dagli embrioni di rana, separate in singole cellule e fatte crescere in laboratorio, in una sorta di incubatrice per farle moltiplicare e differenziare in tessuti diversi. Successivamente le hanno tagliate e aggiuntate attraverso l’uso di un microscopio per ottenere il design desiderato, selezionato col computer. In questo modo, si sono formate delle cellule dalla forma inedita in natura che hanno cominciato a funzionare e lavorare insieme. Qui il video.

La loro forma è quasi sferica. La pelle ha un’architettura abbastanza statica, mentre il muscolo cardiaco è più attivo: le sue contrazioni sono tali da generare movimenti ordinati, che seguono quanto scelto in base alla progettazione del computer. In pratica si tratta di materia vivente assemblata e programmata per lavorare in un determinato modo, selezionato dagli autori.

I risultati mostrano che questi organismi si muovono in modo coerente e che possono spostarsi e sondare l’ambiente acquoso in cui si trovano per giorni o settimane. Tuttavia, anche loro falliscono: se si ribaltano somigliano a coleotteri capovolti che non sono più in grado di muoversi. Inoltre, gli autori hanno osservato che si spostano creando un cerchio e alcuni sono stati progettati per creare una struttura con un buco al centro. “È un passo avanti verso l’uso di organismi creati dal computer per l’invio intelligente di farmaci”, ha spiegato Joshua Bongard dell’università del Vermont, che sottolinea che sono completamente biodegradabili e una volta aver assolto al loro compito, dopo una settimana, sono solo cellule di pelle morta.

Ma molti sono preoccupati dei possibili sviluppi. “Questa paura non è irragionevole”, aggiunge Levin. E “questo studio fornisce un contributo diretto per comprendere meglio ciò di cui le persone hanno paura, ovvero le conseguenze indesiderate”. Se inizieremo a manipolare sistemi complessi che non conosciamo, spiega l’esperto, potremmo avere esiti inattesi e non desiderati. Per questo capire in che modo la complessità emerge da sistemi semplici sarà una sfida fondamentale del futuro.



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Un acceleratore di particelle in miniatura

Dimostrata la possibilità di accelerare fasci di elettroni in un canale di dimensioni nanoscopiche ricavato in un chip al silicio. Questo prototipo potrebbe servire da base per lo sviluppo di nuove apparecchiature per la radioterapia dei tumori

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Immagine al microscopio della sezione del chip al silicio attraversato dagli elettroni (©Neil Sapra)

Agli albori del calcolo automatico i computer occupavano un’intera stanza. Ora una loro versione semplificata e miniaturizzata può stare addirittura nel palmo di una mano. Gli acceleratori di particelle, che attualmente occupano tunnel lunghi chilometri, potrebbero in futuro seguire la stessa linea di sviluppo, secondo uno studio pubblicato su “Science” da Jelena Vuckovic, della Stanford University, e colleghi. Nell’ambito del progetto Accelerator on a Chip International Program (ACHIP), questi ricercatori hanno realizzato un acceleratore di particelle in miniatura che potrebbe aprire la strada a diverse applicazioni, tra cui nuovi metodi per trattare i tumori con la radioterapia.

L’idea è nata considerando il principio di funzionamento di un acceleratore convenzionale: in questa macchina i fasci di particelle corrono in tubi a vuoto per alcuni chilometri, con impulsi di microonde che li accelerano sempre di più, fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce.

Le microonde hanno una lunghezza d’onda dell’ordine di dieci centimetri. Usando impulsi di radiazione diversa, per esempio nello spettro infrarosso, con lunghezze d’onda molto più piccole delle microonde, si può in linea di principio accelerare le particelle su distanze assai più piccole. Il problema è che anche che le dimensioni fisiche del supporto devono essere delle stesse dimensioni, ponendo una sfida d’ingegnerizzazione non indifferente.

