Introduzione
Il nostro universo ha un inizio. E un giorno avrà anche una fine, ma quale? Man mano che il cosmo si espande e le stelle e le galassie si affievoliscono, tutto diventerà lentamente più freddo e più isolato? L'energia oscura che sta accelerando l'espansione dell'universo potrebbe alla fine fare a pezzi lo spaziotempo? Sarebbe possibile che il nostro mondo e il resto dell'universo un giorno cessassero di esistere senza preavviso? In questo episodio, Steven Strogatz parla del gran finale definitivo con Katia Mack, cosmologo teorico presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada. Mack è anche l'autore di La fine di tutto (astrofisicamente parlando), pubblicato nell'agosto 2020, in cui ha descritto i cinque scenari individuati dagli scienziati come potrebbe finire l'universo.
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Trascrizione
Steven Strogatz (00:03): Sono Steve Strogatz, e questo è La gioia del perché, un podcast da Quanta Magazine che ti porta in alcune delle più grandi domande senza risposta in matematica e scienze oggi. In questo episodio, ci chiederemo, come andrà a finire?
(00:18) Immagina di camminare un giorno in città. Stai entrando e uscendo da altri pedoni che camminano sul marciapiede. Senti le macchine che suonano il clacson, conversazioni silenziose che fuoriescono dai bar nelle vicinanze. Questo è il nostro mondo quotidiano così come lo conosciamo. Ma cosa succede se un giorno quel mondo semplicemente implode e cessa di esistere? Come sarebbe se tutto improvvisamente finisse? Sappiamo che le stelle, incluso il nostro sole, hanno una durata di vita limitata. Un giorno si esauriranno, anche se non è durante la nostra vita. Ma per quanto riguarda la nostra galassia? O l'intero universo? Come sarà la fine di tutto? E come è potuto succedere?
(01:00) Questa non è la stoffa di un film di supereroi. Questo è il tipo di fisica teorica a cui la dottoressa Katie Mack pensa molto. Il dottor Mack è un cosmologo teorico presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, a circa un'ora da Toronto. È la Stephen Hawking Chair in Cosmology and Science Communication Research, dove uno dei suoi obiettivi è rendere la fisica più accessibile al pubblico. Il dottor Mack è anche l'autore del libro ben accolto, La fine di tutto (astrofisicamente parlando), pubblicato nell'agosto del 2020. Descrive in dettaglio le cinque teorie principali su come gli scienziati pensano che l'universo finirà. Katie, grazie per esserti unita a noi oggi.
Katia Mack (01:47): Grazie mille per avermi ospitato.
Strogatz (01:48): È una vera delizia per noi. Posso iniziare con una domanda personale? Cosa ti ha portato a questo argomento: pensare alla fine dell'universo? Perché, perché ti prende?
Mack (01:56): Sai, penso che sia solo una parte della mia curiosità generale per il cosmo. Sono cresciuto pensando molto all'inizio dell'universo, al Big Bang. Sai, tutte queste grandi domande su da dove veniamo. E ad un certo punto, attraverso i miei studi in cosmologia, ho continuato a confrontarmi con questa questione del finale. Quindi ricordo di aver letto del Big Rip - una di queste possibilità in cui l'universo si fa a pezzi da solo - quando ero all'università, ed ero affascinato dal concetto che l'universo potesse finire in questo modo davvero violento. E poi, mentre continuavo a fare ricerche in cosmologia, mi sono imbattuto nel decadimento del vuoto - sai, questa sorta di fine improvvisa dell'universo - e sono rimasto affascinato dal concetto che l'universo potrebbe scomparire dall'esistenza apparentemente senza motivo .
(02:46) E tutti questi argomenti continuavano a emergere nelle letture che stavo facendo nel mio lavoro professionale. E volevo solo esplorarlo ancora un po'. E volevo raccontare questa storia che penso non venga raccontata molto spesso nel tipo di discorso pubblico sulla cosmologia. Si parla molto dell'inizio, del Big Bang, ma molto poco della fine.
(03:05) E penso che sia qualcosa che mi ha sempre affascinato ogni volta che l'ho incontrato. Sto solo vedendo le discussioni su come l'ultima evoluzione del nostro universo potrebbe completarsi e cosa dice di ciò che sta accadendo ora. Sulla struttura del cosmo, sul formato complessivo dell'esistenza. È una domanda affascinante per me.
Strogatz (03:27): Sì, voglio dire, è... penso che sia abbastanza naturale interrogarsi. Penso che la maggior parte di noi che ha un certo interesse per la scienza o solo grandi domande sulla vita se ne meravigli.
(03:38) Eccone uno con cui penso dovremmo iniziare: la morte termica, lo scenario che chiamiamo la morte termica dell'universo, che esiste da molto tempo. Parlaci di quello, perché capisco che pensi che potrebbe essere il più probabile.
Mack (03:50): Sì, quindi la morte termica è quella considerata più accettata in fisica. A volte è chiamato il Big Freeze, colloquialmente. L'idea alla base della morte termica è che sappiamo che l'universo si sta espandendo e sappiamo che l'espansione sta accelerando. Quindi le galassie che sono nell'universo distante, si stanno allontanando sempre di più da noi. Si stanno allontanando sempre di più l'uno dall'altro. E questa espansione continua e sta diventando sempre più veloce nel tempo. Non sappiamo perché sta accelerando, lo farò solo notare. Al momento, [si pensa che sia] dovuto a qualcosa che chiamiamo energia oscura. Non sappiamo cosa sia l'energia oscura, ma è qualcosa che è facendo espandere l'universo più velocemente.
(04:23) Le nostre idee sull'energia oscura includono la possibilità che l'energia oscura sia solo una sorta di proprietà dell'universo chiamata costante cosmologica, in cui ogni pezzetto di spazio ha una sorta di elasticità incorporata. E poiché abbiamo più spazio, mentre l'universo si espande, abbiamo anche più elasticità, perché abbiamo più di quell'energia oscura, più di quella costante cosmologica. E così l'universo continua ad espandersi, espandersi ed espandersi.
