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I buchi bianchi potrebbero emergere da un ‘rimbalzo quantico’

È quanto sostiene uno studio condotto da due fisici secondo i quali i buchi neri potrebbero terminare il loro ciclo vitale trasformandosi nel loro esatto opposto: cioè negli ipotetici ‘buchi bianchi‘, che spazzerebbero nello spazio esterno, e in maniera violenta ed esplosiva, tutta la materia che hanno attratto quando erano buchi neri. Questa ipotesi, che si basa su una teoria ancora speculativa, detta gravità quantistica a loop (Loop Quantum Gravity, LQG), potrebbe risolvere il cosiddetto paradosso della (perdita) d’informazione dei buchi neri, un mistero che dura ormai da molto tempo.

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Buchi neri, ‘portali’ verso altri universi

Due scienziati, Rodolfo Gambini dell’University of the Republic in Montevideo, Uruguay, e Jorge Pullin della Louisiana State University, hanno applicato la teoria della Loop Quantum Gravity (LQG) al caso di un buco nero di Schwarzschild. Nel loro articolo pubblicato su Physical Review Letters, i due scienziati non trovano una singolarità nel suo centro bensì una sorta di ‘portale’ verso un altro universo.

Il concetto di Big Bang, come l’evento iniziale da cui ha avuto origine il nostro Universo sta ormai passando di moda, anche perché la teoria della relatività generale non è in grado di descrivere ‘ciò che accadde prima della singolarità’ in un punto del tempo appena prima del Big Bang. La teoria suggerisce inoltre che una tale singolarità dovrebbe esistere al centro dei buchi neri ma, di nuovo, la relatività generale viene meno nel descriverla. Ancora peggio, esiste il problema che riguarda il cosiddetto paradosso dell’informazione: in altre parole, cosa succede all’informazione contenuta in un oggetto che cade in un buco nero verso la singolarità? Ad oggi, i cosmologi ‘classici’ non sanno dare una risposta. Dunque, per tentare di risolvere questi problemi, nel 2006 Abhay Ashtekar ed il suo gruppo presso la Pennsylvania State University, formularono una teoria nota come Loop Quantum Gravity (LQG). Essi suggerirono che invece di ammettere l’esistenza di una singolarità poco prima del Big Bang, ci fossero i ‘frammenti’, per così dire, di un universo collassato che esisteva prima del nostro. In altre parole, il nostro Universo non emerse dal nullo con un Big Bang di se stesso, piuttosto esiste un ciclo infinito dove un universo collassa verso un punto molto piccolo per poi esplodere in un Big Bang che, a sua volta, collassa per poi esplodere secondo un processo ciclico, o a “loop” appunto, che va avanti per sempre. Da quel momento, ci si riferisce alla teoria LQG anche con il termine di Big Bounce in sostituzione del termine Big Bang. Nel loro studio, Gambini e Pullin hanno applicato la LQG al caso più semplice di buco nero. Il loro esperimento dimostra che qualsiasi oggetto che viene attirato verso il buco nero non viene compresso fino a raggiungere la singolarità, piuttosto l’oggetto viene ridotto ad una dimensione piccola ma finita per poi essere espulso interamente in un’altra parte dell’Universo o addirittura in un altro universo. Dato che il loro modello funziona molto bene, i due scienziati ritengono che possa funzionare con gli oggetti reali. Se questa teoria si dimostrerà corretta, essa potrebbe un giorno eliminare il paradosso della perdita dell’informazione aprendo così una nuova strada teorica nel considerare i buchi neri come dei veri e propri ‘portali’ verso altri universi.

arXiv: Loop quantization of the Schwarzschild black hole

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Un modello cosmologico alternativo all’inflazione

Black HoleIl nostro Universo potrebbe esistere all’interno di un buco nero. Nonostante questa ipotesi possa sembrare alquanto strana, non lo è, invece, per il fisico teorico Nikodem Poplawski. La sua idea potrebbe rappresentare il quadro migliore per spiegare l’origine dell’Universo e tutta la realtà fisica che ci circonda.