Vuckovic e colleghi hanno ricavato una cavità di dimensioni nanoscopiche all’interno di un chip al silicio, sigillandolo poi in una camera a vuoto. Successivamente hanno sparato un fascio di elettroni in questa cavità, accelerandoli con impulsi di luce infrarossa, a cui il silicio è trasparente.

Il dispositivo è ancora allo stato di prototipo. Gli autori però sostengono che le tecniche di progettazione e fabbricazione sono applicabili anche per altre dimensioni, e possono fornire fasci di particelle adatti a esperimenti in chimica, biologia e scienza dei materiali, dove non è richiesta la potenza di un enorme acceleratore.

“Gli acceleratori più grandi in assoluto sono come potenti telescopi. Ce ne sono solo pochi al mondo”, ha spiegato Vuckovic. “Vogliamo miniaturizzare la tecnologia dell’acceleratore in modo da renderla uno strumento di ricerca più accessibile.”

Ma l’applicazione più probabile è nel campo delle apparecchiature medicali, soprattutto in campo oncologico. Attualmente, le apparecchiature mediche per produrre raggi X occupano una stanza e forniscono una radiazione difficile da concentrare sui tumori, richiedendo ai pazienti di indossare elementi di piombo per ridurre al minimo i danni collaterali.

“In questo articolo iniziamo a mostrare come si potrebbe inviare il fascio di elettroni direttamente su un tumore, lasciando inalterato il tessuto sano”, ha sottolineato Robert Byer, della Stanford University, che guida il progetto ACHIP.



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Ecco cosa ha in serbo per noi la scienza nel 2020

Radiotelescopi da record, olimpiadi robotiche, nuove missioni spaziali. Il 2020 è alle porte, e gli appassionati di scienza non corrono certo il rischio di annoiarsi. Ecco alcuni degli appuntamenti scientifici da segnare sul prossimo calendario

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(immagine: Getty Images)

Questa volta facciamo cifra tonda. Il 2020 è alle porte, e la speranza ovviamente è che si riveli un anno da ricordare. Se quello appena trascorso può esser preso ad esempio, sarà difficile annoiarsi: dalla prima foto di un buco nero, alla prima visita umana sul lato nascosto della Luna, alle vicende di He Jiankui e delle due gemelline Crispr, il 2019 sarà ricordato a lungo dagli appassionati di scienza. Volete un assaggio di cosa ci aspetta? Eccovi alcuni degli appuntamenti scientifici del 2020.

Il più grande radiotelescopio del mondo

Osservare la nascita delle prime stelle dell’Universo. Testare la teoria della relatività di Einstein, dare la caccia ad alcune delle più sfuggenti entità del cosmo, come la materia e l’energia oscura. E perché no, magari anche trovare le prime prove dell’esistenza di forme di vita extraterrestre. In poche parole, rivoluzionare la nostra comprensione dello Spazio. Un obbiettivo ambizioso, ma assolutamente alla portata del più grande radiotelescopio mai realizzato: lo Square Kilometre Array, un progetto internazionale che punta a costruire una superficie ricevente di oltre un milione di chilometri quadrati, divisa tra gli altopiani del Sud Africa e le coste australiane. Per completare un progetto così titanico ci vorranno ancora anni, ma le prime avvisaglie di quel che ci aspetta dovrebbero arrivare già nel 2020, quando è previsto l’avvio delle prime osservazioni scientifiche, che verranno effettuate con una parabola virtuale ancora incompleta.