(04:48) E se è così, se è davvero quello che succederà, allora quello che ottieni è che ogni galassia o ogni ammasso di galassie diventa sempre più isolato da tutti gli altri, e l'universo diventa più e più vuoto, sempre più diffuso, più freddo nel tempo. Perché, sai, sappiamo che all'inizio l'universo era molto caldo e denso. Da allora è in continua espansione. Si sta raffreddando, sta diventando più diffuso. Quindi continua in qualche modo all'infinito. E mentre succede, se ti trovi in una galassia improvvisamente isolata perché tutte le altre galassie sono così lontane, allora non ci sono interazioni, nessuna galassia che entra e porta nuovo gas per formare nuove stelle. Tu come galassia bruci tutte le stelle che hai. Bruci tutto l'idrogeno, quindi non puoi creare nuove stelle. Le stelle muoiono, si consumano e si oscurano.
(05:36) Ci sono un sacco di buchi neri. Alla fine, se lasci un buco nero da solo abbastanza a lungo, irradierà via la sua energia: i buchi neri evaporano, tutto decade in questa energia disordinata. Quindi tutto ciò che era in questa galassia si irradia. La materia decade e si disgrega. E avresti solo questa energia disordinata, solo una specie di calore disperso, se ci pensi in questo modo, di tutte le cose che sono esistite.
(06:01) E quando arrivi allo stadio in cui tutto è decaduto, raggiungi quella che viene chiamata massima entropia. Quindi la seconda legge della termodinamica ci dice che l'entropia o disordine aumenta nel futuro. E sai, [per] lo stesso motivo per cui non puoi avere una macchina a moto perpetuo, perché se provi a far girare qualcosa per sempre, si romperà, perderà un po' di energia per attrito e calore, e... cadrò a pezzi. Allo stesso modo, nell'universo, tutto decade in quel calore disperso. Ed è per questo che si chiama morte termica. È che hai tutto da avere decadendo in energia disordinata, e raggiungi questo stato di massima entropia in cui non può più verificarsi alcun disordine, in cui tutto è semplicemente privo di significato. Essenzialmente, è completamente, completamente privo di struttura.
(06:49) Questa è la morte termica definitiva dell'universo. E la gente pensa che sia un modo deprimente di andare, perché finisci con tutto molto freddo e buio e vuoto e isolato, e semplicemente decadendo per sempre.
Strogatz (07:03): Capisco perché gli hai dato il nome Big Freeze, perché la morte termica fa sembrare che farà molto caldo. Considerando che se ti ho sentito bene, questo sarà un po' tiepido o peggio.
Mack (07:11): Esattamente. Sì. E in questo caso, "calore" è una specie di senso tecnico e fisico della parola in cui questo tipo di calore disperso di tutta la creazione.
(07:19) Ma il lato positivo è che ci vuole molto tempo perché ciò accada. Quindi non sarà fino a circa 100 miliardi di anni da adesso fino a quando non potremo vedere altre galassie, perché sono troppo lontane e si allontanano troppo velocemente. Quindi sai, e che alcune delle stelle meno massicce della nostra galassia possono potenzialmente durare circa un trilione di anni. Quindi abbiamo un po' di tempo prima che diventi freddo, buio e vuoto nel nostro universo, se stiamo andando da quella parte.
Strogatz (07:41): Il vuoto è un altro aspetto interessante di questo, a causa della dilatazione dello spazio. Che non solo è davvero blando, omogeneo e disordinato, ma è anche molto solitario. Come se tutto fosse così distante da tutto il resto.
Mack (07:56): Esatto. E un aspetto davvero interessante è che arriverai a un certo punto in cui non avremo prove dell'esistenza di altre galassie. Non ci sarà alcuna prova osservativa diretta che il Big Bang sia avvenuto, perché non saremo in grado di vedere quell'universo in espansione. E non saremo in grado di dire: "Bene, se l'universo sta diventando più grande ora, deve essere stato più piccolo in passato". Non saremo in grado di vedere il tipo di luce residua del Big Bang, il fondo cosmico a microonde, che ci permette di studiare l'universo molto, molto primordiale. Non sarà solo un universo freddo, oscuro e vuoto, sarà un universo in cui c'è ben poco da imparare, perché non saremo in grado di vedere le cose al di là del nostro ambiente immediato.
Strogatz (08:34): Immagino che nel caso in cui qualcuno sia confuso - non credo che qualcuno lo sarebbe - il riferimento a "noi", non lo intendi davvero, giusto? Non siamo qui, non siamo in giro per vedere nulla a quel punto. Anche noi siamo disintegrati.
Mack (08:45): Siamo lontani da tempo. Voglio dire, il sole ad un certo punto diventerà così luminoso che ribollirà dagli oceani della terra. E ci vorranno solo circa un miliardo di anni. Quindi abbiamo, sai, tra mezzo miliardo e un miliardo di anni prima che la Terra sia completamente inabitabile. Quindi, sì, questo è passato da tempo. Qualunque cosa venga dopo di noi, o se riusciamo a creare piccole macchine intelligenti in grado di portare avanti la nostra coscienza o, o se ci espandiamo nelle stelle e sai, viviamo in altri posti e facciamo uso di quel poco di energia che è rimasto in queste stelle morenti. Ad un certo punto, sai, ci sarà, finiremo le cose da fare perché non ci sarà abbastanza energia concentrata nel modo giusto per usarla.
Strogatz (09:26): Facciamo finta di crederci spazio e tempo sono quantizzati tipo, alla gravità quantistica nelle cose alla scala della lunghezza di Planck. Se c'è solo un numero finito di particelle di spazio e tempo, un numero grande ma finito, anche nello scenario della morte termica, non ci sarebbe una ricorrenza in cui ogni stato finirà per... voglio dire, in tempi molto, molto lunghi... ritorno? Non sarebbe stata la fine, nemmeno dopo la morte per calore.
Mack (09:54): Ne parlo nel libro nel capitolo sulla morte in calore, l'idea dell'eterno ritorno. Sì, quindi c'è un modo di vedere la morte termica in cui ti trovi in questo eterno stato di morte termica in cui l'entropia è massimizzata. Ma anche in uno stato di massima entropia, puoi avere fluttuazioni casuali in cui qualcosa può unirsi. E ci sono stati calcoli interessanti in cui è possibile calcolare, sulla base di un universo disordinato completamente omogeneo, quanto tempo impiegherà un pianoforte a coda a riunirsi casualmente nel mezzo dell'universo, proprio nel mezzo del vuoto.