Il modello cosmologico standard, che descrive l’evoluzione del nostro Universo, lascia alcune domande aperte dato che implicano l’origine dello spazio e del tempo da una singolarità iniziale, cioè una regione infinitamente piccola che contiene una concentrazione infinitamente grande di materia, che poi si è espansa nello spazio, in seguito all’inflazione, fino a raggiungere le dimensioni che osserviamo oggi. Il modello inflazionistico, che suggerisce un periodo di rapida espansione esponenziale, soddisfa alcuni dettagli importanti, come ad esempio l’aggregazione e la concentrazione della materia primordiale da cui si sono formate successivamente le strutture quali galassie e ammassi di galassie. Nonostante ciò, gli scienziati devono ancora rispondere ad alcune domande: Che cosa ha dato il via al Big Bang? Che cosa ha fatto terminare il periodo dell’inflazione? Qual è la sorgente della misteriosa energia scura che sembra causare una accelerazione all’espansione dello spazio? L’idea che il nostro Universo possa essere interamente ‘contenuto’ in un buco nero fornisce le risposte a queste domande e a molte altre. Intanto viene eliminata la nozione di singolarità e l’idea Poplawski si basa sulle due teorie fondamentali che abbiamo al momento a disposizione: la relatività generale e la meccanica quantistica. La relatività generale è la teoria più moderna della gravità che viene descritta come la curvatura dello spaziotempo prodotta da un corpo celeste di grande massa. In essa tutti gli oggetti si muovono seguendo traiettorie ellittiche (come le orbite dei pianeti, delle comete o degli asteroidi) e la stessa radiazione ne viene influenzata attraverso la deflessione dei raggi luminosi (lente gravitazionale). La relatività generale descrive l’Universo su larga scala e qualsiasi evento viene descritto come un punto nello spaziotempo. La meccanica quantistica descrive, invece, il mondo degli atomi e delle particelle. Le due teorie sono, al momento, come due famiglie separate che vivono nella stessa casa e non si parlano. Infatti, uno degli obiettivi principali dei teorici è proprio quello di  trovare un punto d’incontro in modo tale da unificare le due teorie in una unica descrizione (gravità quantistica) per spiegare in maniera adeguata tutta una serie di fenomeni, inclusi il comportamento delle particelle elementari in prossimità dei buchi neri (vedasi Idee sull’Universo). Negli anni ’60, alcuni teorici introdussero una serie di modifiche alla relatività generale tenendo conto degli effetti descritti dalla meccanica quantistica: questa formulazione matematica è stata chiamata la teoria della gravità Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Questo modello non solo fornisce un passo importante verso una teoria quantistica della gravità ma porta ad un quadro alternativo del nostro Universo. Le modifiche introdotte nella teoria di Einstein incorporano una importante proprietà quantistica chiamata spin. Le particelle come gli elettroni hanno uno spin proprio, cioè un momento angolare intrinseco analogo a quello di un pattinatore sul ghiaccio. Ora, lo spin delle particelle interagisce con lo spaziotempo e ne determina una proprietà chiamata torsione. A sua volta, la torsione dello spaziotempo può determinare effetti significativi solo durante le epoche primordiali dell’Universo o nei buchi neri. In queste condizioni estreme, la torsione dello spaziotempo si può manifestare come una forza di natura repulsiva che si oppone alla forza gravitazionale attrattiva dovuta alla curvatura dello spaziotempo. Come descritto nella versione originale della relatività generale, stelle di grande massa possono collassare in un buco nero che dà luogo ad una regione dello spazio dove nulla, nemmeno la luce, è in grado di sfuggire alla sua intensa attrazione gravitazionale. Ecco allora come l’effetto della torsione potrebbe agire durante le fasi primordiali della storia dell’Universo all’interno di un buco nero. Inizialmente, l’attrazione gravitazionale tra le particelle supera le forze repulsive dovute alla torsione, determinando il collasso gravitazionale della materia in una piccolissima regione di spazio. Tuttavia, alla fine del processo, l’effetto della torsione diventa maggiore e fa sì che la materia non diventi estremamente compressa in un punto di densità infinita. Nonostante ciò, la materia può essere ancora compressa in uno stato a densità elevata. Inoltre, l’immensa energia gravitazionale concentrata in questo stato fisico determina la produzione di particelle dato che, secondo l’equazione di Einstein E=mc2, l’energia può essere convertita in materia. Una delle conseguenze di questo processo è l’incremento della massa del buco nero. Il numero via via crescente di particelle dotate di spin risulta nella formazione di livelli di torsione dello spaziotempo sempre più elevati. La torsione repulsiva ferma il collasso gravitazionale e crea un big bounce, cioè un rimbalzo come quello che avviene in un pallone compresso. Il rapido rinculo, che segue dopo il rimbalzo, è ciò che determina l’espansione dello spazio. Il risultato di questo rinculo è in accordo con le osservazioni della forma, della geometria e della distribuzione di materia nell’Universo. In più, il meccanismo della torsione suggerisce uno scenario interessante: ogni buco nero produce un nuovo universo. Se ciò è vero, allora la materia primordiale del nostro Universo deve essere arrivata da qualche altra parte. Dunque, il nostro Universo potrebbe essere la parte interna di un buco nero che esiste in un altro universo. Per cui così come noi non siamo in grado di vedere ciò che avviene all’interno di un buco nero, allo stesso modo qualsiasi osservatore che si trova nell’altro universo non sarà in grado di vedere cosa succede nel nostro. Il moto della materia lungo l’orizzonte degli eventi avviene solo in una direzione e ciò dà al tempo una direzione privilegiata che noi percepiamo come un movimento in avanti, cioè dal passato al futuro. In questo modo, la freccia del tempo del nostro Universo viene, per così dire, ereditata attraverso la torsione dall’altro universo ‘madre’ da cui discende. La torsione può inoltre spiegare l’asimmetria barionica tra materia e antimateria nel nostro Universo che rappresenta ancora uno dei grandi misteri della cosmologia (vedasi Enigmi Astrofisici). A causa della torsione, la materia si trasforma nelle particelle a noi familiari, quali elettroni e quark, mentre l’antimateria si trasforma, invece, in materia scura, quella componente misteriosa che costituisce il 23% circa del contenuto materia-energia del nostro Universo. Infine, la stessa torsione potrebbe essere la sorgente dell’energia scura, quell’altra componente enigmatica dominante che costituisce il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che permea tutto lo spazio causando una accelerazione dell’espansione. La geometria con un effetto di torsione produce in maniera naturale una costante cosmologica che rappresenta una sorta di forza aggiuntiva per spiegare nella maniera più semplice gli effetti dell’energia scura. In questo modo, l’espansione accelerata dell’Universo potrebbe terminare essendo l’evidenza più forte degli effetti dovuti alla torsione.