Olimpiadi per robot

Il 2020 sarà un anno da ricordare anche nello sport, con le olimpiadi di Tokyo pronte a prendere il via il prossimo 24 luglio. Competizioni che il paese del sol levante ha deciso di dedicare a uno dei suoi punti di forza: la robotica. I robot saranno infatti coinvolti in tutte le fasi salienti dell’organizzazione, dall’accoglienza degli spettatori, all’assistenza ai portatori di handicap, alla logistica sui campi sportivi, dove sostituiranno i tradizionali volontari umani nel supporto e trasporto degli atleti. Ma non è tutto: per festeggiare come si deve l’evento, il Giappone ha deciso di ospitare anche un’autentica competizione per robot. Si chiamerà World Robot Challenge, e vedrà scendere in campo gli “atleti” robotici divisi in quattro categorie: robot industriali, robot di servizio, robotica dedicata all’intervento in seguito a disastri e calamità, e una categoria speciale dedicata ai più piccoli. Un piccolo evento che probabilmente non è destinato a cambiare il mondo della scienza, ma che potrebbe rivelarsi utile per fare il punto sui progressi fatti negli ultimi anni nel campo della robotica e dell’automazione.

Una nuova mappa del cielo

Fotografare periodicamente l’intera volta celeste dell’emisfero australe (almeno quella accessibile dalle montagne del Cile), e fornire tutti i dati raccolti in open access alla comunità scientifica. È l’obbiettivo del Large Synoptic Survey Telescope, un telescopio ottico unico nel suo genere, che sorgerà sul Cerro Pachón, una montagna alta 2.682 metri nella regione di Coquimbo, nel nord del Cile. Servirà a mappare con precisione la nostra Galassia, cercare materia ed energia oscura, e tenere sotto controllo asteroidi e altri piccoli corpi celesti potenzialmente pericolosi per il nostro pianeta. La costruzione è iniziata nel 2015, e dovrebbe terminare nel 2022. Ma se non ci saranno ritardi, la prima luce, ovvero la prima osservazione inaugurale, arriverà già nel corso del 2020.

Nuove foto dell’Universo

Quest’anno l’Event Horizon Telescope ha stupito tutti, sfornando la prima foto di un buco nero, prima prova visiva diretta di questi corpi celesti. E nel 2020 gli scienziati del consorzio internazionale che ha realizzato l’impresa sono pronti a riprovarci: se nel 2019 si sono occupati di Messier 87, il buco nero supermassiccio al centro di una galassia della costellazione della Vergine, nel 2020 potrebbero arrivare le immagini di Sagittarius A, posto al centro della nostra Via Lattea. Secondo Nature, i materiali pronti per essere diffusi dall’Event Horizon Telescope dovrebbero comprendere molteplici immagini, e forse persino un video che mostra le enormi nubi di gas che turbinano attorno al buco nero.

Chimere e lieviti sintetici

Continuando con le indiscrezioni di Nature, è la volta dei prossimi progressi in biologia. Si inizia con Synthetic Yeast 2.0, un progetto internazionale che passo dopo passo sta lavorando per rimpiazzare l’intero genoma di un lievito della specie Saccharomyces cerevisiae con materiale genetico realizzato in laboratorio. Nel 2020 il lavoro dovrebbe giungere a conclusione, e iniziare a dare frutti sia in campo industriale, dove i ricercatori sperano di poter sfruttare i lieviti sintetici per realizzare prodotti di ogni tipo, dai biocarburanti ai medicinali. Sia sul piano della ricerca, dove i risultati di Synthetic Yeast 2.0 aiuteranno a studiare più a fondo l’evoluzione, e le strategie con cui gli organismi biologici tengono a bada l’accumulo di mutazioni nocive. Un secondo appuntamento importante è quello con le chimere biologiche di Hiromitsu Nakauchi, esperto di cellule staminali dell’università di Tokyo che ha ricevuto quest’anno il via libera del governo giapponese per la realizzazione dei primi ibridi umani-animali. Nakaguchi lavorerà per crescere tessuti umani all’interno di embrioni di ratto, e nel 2020 potrebbero arrivare i primi importanti risultati. L’obbiettivo è quello di realizzare organi umani da utilizzare in futuro per i trapianti.

Una nuova Schiaparelli?