(10:29): Ed è un numero davvero, davvero grande, giusto? Ma se hai questo stato davvero eterno, allora accadrà. Accadrà un numero infinito di volte su una scala temporale ricorrente. E puoi estenderlo e dire, beh, se un pianoforte a coda può assemblarsi da solo, così può la Terra, così può la galassia, così può la totalità di qualsiasi stato che sia mai esistito nell'universo. Quindi, quando arrivi a quel punto, puoi dire, beh, in questo momento, proprio ora, la distribuzione specifica di atomi e molecole nell'universo in questo momento, a questo punto, deve essere possibile che accada di nuovo - in un momento davvero , tempi molto lunghi, ma deve essere possibile che ciò si ripeta. E poi l'universo si evolverà di nuovo verso la morte, da questo punto.
(11:13) E così arrivi a questa idea in cui ogni momento che è mai accaduto nella storia dell'universo può accadere di nuovo, un numero infinito di volte. Ed è un concetto davvero strabiliante. Ora, ci sono discussioni su questo in letteratura, indipendentemente dal fatto che questo sia un calcolo sensato da fare o meno. Ma in un certo senso riporta indietro: c'è uno scenario da incubo che Nietzsche ha scritto basato su questa idea. Che tu, vivi lo stesso momento ancora e ancora per sempre. E non sarebbe orribile? E, sai, forse è fisicamente possibile, forse è una cosa che può succedere. La letteratura va avanti e indietro sull'opportunità o meno di pensare a questo in questo modo. Ma è interessante. E si collega anche a questa possibilità che, diciamo -. Se un, se un pianoforte a coda può riunirsi nell'universo, può farlo anche un singolo cervello che pensa di aver sperimentato la totalità del cosmo? Questa è chiamata l'ipotesi del cervello di Boltzmann.
Strogatz: Oh, ne ho sentito parlare. Non sapevo cosa fosse. Ok bello.
Mack (12:12): Quindi forse invece di tutto ciò che esiste, c'è un cervello che in questo momento pensa di avere questa conversazione e ha vissuto un'intera vita in un universo di 13.8 miliardi di anni. E poi, a un certo punto, quel cervello scomparirà di nuovo dall'esistenza, perché era una raccolta casuale di particelle in un universo vuoto post-calore.
Strogatz: OK...
Mack (12:33): Quindi puoi fare anche questo calcolo. E se fai questo calcolo in un certo modo, scopri che è molto più probabile dell'esistenza dell'universo.
Strogatz: Uh Huh.
Mack (12:42): È molto più probabile che produca un singolo cervello che pensa di essere nell'universo piuttosto che produrre, sai, un nuovo Big Bang e poi un vero e proprio cosmo. Ma ancora una volta, ci sono diversi modi per calcolarlo in cui ottieni risposte diverse. Quindi questa è un'altra parte della domanda: ha senso fare questi calcoli? E se fai questo calcolo, scopri che è più probabile che siamo un pensiero casuale in un cervello casuale, semplicemente esistendo nel vuoto. Non ti dice necessariamente, questo è il probabile scenario dell'universo, ti dice che questi calcoli non sono utili e non hanno davvero senso nel contesto del cosmo, e qualcosa nelle nostre ipotesi deve essere sbagliato. Ma come gestisci questa possibilità di un universo infinito in cui qualsiasi cosa potrebbe accadere un numero infinito di volte è una domanda davvero interessante in cosmologia quando arrivi a queste scale temporali davvero, davvero enormi.
Strogatz (13:36): Va bene, bene, grazie per avermi assecondato. OK. Ma voglio assicurarmi di entrare in alcuni di questi altri.
Quello era lo scenario n. 1, la morte termica, il Big Freeze e questa bella nota a piè di pagina sull'eterna ricorrenza nella natura selvaggia - non voglio dire paradossi, ma, ma tipi di considerazioni davvero strazianti che porta su. OK, passiamo al punto 2. Qual è il grande strappo?
Mack (13:58): Quindi il Big Rip è un'idea che torna alla questione dell'energia oscura. Non sappiamo cosa faccia espandere l'universo più velocemente. La chiamiamo energia "oscura" perché non sappiamo cosa sia. Ma c'è qualcosa che sta accelerando l'espansione dell'universo. Ora, se è solo una costante cosmologica, se è solo una proprietà del cosmo, allora sappiamo come va. Sai, ci porta alla morte termica, dove tutte le galassie sono isolate al massimo, e poi svaniscono.
(14:23): Ma ci sono altre possibilità ipotetiche per l'energia oscura. Ci sono alcuni dove invece di essere solo uno sfondo costante nel cosmo, è qualcosa di dinamico. È qualcosa che potrebbe cambiare nel tempo. E in particolare, puoi scrivere equazioni per qualcosa in cui diventa più potente nel tempo. Dove qualunque cosa sia questo è il tipo di elasticità insita nel cosmo, è un campo dinamico, un campo energetico, e diventa più potente nel tempo. E così inizia ad allungare l'universo sempre più velocemente. Non solo causando accelerazione, ma accumulandosi all'interno degli oggetti.
(14:57) Quindi una cosa su una costante cosmologica. Se esiste una costante cosmologica, la sua densità è costante nell'universo. Ciò significa che se disegni una sfera attorno a una certa regione, c'è una certa quantità di costante cosmologica in quella sfera. E anche se l'universo si espande, c'è ancora la stessa quantità in quella sfera, giusto? La costante cosmologica rimane la stessa. In un universo con quella che chiamiamo energia oscura "fantasma", la quantità di energia oscura all'interno di quella sfera aumenterebbe nel tempo. Se avessi una galassia che vive in quella sfera, per esempio, e quella galassia è legata gravitazionalmente e tutto è tenuto insieme dalla gravità, in un universo cosmologico costante, va bene. Le orbite non cambiano. La galassia rimane così com'è. In un universo con energia oscura fantasma, la quantità di elasticità all'interno di quella sfera si sta accumulando. L'energia oscura si sta accumulando e può separare la galassia. Potrebbe allontanare le stelle dalla galassia, potrebbe allontanare i pianeti dalle stelle e si accumulerebbe e si accumulerebbe all'interno degli oggetti.
(15:55) Quindi, invece di una situazione in cui tutta l'energia oscura sta solo allontanando le cose distanti l'una dall'altra, semplicemente creando più spazio vuoto, in realtà tenderebbe le cose dall'interno. Dico spesso alla gente, tipo: “Oh, sai, l'universo si sta espandendo, quello che sta succedendo è che le galassie lontane si stanno allontanando sempre di più. Ma questa stanza non si sta espandendo. In un universo con energia oscura fantasma, questa stanza si espanderebbe, prima o poi.