Per riepilogare, questo meccanismo di torsione fornisce un quadro teorico per uno scenario in cui la parte interna di un buco nero rappresenta un nuovo universo. Esso diventa anche una specie di rimedio ai maggiori problemi della cosmologia e delle varie teorie della gravità. Oggi, forse, i fisici hanno bisogno di combinare completamente la teoria della gravità di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble con la meccanica quantistica in una teoria quantistica della gravità. Se, però, vengono superati alcuni problemi naturalmente emergono altre domande tipo: Che cosa sappiamo del buco nero all’interno del quale risiede il nostro Universo? Quanti altri universi esistono al di fuori del buco nero? Come facciamo a verificare che il nostro Universo esiste effettivamente all’interno di un buco nero? A quest’ultima domanda possiamo rispondere in questo modo: dato che tutte le stelle così come i buchi neri ruotano, il nostro Universo può aver ereditato una sorta di “direzione preferenziale” data dall’asse di rotazione del buco nero da cui discende. Di fatto, esiste una recente evidenza da uno studio relativo ad una survey di 15 mila galassie in cui si osserva che esistono più galassie a spirale che ruotano in senso antiorario in un emisfero mentre nell’altro emisfero esistono più galassie a spirale che ruotano nel verso opposto (post). Per concludere, secondo Poplawski tener conto degli effetti della torsione nella geometria dello spaziotempo rappresenta un passo fondamentale verso la formulazione di una nuova teoria cosmologica.