Ricorderete tutti lo sfortunato lander che nel 2016 tentò, senza molta fortuna, il primo ammartaggio di una sonda europea. Si trattava, va detto, di un prototipo, e i dati raccolti ovviamente sono tornati estremamente utili per pianificare al meglio la missione vera e propria: ExoMars, una collaborazione tra Esa e Roscosmos che punta a far atterrare un rover su Marte, alla ricerca di indizi che permettano di stabilire se il pianeta in passato ha ospitato forme di vita. Il lancio è previsto per il prossimo 25 luglio, e il controllo della missione sarà affidato alla nostra Altec (azienda dell’Asi). Sperando che il rover Rosalind Franklin riesca dove il povero Schiaparelli ha fallito.

Mars 2020

Anche la Nasa ha i suoi piani per il pianeta rosso. La prossima estate inizierà infatti la nuova avventura marziana dell’agenzia spaziale americana, dedicata come nel caso di quella Esa alla ricerca di forme di vita marziane. Mars 2020 depositerà sulla superficie del pianeta rosso un rover sviluppato a partire dal design di Curiosity, armato di nuovi strumenti scientifici, un trapano per estrarre campioni di roccia e suolo, e un piccolo drone a forma di elicottero. In questo caso, inoltre, si tratterà del primo passo in direzione di un obbiettivo più ambizioso: Mars 2020 depositerà infatti i campioni estratti con i suoi strumenti in appositi contenitori che abbandonerà poi lungo il cammino, e che in futuro dovrebbero essere recuperati e spediti sul nostro pianeta da una nuova missione, battezzata per ora Mars sample-return mission.

Le missioni cinesi

Il 2020 su Marte sarà uno degli anni più affollati di sempre. A fianco di EsaRoscosmos e Nasa, anche l’agenzia spaziale cinese punta a raggiungere il pianeta rosso per verificare se abbia mai ospitato la vita. La missione per ora è stata battezzata HX-1 mission, prevede l’atterraggio di un piccolo rover sulla superficie del pianeta, e rappresenterà la prima occasione in cui la Cina raggiungerà un altro pianeta con tecnologie e veicoli sviluppati completamente da sé. Non è tutto: il gigante asiatico ha infatti in serbo anche un’altra prima volta, con il lancio della sua Chang’e 5, la prima missione che raccoglierà campioni di suolo lunare per riportarli sulla Terra, dai tempi della missione Nasa Luna 24, del 1976.

Lhc nel 2020

Attivo da quasi 12 anni, il Large Hadron Collider del Cern ha già permesso scoperte fondamentali: una su tutte, il bosone di Higgs. L’obbiettivo più ambizioso, però, non è ancora raggiunto: identificare qualche particella o fenomeno che violi incontestabilmente il modello standard della fisica, e permetta quindi di progredire verso nuove conoscenzenuova fisica. Ovviamente gli insaziabili ricercatori del Cern sono al lavoro per potenziare e migliorare il loro acceleratore, e aumentare così le chance di nuove scoperte. E una delle tappe fondamentali in questa impresa arriverà nel 2020: la sostituzione del vecchio acceleratore lineare Linac2 con il suo successore, il nuovissimo e potentissimo Linac4. Se il vecchio modello, ormai in pensione, arrivava ad accelerare i suoi protoni a 50 megaelettronvolt (o Mev), il suo sostituto è pronto a triplicare l’energia delle collisioni, raggiungendo i 160Mev. I test sono in corso, e se tutto andrà come previsto l’acceleratore diventerà operativo entro la metà del 2020. Un upgrade fondamentale in vista di un più ambizioso progetto del Cern: l’high-luminosity Lhc, che punta ad aumentare sensibilmente la luminosità del Large Hadron Collider, cioè il numero di collisioni tra protoni che avvengono al suo interno. La dead line per l’high-luminosity Lhc è fissata per il 2026, e dal Cern assicurano che, ad upgrade effettuato, il mondo della fisica potrebbe cambiare volto radicalmente, e velocemente.



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