Strogatz: Vedo.
Mack (16:19): Quindi quello che farebbe è iniziare a costruire su scale davvero grandi. Quindi separerebbe i vecchi ammassi di galassie. Trascinerebbe le stelle fuori dal bordo della galassia. Ma diventerebbe sempre più potente, così che inizierebbe ad allontanare i pianeti dalle stelle, comincerebbe a togliere le lune dai pianeti e si accumulerebbe all'interno dei pianeti e alla fine esploderebbe un pianeta stesso. E poi diventa sempre più potente man mano che scende più in basso e alla fine fai a pezzi le molecole, fai a pezzi gli atomi e alla fine fai a pezzi l'universo stesso.
Strogatz (16:50): Quindi è davvero vero che sotto questa immagine che hai descritto, è come se scendesse attraverso le scale di lunghezza dal più grande al più piccolo. Andrà in quella sequenza?
Mack (17:00): Beh, quello che è, sta diventando più potente. Quindi scioglie prima le cose legate più debolmente, le cose più grandi sono legate più debolmente. E poi man mano che arrivi a scale sempre più piccole, ti piace il legame atomico, il legame nucleare. Quindi solo attacchi più forti.
Strogatz: Vedo. Vedo.
Mack: In un certo senso si accumula.
Strogatz (17:18): Wow, questa è una cosa interessante, le cose si stanno in qualche modo strappando dall'interno, al contrario di... Tipo, avevo immaginato con la morte termica e lo scenario della costante cosmologica, quasi come quando parliamo di come l'universo si sta espandendo e la gente dice: "Bene, in che cosa si sta espandendo?" E poi qualcuno dice: "No, immagini che dipingono punti sulla superficie di un palloncino di gomma elastica", sai, o così. Questa è una sorta di costante cosmologica. Sembra che i punti sul palloncino si allontanino. Quelle sono, diciamo, le galassie che si allontanano sempre di più. C'è un'immagine che sostituisce il pallone per il Big Rip? Suona molto più violento.
Mack (17:55): Beh, quando uso la metafora del palloncino, di solito dico, tipo, immagina, tipo, piccole formiche sulla superficie della luna. E man mano che il pallone diventa più grande, le formiche si allontanano sempre di più. Ma le formiche stesse non prestano molta attenzione a questo. Sono una specie dei loro piccoli oggetti. Nello scenario Big Rip, sarà più simile a disegnare una galassia sul pallone e poi espandere il pallone. Anche la galassia stessa diventerà più grande in quella foto. E così gli oggetti stessi diventeranno più grandi. E ad un certo punto, arrivi al punto in cui il pallone stesso esplode. Non sei riuscito a capirlo in quel modo.
(18:26) Ci sono problemi con l'analogia del pallone in termini di dettagli, ma è una specie di immagine che puoi avere.
(18:53): Ora, dovrei dire che la maggior parte dei cosmologi non pensa che il Big Rip accadrà. Rompe alcune regole sulle condizioni energetiche nell'universo. Quindi le cose che pensiamo dovrebbero essere vere su come l'energia si muove attraverso il cosmo, l'energia oscura fantasma infrange quelle regole. E quindi probabilmente non è praticabile come scenario. Ma detto questo, non possiamo escluderlo del tutto dall'osservazione, tutto quello che possiamo dire è che quando guardiamo a come l'universo si sta evolvendo ora, possiamo dire che il Big Rip quasi certamente non accadrà entro il prossimo, diciamo , 200 miliardi di anni. Perché non puoi mai dire che non succederà al 100%. Ma in base alle nostre misurazioni, possiamo stabilire una specie di limite nel tempo e possiamo dire che quasi certamente non accadrà entro un certo lasso di tempo.
Strogatz (19:15): Eh. Bene, dovremmo passare al numero 3? Questo che ho sentito deriva da cose che abbiamo appreso al Large Hadron Collider e si dice per strada che questo potrebbe essere il tuo preferito, anche se non pensi che sia il più probabile. Va sotto il nome di teoria del decadimento del vuoto.
Mack (19:33): Sì. Quindi il decadimento del vuoto è qualcosa che ho imparato solo nel periodo in cui il Large Hadron Collider scoprì il bosone di Higgs. E il motivo per cui ne ho sentito parlare allora è perché la gente ha iniziato a scrivere articoli sul decadimento del vuoto in risposta alla scoperta del bosone di Higgs. Perché le proprietà del bosone di Higgs suggerivano che il decadimento del vuoto potesse effettivamente essere una possibilità.
(19:56) L'idea alla base è questa. È una storia piuttosto tecnica, ma cercherò di semplificarla. Quindi l'idea è che la cosa interessante del bosone di Higgs non sia la particella stessa. È il fatto che il bosone di Higgs implica l'esistenza del campo di Higgs. Il campo di Higgs è una specie di campo energetico che si trova in tutto lo spazio. E in sostanza, quello che ha fatto il Large Hadron Collider è stato, in un certo senso, eccitare quel campo energetico, eccitare una particella fuori da quel campo energetico e la particella è stata la cosa che è stata identificata. Ma significa che c'è questo campo di energia che esiste attraverso l'universo. E quel campo energetico ha un certo valore. E chiamiamo quel campo energetico il campo di Higgs. E c'è tutta una storia su come le particelle che interagiscono con quel campo energetico sono come certe particelle hanno massa. Ed è legato a quell'intera immagine.
(20:43) Ma da un punto di vista fisico, la cosa importante riguardo al campo di Higgs è che c'è stato un processo che è avvenuto nell'universo molto, molto primordiale in cui il campo di Higgs è cambiato. Quindi nell'universo primitivo il campo di Higgs aveva un valore diverso. È come se fosse un campo che ha un valore simile, nel senso che la temperatura in questa stanza ha un valore ovunque. Puoi definire un campo di temperatura e ha valori diversi, sia che tu sia vicino alla finestra, vicino alla porta, qualunque cosa. Il campo di Higgs sarebbe un campo in cui ha lo stesso valore ovunque, ma è un campo con un certo valore in tutto lo spazio. Ha una certa energia ad essa associata.
(21:15) Ora, quale valore assume quel campo di Higgs ha una relazione con il modo in cui funziona la fisica delle particelle nell'universo. Quindi nell'universo molto, molto primordiale, il campo di Higgs era diverso. Le particelle interagivano con esso in modo diverso e c'era un diverso insieme di particelle nell'universo. Nessuno di loro aveva massa. E c'erano diverse interazioni nell'universo. Avevamo, invece di, sai, elettricità e magnetismo e le forze nucleari forti e deboli, avevamo un diverso insieme di forze. C'era una sorta di combinazione di forze che esisteva, ed esistevano diverse particelle e nessuna di esse aveva massa. E poi c'è stato un evento chiamato rottura della simmetria, in cui il campo di Higgs è cambiato, ha assunto un valore diverso. E quando ciò accadde, ciò permise l'esistenza di tutte le particelle e i combustibili che comprendiamo ora nell'universo. Quindi sai, elettroni e quark, e ha permesso l'esistenza della forza elettromagnetica e delle forze nucleari forti e deboli. Tutto si è sistemato nel tipo di fisica che sperimentiamo oggi. Ed è stato un bene perché significa che potremmo avere atomi e molecole e potremmo esistere.
Strogatz (22:16): Mi dispiace, ho dovuto fermarmi qui, perché suonava molto biblico. "Ed è stato bello", giusto? È quello che dice, giusto? "Sia la luce. E Dio vide che era cosa buona”.
Mack (22:26): Beh, voglio dire, in questo caso, siamo molto felici che il campo di Higgs sia cambiato, che questo evento di rottura della simmetria si sia verificato perché ci ha permesso di esistere. Voglio dire, puoi parlarne, sai, se non fosse successo, non esisteremmo per esserne felici. C'è tutta una discussione lì. Ma in ogni caso è successo; ora esistiamo.
(22:41) Il problema è che quando è stato scoperto il bosone di Higgs, le misurazioni della massa del campo di Higgs, e le masse di altre particelle, ci danno indizi su cosa sta facendo il campo di Higgs su come il campo di Higgs si è evoluto. E questi indizi sembrano indicare la possibilità che il campo di Higgs possa cambiare di nuovo. Sarebbe davvero brutto nello stesso modo in cui per la prima volta il cambiamento è stato positivo. Se cambiasse di nuovo, ci trasformerebbe in una situazione in cui non possiamo esistere, in cui le nostre particelle non si tengono insieme. Le costanti della natura cambierebbero. Ci sarebbero forze diverse e particelle diverse. Ci trasformerebbe in quello che viene chiamato un vero stato di vuoto. Non intendo "vuoto" nel senso di niente che esiste. Gli stati di vuoto sono stati diversi di come funziona la fisica, essenzialmente. Quindi parliamo di essere in un certo stato di vuoto. Potrebbe esserci un diverso stato di vuoto. Quindi se il campo di Higgs ha davvero questa possibilità di cambiare, significa che lo stato di vuoto in cui ci troviamo è chiamato falso vuoto. E il vero vuoto sarebbe lo stato di vuoto in cui l'universo preferirebbe trovarsi, in cui preferirebbe trovarsi il campo di Higgs. E sarebbe che alla fine, se aspetti abbastanza a lungo, il campo di Higgs cambierà in quello altro valore, e si evolverà in un vero stato di vuoto.
(24:01) E il modo in cui accade è piuttosto... drammatico. Quindi puoi pensare che l'universo sia una specie di metastabile, che significa "non del tutto stabile" nello stesso modo in cui, ad esempio, se metti una tazza di caffè sul bordo di un tavolo, si siederà lì, ma qualcosa potrebbe bussare e potrebbe cadere, e in realtà preferirebbe essere sul pavimento. E puoi pensare al nostro campo di Higgs come potenzialmente in quel tipo di stato, dove tutto ciò di cui avresti bisogno è, per spostarlo in quell'altro stato, devi disturbare il campo di Higgs direttamente nello stesso modo in cui tu potrebbe, sai, far cadere una tazza di caffè dal tavolo. Oppure dovresti semplicemente fare affidamento sull'idea che tutte queste particelle e campi si basano sulla meccanica quantistica, le regole della meccanica quantistica e la meccanica quantistica dice che a volte, a volte la tua tazza di caffè potrebbe comunque cadere a terra, giusto? L'incertezza della meccanica quantistica dice che ogni tanto, se metti una particella su un lato di un muro, apparirà dall'altra parte. Si chiama tunnel quantistico. Questa è una cosa che accade che osserviamo continuamente su scala subatomica. E questo vale anche per il campo di Higgs.
(25:03) E quindi c'è una sorta di tempo di decadimento associato al campo di Higgs nello stato in cui se lasci il campo di Higgs da solo abbastanza a lungo, alla fine un frammento di quel campo di Higgs da qualche parte nell'universo entrerà in un tunnel quantistico in questo altro stato . E questo potrebbe non essere un problema come stato su scala subatomica. Ma sfortunatamente, se un pezzo del campo di Higgs va in questo nuovo stato, va nel vero vuoto, anche tutto il campo di Higgs intorno cade nel vero vuoto.
Strogatz (24:33): Oh, davvero? Quindi c'è una specie di reazione a catena che dà fuoco a tutto.
Mack: Esattamente. Esattamente.
Strogatz: Non so se è la parola giusta. Ma si.
Mack (25:35): Sì, sì, sarebbe come se tu avessi una catena su un tavolo e tu - e un anello cadesse dal tavolo, tirerebbe giù tutti gli altri anelli mentre cade. E succederebbe qualcosa del genere. Avreste questa cascata, dove non appena l'evento accade in un punto, accade tutt'intorno ad esso, e creerebbe questa bolla del vero stato di vuoto che si espanderebbe attraverso l'universo all'incirca alla velocità della luce.
Strogatz: Ah.
Mack (25:58): Va male per un paio di motivi. Uno, è che il tipo di bordo della bolla, il muro di bolle ha una certa energia associata ad esso, dove se il muro di bolle ti colpisce, ti incenerirebbe immediatamente. Inoltre, se passi nella bolla, sei in questo vero stato di vuoto in cui le leggi della fisica sono diverse e le tue particelle non si tengono più insieme. Inoltre, negli anni '1980 è stato fatto un calcolo che suggeriva che, una volta che sei all'interno del vero stato di vuoto, lo spazio lì è fondamentalmente gravitazionalmente instabile. E così crolleresti immediatamente in un buco nero.
Strogatz: Amico, lo capisci da ogni direzione.
Mack (26:34): Esatto, esatto. E quindi se questo accade, se questo evento quantistico accade in un punto dell'universo, allora quella bolla si espande all'incirca alla velocità della luce e distrugge semplicemente tutto nell'universo. E poiché sta accadendo, era alla velocità della luce, non lo vedi arrivare. Quando ti arriva il segnale, è già sopra di te. Ma d'altra parte, non lo sentiresti perché sai, i tuoi impulsi nervosi non viaggiano così velocemente, non ti accorgeresti davvero che è successo. Ma scompariresti dall'esistenza.
Strogatz (27:04): Voglio dire, la velocità della luce lo rende una cosa interessante, dal momento che l'universo è molto grande, anche rispetto alla velocità della luce. Quindi potrebbe accadere da qualche parte molto lontano, a 13 miliardi di anni luce di distanza, no?
Mack (27:16): Certo, certo. È certamente vero che ci sono parti dell'universo che vengono allontanate da noi più rapidamente della velocità della luce dall'espansione dell'universo. E quindi se la bolla si verifica in una di quelle regioni distanti, allora quella bolla non ci raggiungerà. Ma poiché è una specie di evento casuale con lo stesso tasso di decadimento ovunque, se una bolla si verifica molto lontano, è altrettanto probabile che accada nelle vicinanze.
Strogatz: Ah. OK, buon punto.
Mack (27:40): Fortunatamente, il tempo di decadimento che possiamo stimare dai nostri dati attuali è qualcosa come 10 alla potenza di 100 anni. Quindi non è qualcosa che pensiamo accadrà presto. Se pensiamo che accadrà, allora ci vorrà molto, molto tempo da ora quasi sicuramente. Ma poiché è un evento quantistico, è fondamentalmente imprevedibile esattamente quando accadrà, allo stesso modo in cui non puoi prevedere, sai, quando un particolare atomo decadrà in un processo di decadimento radioattivo. Puoi solo dare una sorta di emivita per un pezzo di roba. Allo stesso modo, con l'universo, non possiamo dire con certezza che non accadrà proprio qui, sai, nei prossimi cinque minuti. Possiamo solo dire, molto probabilmente, nel nostro universo osservabile, non accadrà nei prossimi 10 alla potenza di 100, o 10 alla potenza di 500 anni.
(28:25) L'altro avvertimento da tenere a mente è che questi calcoli si basano sul prendere molto sul serio ciò che sappiamo sul Modello standard della fisica delle particelle. E il Modello Standard della fisica delle particelle, che è il nostro tipo di comprensione di come funzionano le particelle in questo universo, è, pensiamo, incompleto. Non include la materia oscura; non include l'energia oscura. Siamo abbastanza sicuri che ci siano dei buchi. E se avessimo davvero un quadro più completo della fisica delle particelle, potrebbe non includere affatto la possibilità del decadimento del vuoto.
Strogatz: OK.
Mack (28:58): Quindi il decadimento del vuoto è un'idea che nasce quando in qualche modo estrapoliamo oltre ciò che pensiamo, sai, è il limite di validità delle nostre teorie. Ma è una possibilità affascinante. Il motivo per cui mi piace così tanto come idea è che è questa connessione molto, molto profonda tra le scale più piccole, l'universo molto, molto primordiale e la distruzione dell'intero cosmo.
Strogatz (29:21): Bello. Giusto. Voglio dire, è, è molto... È solo che c'è qualcosa di così fondamentale in questo meccanismo, in cui tutte le leggi della fisica cambiano in te in un batter d'occhio. Ma anche che immagine questa idea del, il bordo della bolla del vuoto o come lo chiami tu che ti viene incontro…. Accidenti.
Mack: Si.
Strogatz (29:42): Teoria #4, è ora che la teoria #4 scenda in campo qui. Questo è lo scenario noto come Big Crunch, che suona certamente violento e interessante. Cosa, cos'è il Big Crunch?
Mack (29:56): Beh, il Big Crunch è un'idea che esiste da parecchio tempo. Era l'idea più accettata come probabile negli anni '1960. L'idea alla base del Big Crunch è che abbiamo osservato che l'universo si sta espandendo. E c'è la domanda che dobbiamo porci: l'universo continuerà ad estendersi per sempre? O crollerà di nuovo ad un certo punto? Quindi sappiamo che l'universo era piccolo, caldo e denso proprio all'inizio. E da allora è in continua espansione. E dovrebbe esserci un'interazione tra l'espansione e la gravità in tutta quella storia, giusto? Quindi, mentre le galassie vengono allontanate l'una dall'altra, dall'estensione dello spazio, hanno anche la gravità che si avvicina l'una all'altra. E quindi l'esistenza della materia nell'universo dovrebbe solo rallentare l'espansione attraverso il fatto che tutto è attratto verso tutto il resto.
(30:41) Nel corso degli anni, c'è stato un tentativo di capire se l'espansione vincerà? O vincerà la gravità? E ora sappiamo che è molto probabile che l'espansione vinca, perché vediamo che l'espansione sta effettivamente accelerando, perché l'energia oscura sta accelerando l'espansione. E quindi non vediamo un modo chiaro in cui l'universo potrebbe fermarsi e collassare di nuovo. Ma negli anni '1960 non lo sapevamo, ei dati preliminari sembravano suggerire che ci fosse più gravità che espansione, nel senso che l'universo avrebbe smesso di espandersi e alla fine sarebbe ricollassato.
(31:13) E dovrei anche dire che, sai, non pensiamo che questa sia un'idea preferita adesso. Ma poiché non sappiamo cosa sia l'energia oscura, non sappiamo per certo che non sia qualcosa che potrebbe cambiare direzione. Sai, sappiamo che ora sta causando espansione. Non sappiamo che non è qualcosa che potrebbe cambiare, che potrebbe essere un campo dinamico dove ad un certo punto causerebbe una compressione invece di un'espansione.
(31:34) Quindi non lo sappiamo per certo, ma penso che sia lo scenario che trovo più terrificante, anche se in un certo senso potrebbe essere uno dei meno probabili perché sembra contraddire i dati attuali. L'idea che l'universo possa iniziare a comprimere tutto è davvero, davvero sconvolgente. Perché, sai, in questo momento vediamo le galassie allontanarsi. Vediamo l'universo raffreddarsi e svuotarsi. Se l'universo iniziasse a contrarsi, allora vedremmo che tutte queste galassie lontane si precipitano verso di noi. E le galassie si scontrerebbero continuamente tra loro, ma galassie lontane verrebbero verso di noi e l'universo diventerebbe molto, molto denso e affollato.
(32:12) E peggio ancora, anche tutta la radiazione nell'universo verrebbe compressa. Ciò significa che non solo diventerebbe più caldo, solo perché più radiazioni si trovano in uno spazio più piccolo. Ma anche tutta la radiazione sarebbe in qualche modo indurita in radiazione di energia più alta, radiazione di frequenza più alta. Quindi c'è un processo che avviene nell'universo durante l'espansione chiamato spostamento verso il rosso, in cui la radiazione viene estesa a lunghezze d'onda maggiori. Quindi sai, la luce visibile diventa infrarossa, diventa radio. Se avessi la compressione, allora tutta quella luce visibile da tutte le stelle che si sono mai mostrate nell'universo inizierebbe a essere compressa in ultravioletto, in raggi X, in luce di raggi gamma. E inizierebbe a cuocere l'universo in questo modo molto profondo.
(32:57) E c'era un articolo davvero affascinante, credo, del 1969 dell'astronomo Martin Rees, in cui calcolò che in questo scenario del Big Crunch, a un certo punto, la temperatura ambiente dello spazio, la radiazione nello spazio da tutte le quella luce stellare essendo compressa, sarebbe sufficiente a provocare reazioni termonucleari lungo le superfici delle stelle, e cuocerebbe le stelle dall'esterno verso l'interno, proprio per la radiazione dello spazio. E sai, a quel punto, come se niente fosse sopravvissuto. Quindi è un'idea che personalmente trovo abbastanza sconvolgente, l'idea che potremmo semplicemente essere cotti dalla radiazione dello spazio mentre l'universo sta collassando intorno a noi.
Strogatz (33:38): Beh, sì, interessante che sia quello che ti infastidisce di più, perché voglio dire, tutti loro hanno il loro…. Sai, tipo, vuoi andartene all'improvviso? Vuoi bollire? Vuoi congelare?
Mack (33:49): Esatto. Giusto. Voglio dire, nessuno di loro finisce bene, giusto? Ma con la morte termica, hai davvero tanto tempo. Quindi è carino. Sai, è tutto gentile. Con il decadimento del vuoto, non vedi arrivare. Quindi tipo, qualunque cosa, non te ne accorgi nemmeno.
Strogatz: OK.
Mack (34:04): È una specie di non-evento, dal punto di vista di un essere cosciente. Ma sia il Big Rip che il Big Crunch, vedresti arrivare, e questo è abbastanza spaventoso.
Strogatz (34:13): Ehm. Immagino che ora siamo arrivati all'ultimo, il Rimbalzo, o quello che penso di ricordare da bambino fosse chiamato l'Universo Pulsante. È la stessa idea?
Mack (34:23) Quindi, in questo caso, sto raggruppando alcune idee diverse in un'ampia categoria di universo ciclico o universo che rimbalza. L'idea è che essenzialmente tenta di spiegare l'inizio stesso dell'universo…. Quindi ci sono alcuni aspetti dell'universo primordiale che sono difficili da spiegare nella nostra attuale cosmologia, sai. Come è stato impostato così com'era? Perché il nostro universo è il tipo di forma che è, in termini di tipo di forma dello spazio? Perché il nostro universo era abbastanza basso entropia in passato che l'entropia può aumentare nel futuro allo stato in cui è ora?
(34:54) Queste sono tutte domande profonde sull'inizio. E ci sono stati alcuni tentativi di rispondere a queste domande dicendo: “Beh, forse l'inizio non è stato l'inizio. Forse c'era qualcosa prima dell'inizio che ha creato le condizioni per l'universo che esiste oggi. Quelli portano a queste cosmologie cicliche. O un'idea in cui c'era un universo precedente che si è evoluto nel Big Bang che abbiamo sperimentato e poi si è evoluto nel nostro universo attuale. O semplicemente dove hai solo un ciclo costante di universi, dove c'era qualcosa prima di noi, ci sarà qualcosa dopo di noi. E alcune di queste idee implicano una sorta di compressione del nuovo Big Bang, altre implicano una sorta di morte termica, e poi ne scaturirà un nuovo Big Bang. Alcuni sono una specie di "c'era una fase precedente, e questa si evolve nella nostra fase, ma non accadrà nulla in futuro". Quindi questi sono tutti tipi di idee che vengono prese in giro per le possibilità del futuro del nostro universo o per la fine di un universo precedente che conduce al nostro.
Strogatz (35:48): A questo punto, immagino, mi piace indossare il mio... non proprio il mio cappello da scettico, ma il mio cappello da scienziato. Sembra che ci sia molta scienza in quello che dici, in quanto lo colleghi a ciò che sappiamo sulla teoria quantistica dei campi o sulla relatività generale. Ma per quanto riguarda le osservazioni?
Mack (36:05): Sì, voglio dire, quindi fondamentalmente, non saremo mai in grado di rispondere con assoluta certezza alla domanda "come finirà l'universo?" Perché, ovviamente, se succede, non siamo lì per scrivere la risposta. Ma ci sono alcuni modi diversi in cui affrontiamo questa domanda che, fondamentalmente, quello che stiamo cercando di fare è estrapolare ciò che sappiamo sull'universo ora e la sua evoluzione dal passato al futuro. Ed è qui che finisci con questa ramificazione di diverse possibilità. Perché ci sono diverse direzioni che potrebbero andare e potremmo andare in futuro che sono coerenti con l'evoluzione dell'universo fino ad ora.
(36:37) In termini di cose osservative che possiamo imparare che possono dirci di più su quale di questi percorsi è più probabile, ci sono alcuni modi diversi per affrontarlo. Uno è cercare di capire l'energia oscura. Quindi tre di questi scenari dipendono molto da cosa sia l'energia oscura e da come agirà. Quindi, se riusciamo a capire, l'energia oscura è davvero una costante cosmologica? O è qualcosa che varia? E questa potrebbe essere una domanda impossibile in sé e per sé perché una costante cosmologica è una specie di caso speciale di una classe più ampia di idee sull'energia oscura, in cui non puoi mai essere certo al 100% di essere esattamente in quello stato.
(37:16) È un po'... dal punto di vista dell'osservazione, è difficile essere lì con completa certezza, ma possiamo ottenere sempre più certezze sul comportamento dell'energia oscura. E forse potremmo trovare una sorta di base teorica per l'energia oscura. Forse ci sarà qualche risultato sperimentale in qualche altro modo che ci dirà che questa è davvero la risposta a cosa sia l'energia oscura. Quindi cercare di capire l'energia oscura attraverso osservazioni cosmologiche o attraverso test sperimentali che possono arrivare al possibile tipo di fisica fondamentale dell'energia oscura. Queste sono tutte strade che possiamo esplorare e cercare di distinguere tra morte termica, Big Rip, Big Crunch - quel tipo di idee che dipendono dalle dinamiche di espansione.
(37:55) In termini di qualcosa come il decadimento del vuoto, se comprendiamo meglio il campo di Higgs e le sue connessioni con altre particelle e altri campi nella fisica delle particelle, allora avremo un'idea migliore se il campo di Higgs è pari o meno capace di decadere in questo modo. E se il decadimento del vuoto è una possibilità, come cambia il potenziale di Higgs a scale diverse. Queste sono tutte cose che vengono attivamente ricercate con esperimenti come il Large Hadron Collider.
(38:22) E poi quando parliamo di universi ciclici, dobbiamo solo capire l'inizio, giusto? Se otteniamo maggiori informazioni sull'universo molto, molto primordiale attraverso le osservazioni, attraverso una sorta di analisi intelligente dei dati dell'universo primordiale, cercando cose come le onde gravitazionali primordiali e cosa potrebbe dirci sul fatto che l'inflazione cosmica si sia verificata o meno all'inizio , o attraverso una migliore comprensione della teoria delle particelle attraverso cose come esperimenti sulle particelle che potrebbero dirci se il Modello standard della fisica delle particelle è davvero valido, o cos'altro potrebbe esserci alla base di esso, se potrebbero esserci dimensioni superiori dello spazio? Questo è un altro aspetto di questa domanda.
(38:59) Quindi tutti questi sono luoghi in cui possiamo cercare cercando di capire se gli universi ciclici sono la giusta direzione in cui andare. E se c'era qualcosa prima del Big Bang che ha creato le condizioni per il nostro universo oggi.
Strogatz (39:11): Quindi sembra che molte strade diverse all'interno della fisica fondamentale siano la nostra possibilità migliore qui. Parliamo solo del telescopio Webb, perché sono sicuro che molte persone ci stiano pensando, dal momento che soprattutto quello che hai appena menzionato nell'ultimo caso sull'universo ciclico è che è tanto una domanda su cosa sta succedendo nell'universo primordiale . E il telescopio Webb ci dice qualcosa sull'universo primordiale, ma immagino non abbastanza presto. È giusto?
Mack (39:35): Sì. Quindi, il telescopio Webb può dirci molto sulla prima generazione di galassie. E questo è super eccitante per me personalmente, perché come ricercatore di materia oscura, l'impatto della materia oscura su quelle prime galassie potrebbe essere davvero diverso in diversi tipi di modelli di materia oscura. Quindi c'è molto che potremmo imparare su alcuni aspetti della fisica fondamentale, su cose come la materia oscura, essenzialmente sull'energia oscura mentre osserviamo galassie molto distanti. e potenzialmente ottenere solo una migliore misurazione della geometria dell'universo man mano che otteniamo più di queste galassie. Quindi possiamo sicuramente imparare molto sulle galassie e sulla struttura su larga scala dell'universo, otterremo alcune informazioni dal JWST da questo tipo di osservazioni.
Mack (40:15): In termini di universo molto, molto primordiale, però, si tratta davvero di osservazioni di cose come il fondo cosmico a microonde. Quindi questo tipo di luce dall'universo primordiale in cui l'universo era ancora in fiamme. Ma è ancora in questa sorta di fase di radiazione calda, risplendeva di calore e di radiazione da questo plasma primordiale. E con i telescopi a microonde, possiamo vedere quel bagliore. E questo può darci alcune informazioni davvero importanti sull'universo molto, molto, molto primordiale.
Strogatz (40:42): Cosa ne pensi del campo dello studio della fine dell'universo? Qualche idea su dove andrà nei prossimi 10-20 anni? È solo che continueremo a concentrarci sulla fisica fondamentale, e questa sarà la nostra migliore speranza per fare davvero dei progressi qui?
Mack (40:58): Penso che sia vero. Penso che mentre continuiamo a saperne di più sulla natura fondamentale del cosmo, sia nel senso, sai, della struttura del cosmo, della forma dello spazio e del potenziale per - forse ci sono più dimensioni dello spazio. Forse spazio e tempo emergono da qualche fenomeno più astratto. Forse lo scopriremo attraverso cose come l'olografia e i buchi neri. E c'è un intero altro campo in cui possiamo entrare in cui non voglio approfondire troppo in questo momento. Sai, quindi forse impareremo qualcosa sulle strutture fondamentali della realtà. Forse impareremo cos'è l'energia oscura. Forse impareremo cos'è la materia oscura. Forse queste cose informeranno la nostra comprensione della fisica delle particelle fondamentali. Forse otterremo maggiori informazioni sull'universo molto, molto primordiale e impareremo qualcosa su come sono state create le condizioni iniziali per il nostro universo.
(41:45) Sono tutti super eccitanti a modo loro, giusto? Ogni pezzo di questo è qualcosa che sarebbe estremamente importante per la fisica, che rivoluzionerebbe il modo in cui pensiamo all'universo in modi davvero importanti. E come effetto collaterale, impareremmo qualcosa su come potrebbe finire il nostro universo, quale potrebbe essere il nostro destino finale. Quindi penso che ci siano pochissime persone che, sai, davvero, il loro obiettivo principale è cosa succederà all'universo? Come andremo a finire? In realtà, sono queste altre domande che arrivano alla natura fondamentale della realtà, all'evoluzione del cosmo, alle origini del cosmo. E tutti questi alimentano queste grandi domande su dove stiamo andando? Cosa succederà dopo?
Strogatz (42:27): Meraviglioso. Bene, abbiamo parlato con la cosmologa teorica Katie Mack, autrice del libro La fine di tutto (astrofisicamente parlando). Grazie mille per esserti unito a noi oggi. Katia,
Mack (42:38): Grazie per avermi ospitato. Questa è stata una conversazione davvero divertente.
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