arXiv: Cosmology With Torsion - An Alternative To Cosmic Inflation

L’origine dell’Universo secondo la gravità quantistica a loop

Image credit: Thomas Fuchs

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo ebbe origine da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, circa 13-14 miliardi di anni fa. Alcuni istanti dopo, l’Universo subì una rapida espansione, nota come inflazione, che diede forma, per così dire, allo spazio cosmico. Durante questo periodo, emersero minuscole fluttuazioni di energia che, successivamente, diedero luogo a tutte quelle strutture cosmiche che oggi possiamo ammirare sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Nonostante questo modello sia in grado di descrivere in prima approssimazione l’evoluzione dell’Universo primordiale, nessuno è in grado di spiegare come hanno avuto origine queste fluttuazioni primordiali. Ma di recente, tre fisici avrebbero scoperto la chiave per risolvere questo enigma attraverso la formulazione di una teoria in cui la gravità dovrebbe mostrare lo stesso comportamento bizzarro basato sull’incertezza che regna nel mondo delle particelle subatomiche.

La cosmologia standard, che si basa sulla relatività generale, non è in grado di spiegare l’origine delle fluttuazioni dato che viene meno quando consideriamo scale molto piccole, tipiche del mondo degli atomi. Durante il brevissimo ed infinitesimale intervallo di tempo prima che avesse luogo l’inflazione, noto come era di Planck, l’intero Universo era compresso in una regione di spazio molti ordini di grandezza più piccola di quella che occupa un atomo. Se tentiamo di applicare la relatività a questa situazione, le sue previsioni non hanno più senso fisico dato che portano a valori infiniti della densità di energia. Dunque, per estendere i concetti di Einstein a queste situazioni estreme i ricercatori hanno sviluppato una teoria denominata loop quantum gravity. Sin dagli anni ’80, Abhay Ashtekar, attualmente alla Pennsylvania State University, trasformò in qualche modo le equazioni di Einstein per renderle compatibili nell’ambito della fisica quantistica. Ma ci fu un prezzo da pagare. Infatti, come conseguenza di questa manipolazione matematica si trovò che lo spazio non era più liscio, continuo e regolare, come nel caso del mondo infinitamente grande, ma consisteva di tante unità discrete, denominate loop o anelli, e che la sua struttura microscopica poteva fluttuare contemporaneamente tra tutta una serie di stati multipli. Nel corso degli ultimi anni, i fisici hanno dichiarato che se, e con un grande “se” dato che non abbiamo ancora evidenze sperimentali, la teoria della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce associato ad un precedente universo che si trovava nella fase di collasso gravitazionale. Oggi, però, Ashtekar e i suoi collaboratori sono convinti che questa tecnica, attraverso la quale è possibile estendere i concetti della relatività generale verso gli istanti primordiali della storia dell’Universo, possa riempire il divario tra il Big Bounce, cioè l’era di Planck, e il momento in cui ha origine l’inflazione non solo ma grazie ad essa è possibile spiegare anche la formazione di tutte quelle fluttuazioni senza le quali non si sarebbero formate nel corso del tempo le strutture cosmiche fino ad arrivare persino a noi stessi. Queste fluttuazioni primordiali sarebbero perciò la naturale conseguenza delle fluttuazioni quantistiche che esistevano già all’epoca del Big Bounce. “I nostri risultati forniscono una estensione autoconsistente dell’inflazione fino alla scala di Planck” dichiara Ashtekar. “Il fatto che la gravità quantistica abbia lasciato oggi una sorta di ‘impronta digitale’ sulle strutture cosmiche è alquanto sorprendente ed elegante” dichiara Jorge Pullin della Louisiana State University, un esperto di gravità quantistica a loop e buchi neri. Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, afferma invece che i ricercatori hanno bisogno di introdurre tutta una serie di “assunzioni artificiose” per poter procedere indietro nel tempo dal momento in cui avviene l’inflazione fino a epoche più remote. “La gravità quantistica a loop è interessante”, dice Turok, “ma non si tratta ancora di una vera e propria teoria e perciò bisogna stare attenti a non prendere sul serio certe sue predizioni”. 

Full story: The missing epoch

Un nuovo paradigma sull’Universo delle origini

Alcuni ricercatori della Penn State University hanno sviluppato un modello che tenta di spiegare le fasi iniziali della storia dell’Universo. Grazie a tecniche moderne che si basano sul cosiddetto modello cosmologico della teoria quantistica a loop (loop-quantum cosmology), gli scienziati hanno esteso i concetti della fisica quantistica fin quasi “all’inizio del tempo”. Questo paradigma della teoria quantistica a loop suggerisce, per la prima volta, che le strutture su larga scala che vediamo oggi come galassie o ammassi di galassie si sono originate a partire dalle fluttuazioni quantistiche iniziali emerse nello spaziotempo ed esistite sin già da quando si originò l’Universo quasi 14 miliardi di anni fa. Questi risultati forniscono nuove opportunità osservative che serviranno per verificare i vari modelli cosmologici grazie alle future missioni spaziali che vedranno impiegati i telescopi di ultima generazione.

“Noi umani da sempre cerchiamo di comprendere come si è originato il nostro Universo”,  spiega Abhay Ashtekar. “Stiamo usando il nostro paradigma per capire, in dettaglio, i processi dinamici che la materia e lo spazio subirono durante le fasi primordiali della storia cosmica, fino all’inizio di tutto”. Il paradigma quantistico fornisce un nuovo sistema concettuale e matematico al fine di descrivere la geometria esotica da cui emerse lo spaziotempo e che possiamo descrivere applicando le leggi della meccanica quantistica. Questo modello suggerisce che l’Universo era così compresso fino a raggiungere valori di densità tali che il suo comportamento non può essere descritto né dalle equazioni della relatività generale di Einstein né da una teoria ancora più fondamentale che si basa sulle strani leggi della meccanica quantistica. Si calcola che la densità della materia poteva raggiungere valori dell’ordine di 1094 grammi per centimetro cubico contro la densità di un nucleo atomico che è di 1014 grammi. Nel mondo bizzarro della meccanica quantistica, dove si parla di probabilità piuttosto che di certezza, le proprietà fisiche sono decisamente diverse da quelle del mondo a cui siamo abituati. Tra queste differenze esistono i concetti di tempo così come le proprietà dinamiche di vari sistemi che evolvono nel corso del tempo man mano che interagiscono con la struttura dello spaziotempo quantistico. Oggi, l’informazione più antica che disponiamo della storia cosmica ci viene fornita dalla radiazione cosmica di fondo e risale a quando l’Universo aveva una età di appena 380 mila anni. Da quell’epoca, dopo un periodo di rapida espansione, chiamata inflazione, l’Universo è divenuto molto più fluido rispetto alla sua versione iniziale super compressa. All’inizio della fase inflazionistica, la densità dell’Universo era un trilione di volte inferiore rispetto a quella del periodo delle origini, così che le fluttuazioni quantistiche sono molto meno importanti oggi nel determinare le proprietà dinamiche della materia e della geometria dello spaziotempo su larga scala. Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l’Universo è uniforme su larga scala, eccetto per alcune regioni dello spazio che sono più o meno dense. Il modello standard inflazionistico, che si basa sulle equazioni classiche della relatività generale, tratta lo spaziotempo come un continuo regolare. “Il modello inflazionario spiega con successo la radiazione cosmica di fondo, ma questo modello non è completo. Esso si basa sull’idea che l’Universo emerse dal nulla in seguito ad una singolarità iniziale, il Big Bang, che risulta dall’incapacità della relatività generale nel descrivere le condizioni estreme della meccanica quantistica”, spiega Ivan Agullo. “Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come ad esempio la teoria quantistica a loop, per andare oltre la fisica di Einstein, al fine di catturare la vera essenza dell’origine del nostro Universo”. Alcuni lavori precedenti sulla cosmologia quantistica a loop eseguiti dal gruppo di Ashtekar hanno modificato, per così dire, il concetto del Big Bang con l’idea del Big Bounce in base alla quale l’Universo non emerse dal nulla bensì da materia super compressa che sarebbe già esistita ancora prima. Dunque, anche se le condizioni della meccanica quantistica all’inizio del tempo furono estremamente differenti da quelle descritte dalla fisica classica dopo l’inflazione, il nuovo paradigma introdotto dai fisici della Penn State University permette di rivelare una connessione sorprendente tra i due modelli che tentano di descrivere queste fasi primordiali. Nel momento in cui gli scienziati utilizzano il modello dell’inflazione applicando le equazioni di Einstein per descrivere l’evoluzione dell’Universo, essi trovano che le irregolarità diventano quei “siti cosmici” da cui sono emersi gli ammassi di galassie e le strutture su larga scala che osserviamo oggi. Ma in maniera quasi spettacolare si trova che utilizzando il modello cosmologico quantistico a loop, con le sue relative equazioni, le fluttuazioni fondamentali nel momento del Big Bounce evolvono per divenire, nel corso del tempo, ancora quei siti cosmici che si osservano nella radiazione cosmica di fondo. Insomma, i dati dei ricercatori della Penn State suggeriscono che le condizioni iniziali relative alle fasi primordiali dell’Universo portano in maniera naturale alla nascita delle strutture su larga scala che osserviamo oggi. In questo modo, i ricercatori possono descrivere l’origine delle strutture cosmiche del nostro Universo dall’epoca inflazionaria al Big Bounce, coprendo circa 11 ordini di grandezza in termini di densità di materia e della curvatura dello spaziotempo. In altre parole, si definiscono meglio quelle condizioni iniziali che sarebbero esistite durante l’origine dell’Universo che hanno portato successivamente alla formazione delle strutture cosmologiche in accordo con i dati sulla radiazione cosmica di fondo.

[Press release: The Beginning of Everything: A New Paradigm Shift for the Infant Universe]

arXiv 1: An Extension of the Quantum Theory of Cosmological Perturbations to the Planck Era

arXiv 2: A Quantum Gravity Extension of the Inflationary Scenario

arXiv 3: Perturbations in loop quantum cosmology

arXiv 4: Probability of Inflation in Loop Quantum Cosmology

arXiv 5: The Big Bang and the Quantum

Cosa accadde prima del Big Bang?

Illustrazione del modello del Big Bounce.
Credit: Scientific American

Nonostante il Big Bang rimanga il più profondo degli enigmi della moderna cosmologia, gli scienziati vogliono spingersi oltre al punto da sviluppare un approccio matematico che potrebbe essere in grado di spiegare ciò che accadde prima del Big Bang.

Secondo la teoria generale della relatività, lo spazio è continuo e può essere suddiviso all’infinito in tante regioni sempre più piccole. L’idea che sta alla base della meccanica quantistica è che determinate quantità fisiche esistono sottoforma di pacchetti discreti (quanti) piuttosto che in un continuo. Inoltre, questi quanti e i fenomeni fisici ad essi associati possono esistere solo su una scala estremamente piccola, la scala di Planck. Finora, la meccanica quantistica non è stata in grado di proporre un modello della ‘gravità quantizzata’. La teoria detta loop quantum gravity (LQG) è, di fatto, un tentativo di formulare la descrizione della gravità su scale quantistiche. Essa rappresenta lo spazio come una sorta di rete composta da tanti campi gravitazionali eccitati a forma di inviluppi che si intersecano. Questo insieme viene chiamato spin network e la sua evoluzione nel tempo viene chiamata spin foam. La teoria LQG non solo fornisce un quadro matematico ben preciso dello spazio e del tempo ma ci permette di avere soluzioni matematiche ad una serie di problemi legati ai buchi neri e alla singolarità del Big Bang. Sorprendentemente, la LQG ci dice che il Big Bang è stato in realtà un Big Bounce, cioè non una singolarità ma un continuo dove il collasso gravitazionale di un universo precedente causò la comparsa del nostro Universo. Di recente, un gruppo di ricercatori europei ha dato il via ad un progetto noto come Effective Field Theory For Loop Quantum Gravity (EFTFORLQG) per sviluppare una teoria che possa, in qualche modo, riconciliare i concetti classici della relatività generale con quelli della meccanica quantistica. I risultati ottenuti finora sono andati ben oltre le aspettative al punto che la LQG si presenta oggi come uno dei modelli più competitivi per descrivere la struttura quantistica dello spazio e del tempo compatibile con i concetti della relatività generale. Le implicazioni sono estremamente importanti perchè permettono potenzialmente di risolvere tutta una serie di enigmi del nostro Universo.

Maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso