Utente:Restu20/Sandbox2

Grafico da inserire nella voce Cronologia del Big Bang

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Qui riporto la versione della voce Big Bang precedente alla mia traduzione.

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«L'essenza della teoria del Big Bang sta nel fatto che l'Universo si sta espandendo e raffreddando. Lei noterà che non ho detto nulla riguardo ad una "esplosione". La teoria del Big Bang descrive come il nostro universo evolve, non come esso iniziò»

(P. J. E. Peebles, 2001)

Una rappresentazione artistica dell'espansione dell'universo. Per ovvie esigenze grafiche, l'universo è raffigurato solo in 3 dimensioni (2 di spazio e una di tempo), anziché in 4 (3 di spazio e una di tempo).

In cosmologia, la Teoria del Big Bang è la teoria scientifica predominante, la quale afferma che l'Universo abbia avuto un inizio, infatti il Big Bang riguarda i primi istanti dell'Universo e la sua forma. I fondamentali di questa teoria affermano che l'osservazione di galassie, che appaiono allontanarsi l'una dall'altra, può essere combinata con la teoria della relatività generale, per estrapolare le condizioni dell'Universo primordiale. Questo porta alla conclusione che, andando indietro nel tempo, l'Universo diventa sempre più caldo e denso.

Studio

In astrofisica, il termine Big Bang è usato dai sostenitori di tale teoria:

• per indicare l'intervallo di tempo situato a circa 13,7 miliardi di anni fa, quando i fotoni osservati nella radiazione cosmica di fondo acquistarono il loro spettro di corpo nero
• per indicare, nel senso più generale, un ipotetico "punto", chiamato singolarità gravitazionale, nel quale iniziò l'espansione dell'Universo osservata oggi, formalizzata dalla Legge di Hubble.

Questa visione porta alla conseguenza che l'Universo attuale è molto diverso da com'era nel passato e come sarà nel futuro. La teoria del Big Bang predice che, in un'era primordiale, la materia dell'Universo era abbastanza calda e densa da impedire alla luce di propagarsi liberamente nello spazio.

Nei primi anni '40 venne predetto che questo periodo dell'Universo sarebbe stato osservabile sotto forma di radiazione cosmica di fondo, e la scoperta di tale radiazione negli anni '60 portò la maggioranza degli scienziati a favorire questa teoria rispetto alla sua rivale principale, la teoria dello stato stazionario.

Secondo le teorie fisiche correnti, l'estrapolazione all'indietro nel tempo dell'espansione di Hubble conduce ad una singolarità gravitazionale, in corrispondenza della quale tutte le distanze si annullano e temperatura e pressione tendono all'infinito. Cosa questo significhi è poco chiaro, e la maggior parte dei fisici pensano che tali risultati derivino dalla nostra limitata comprensione delle leggi della fisica, in particolare dalla mancanza di una teoria della gravitazione quantistica.

Vi sono varie critiche riguardo al Big Bang. Alcuni cosmologi mettono in discussione certi assunti della teoria del Big Bang e hanno sviluppato varie cosmologie non-standard. Alcune cercano di spiegare la causa del Big Bang stesso, e come tali sono state criticate per essere moderni miti della creazione.

Alcune persone pensano che la teoria del Big Bang dia credito alle nozioni tradizionali della creazione, come per esempio esposte nella Genesi, mentre altre pensano che tutte le teorie del Big Bang siano incompatibili con tali nozioni. La relazione tra religione e Big Bang è discussa più sotto.

Introduzione

Basandosi su misure dell'espansione dell'Universo, su misure delle Supernovae di tipo Ia, su misure delle disomogeneità della radiazione cosmica di fondo e della funzione di correlazione delle galassie, si pensa che il Big Bang sia avvenuto 13,7 ± 0,2 miliardi di anni fa. La sintonia di queste tre misurazioni, prese in ambiti differenti, è considerata una forte evidenza in favore della teoria.

L'Universo primordiale era estremamente caldo, la distribuzione dell'energia elevata e quasi uniforme. Mentre le distanze nell'Universo crescevano rapidamente, la temperatura scendeva, portando alla creazione delle forze fondamentali, delle particelle elementari, e probabilmente di atomi di idrogeno ed elio in un processo chiamato nucleosintesi primordiale.

Con il passare del tempo, le regioni leggermente più dense della materia (distribuita quasi, ma non del tutto, uniformemente) si addensarono sotto l'effetto della gravità in gruppi, formando nubi di gas, stelle, galassie e altre strutture astronomiche. I dettagli di come la formazione ed evoluzione delle galassie avvenne, dipendono dal tipo di materia dominante nell'Universo, e i tre modelli in competizione sono conosciuti come materia oscura calda, materia oscura fredda e materia barionica. Questi tre modelli sono stati verificati simulandoli al computer, ed effettuando osservazioni della funzione di correlazione galattica.

Al momento non si sa se la singolarità primordiale, sia stata una realtà fisica, o sia un artificio matematico derivato da un'estrapolazione della relatività generale al di fuori del suo campo di applicazione. La soluzione a questo problema dipende da una teoria detta gravità quantistica, che al momento non è ancora conosciuta. Nonostante questi problemi, molti lavori teorici hanno provato ad investigare cosa accadde "prima" del Big Bang, anche se questa parola va usata in senso lato in quanto, secondo la visione classica, il tempo stesso - come comunemente inteso e percepito - nacque con il Big Bang. Alcuni di questi sforzi riguardano l'Universo ekpyrotic, ed hanno investigato anche il principio antropico. E' da sottolineare pero' il fatto che la teoria stessa del Big Bang proibisce la conoscenza di cosa sia successo prima di un tempo di Planck dopo del Big Bang. Questo evidenzia una incoerenza tra il modello e chi afferma di studiare gli istanti prima del Big Bang.

Nella relatività generale, si parla in genere di spaziotempo e non è possibile separare chiaramente lo spazio dal tempo. Nella teoria del Big Bang, questa difficoltà non è presente: si assume che il postulato di Weyl sia corretto e che il tempo possa essere misurato in maniera non ambigua come il "tempo dal Big Bang".

Nell'ambito della teoria, lo stesso Big Bang non viene considerato un'esplosione di materia che si muove verso l'esterno per riempire un Universo vuoto preesistente. Il Big Bang fu invece la nascita e la rapida crescita dell'Universo stesso, spaziotempo compreso. A causa di questo postulato, la distanza tra galassie molto distanti aumenta più velocemente della velocità della luce. Questo non vìola le regole della relatività speciale, la quale è valida solo come teoria locale. Essa stabilisce, tra le altre cose, che la materia e l'informazione non possono muoversi nello spazio più velocemente della luce ed è empiricamente non valida per concetti spaziotemporali globali (perché ignora la forza di gravità).

Errori comuni nell'interpretazione della teoria

Molto spesso si fanno affermazioni riguardo al Big Bang e all'espansione dell'Universo che in realtà sono false. Occorre perciò fare alcune precisazioni:

1. L'universo al momento del Big Bang non è esploso nello spazio, ma il Big Bang ha creato lo spazio. Tutto lo spazio osservabile, oggi o in futuro, era allora raccolto in un unico "punto infinitesimo". Perciò il Big Bang è avvenuto "ovunque", non in un singolo punto dello spazio.
2. La velocità relativa di due oggetti cosmici distanti può superare la velocità della luce: in questo caso non è la materia a muoversi a velocità superiore rispetto a quella della luce (eventualità negata dalla teoria della relatività), ma è lo spazio a dilatarsi.
3. La luce delle galassie remote è spostata verso il rosso perché lo spazio si dilata e non per effetto Doppler (si veda redshift cosmologico)
4. È formalmente impossibile per la Fisica accedere ad eventi antecedenti un tempo di Planck dopo il Big Bang (5.391 × 10^-44 s). Accettare il Big Bang significa accettare l'impossibilità di conoscere cosa è accaduto prima (Nei modelli cosmologici derivati dalla teoria delle stringhe e dalla teoria del Big Bounce è possibile ipotizzare alcuni aspetti degli eventi "antecedenti" al Big Bang. La teoria delle stringhe non ha prodotto ancora una singola predizione, nè ha mostrato come possa essere falsificata, quindi non può essere accettata per ora come teoria scientifica).
5. La distanza tra la mia testa e i miei piedi non si dilata, così come ogni distanza corrispondente a scale più piccole delle dimensioni degli ammassi di galassie (circa 10 Mpc) perché l'espansione uniforme di cui stiamo parlando risulta dalle equazioni di Einstein della Relatività Generale qualora si assumano omogeneità ed isotropia della materia (dell'energia), e tale ipotesi è soddisfatta, per l'Universo, solo su larga scala (appunto sulla scala degli ammassi di galassie). A scale inferiori gli effetti delle forze gravitazionali e le velocità dei corpi rispetto al sistema di coordinate comobili sono molto maggiori degli effetti locali dell'espansione media dell'universo.

Storia della teoria

Nel secondo decennio del XX secolo alcuni astronomi misurarono un sistematico spostamento verso il rosso degli spettri della luce proveniente da certe "nebulose", Fra questi nel 1912 Vesto Slipher negli Stati Uniti e nel 1918 l'astronomo di Strasburgo Wirtz. Questi chiamò il nuovo effetto correzione-K, ma non comprese nè le implicazioni cosmologiche, né che le supposte nebulose erano in realtà galassie al di fuori della nostra Via Lattea.

La teoria della relatività generale di Albert Einstein, sviluppata in questi anni, ebbe come risultato che l'Universo non poteva rimanere statico, un risultato che Einstein stesso considerò sbagliato e che cercò di correggere aggiungendo una costante cosmologica, che comunque non risolveva il problema perché l'equilibrio risultante era instabile. I primi modelli di universo in espansione furono dedotti dalle equazioni della relatività generale per opera del fisico russo Alexander Friedman e del fisico belga e sacerdote cattolico Georges Lemaître; le loro equazioni descrivono l'universo di Friedman-Lemaître-Robertson-Walker.

Lemaître, che lavorò successivamente ma indipendentemente da Friedman, fu il primo ad osservare che il modello prediceva una relazione lineare fra velocità di recessione delle galassie e la loro distanza (1927). Pochi anni dopo, nel 1931, sottolineò che la teoria prediceva che l'Universo avrebbe avuto inizio con l'esplosione di un "atomo primevo". Nel frattempo (1929 e 1931) Edwin Hubble trovò evidenze osservative che giustificavano la teoria di Lemaître. Usando le misure di spostamento verso il rosso, Hubble determinò che le galassie distanti si stanno allontanando in ogni direzione a velocità (relativamente alla Terra) direttamente proporzionali alla loro distanza, un fatto oggi conosciuto come Legge di Hubble.

La recessione delle galassie suggeriva due possibilità. Una, sviluppata e sostenuta da George Gamow, era che l'Universo iniziò in un tempo finito del passato per poi espandersi. L'altra era la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, in cui nuova materia era creata mentre le galassie si allontanavano l'una dall'altra, in modo che l'Universo in ogni momento sarebbe apparso più o meno come in ogni altro momento. Per molti anni queste due teorie si divisero equamente il supporto degli scienziati.

Col tempo però, il consenso diffuso diede sempre più credito alla teoria del Big Bang e dalla metà degli anni '60 questa è stata sempre di più considerata la miglior teoria disponibile sull'origine e l'evoluzione del cosmo. Quasi tutto il lavoro teorico in cosmologia si occupa di estensioni e raffinamenti della teoria di base del Big Bang. Al momento i cosmologi si concentrano su come le galassie si sono formate nel contesto del Big Bang, cercando di capire cosa accadde al momento del Big Bang e riconciliare le osservazioni con la teoria. Infatti attualmente non si hanno modelli per spiegare come mai si siano formate le galassie a partire da una espansione come quella del Big Bang.

Alla fine degli anni '90 e all'inizio del XXI secolo furono fatti grossi passi avanti nella cosmologia del Big Bang, come diretto risultato di grandi avanzamenti nella tecnologia dei telescopi e di nuovi dati provenienti da satelliti come COBE e WMAP. Questi hanno permesso agli astronomi di calcolare molti dei parametri del Big Bang con maggiore precisione e hanno portato una nuova scoperta inaspettata, che l'espansione dell'Universo sembra essere in accelerazione.

Nel corso degli anni sono stati trovati molti lati deboli nella teoria del Big Bang, alcuni di essi sono stati risolti da estensioni e raffinamenti. Altri sono stati demandati ad ulteriori teorie non dimostrate come l'inflazione cosmica. Al momento (2004), le debolezze insite nella teoria del Big Bang non sono considerate fatali dalla maggioranza dei cosmologi. E' da notare pero' il paradosso che accettare il Big Bang comporta ammettere la nostra limitata comprensione delle leggi della fisica. Comunque, alcuni ricercatori continuano a sostenere modelli cosmologici non-standard in cui il Big Bang non avviene.

La ricerca corrente tenta di raffinare la teoria del Big Bang includendo un modello della materia contenuta nell'Universo per spiegare il processo di formazione delle galassie. La maggior parte dei modelli correnti sono basati sulla nozione di materia oscura fredda, che ha soppiantato gli altri modelli di materia oscura calda e materia barionica. I modelli basati sulla materia oscura fredda hanno ancora qualche conflitto con le osservazioni, tra cui il problema delle galassie nane e il problema dell'alone a cuspide.

Evidenze osservative

Nel descrivere le evidenze sul Big Bang, occorre distinguere tra osservazioni coerenti con altre teorie ed altre che non lo sono. La categoria precedente include le osservazioni che portano ad ipotizzare un Universo isotropo, nel quale le galassie si allontanano l'una dall'altra, e che il cielo è scuro (vedi il paradosso di Olbers). Mentre queste osservazioni sono tutte coerenti con la teoria del Big Bang, ognuna di esse è anche coerente con almeno un'altra teoria, come la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e l'Universo al plasma di Hannes Alfven.

Vediamo ora alcune osservazioni facilmente spiegate dal modello del Big bang, ma che incontrano difficoltà nell'essere spiegate dalle altre teorie:

Radiazione cosmica di fondo

Una caratteristica del modello del Big Bang fu la predizione negli anni '40 della scoperta della radiazione cosmica di fondo o CMBR dall'acronimo inglese. Secondo il modello, quando tutta la massa/energia dell'Universo emerse dall'esplosione primordiale, la densità iniziale dell'Universo dev'essere stata incredibilmente alta. Poiché la materia si raffredda quando diventa meno densa, anche la temperatura doveva essere estremamente alta. In effetti, la temperatura delle prime fasi dell'Universo doveva essere così alta che la materia come la conosciamo non poteva esistere, perché le particelle elementari erano troppo energetiche per potersi legare in atomi.

Col tempo, mentre la temperatura dell'Universo scendeva, forme più familiari di materia sarebbero emerse dal plasma primordiale. Ad un certo punto (al momento si pensa che corrisponda a 500.000 anni dopo l'inizio) la temperatura sarebbe scesa sotto i 3.000 kelvin (2.727 °C). Sopra questa temperatura gli elettroni e i protoni sono separati, rendendo l'Universo opaco alla luce. Sotto i 3.000 K, gli atomi si formano, permettendo alla luce di passare liberamente attraverso l'appena formato gas dell'Universo. Questo istante è detto disaccoppiamento fotonico, perché separa un'epoca in cui fotoni e particelle erano mescolati da una in cui erano ben definiti.

La teoria del Big Bang prevede dunque che se uno guarda abbastanza lontano nello spazio, e perciò abbastanza indietro nel tempo, vedrà alla fine il luogo dove l'Universo diviene opaco alla radiazione. La radiazione di questa regione verrà spostata verso il rosso a causa dell'espansione di Hubble. Il risultato è che lo spettro visibile della radiazione a 3000 kelvin, originantesi dalla regione opaca, viene spostato ad una temperatura molto più bassa. La radiazione dovrebbe inoltre essere quasi completamente isotropa.

Al tempo in cui vennero fatte, e per i successivi 20 anni, le predizioni della teoria del Big Bang riguardanti la radiazione cosmica di fondo vennero in genere ignorate, semplicemente perché rimanevano non verificabili a causa della tecnologia inadeguata. Inizialmente, George Gamow calcolò che la CMBR doveva apparire come una radiazione di corpo nero ad una temperatura di 50 K. Successivamente corresse i suoi calcoli e stimò la temperatura della radiazione a 5 K. Questa stima conteneva ancora un piccolo errore.

Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson stavano conducendo una serie di osservazioni diagnostiche usando un nuovo ricevitore a microonde di proprietà dei Bell Laboratories (che era progettato per le normali comunicazioni telefoniche), e scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo predetta originariamente da Gamow. Questa osservazione fu in seguito confermata dal gruppo di P.J. E. Peebles all'Università di Princeton, che stava anch'esso cercando di costruire un'antenna a microonde con un maser al rubinio per osservare questa radiazione. Penzias e Wilson non si resero conto di cosa avevano scoperto finché non contattarono il gruppo di Peebles. Essi descrissero assieme i loro risultati sull'Astrophysical Journal.

La loro scoperta fornì una conferma sostanziale delle predizioni sulla CMBR (anche se i valori erano inaccurati e dovettero essere corretti), e spostarono le opinioni della comunità scientifica verso la teoria del Big Bang. A Penzias e Wilson venne assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la loro scoperta.

Nel 1989 la NASA lanciò il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) e i risultati iniziali, pubblicati nel 1990, erano coerenti con la teoria del Big Bang: aveva trovato che la temperatura della radiazione era di 2,726 K, che era sostanzialmente isotropa, ed aveva confermato l'effetto di "foschia" all'aumentare della distanza, previsto dalla teoria. Durante gli anni '90, i dati furono studiati più approfonditamente per cercare le piccole anisotropie predette dalla teoria del Big Bang.

Nel 1998, le misure di anisotropia effettuate dall'esperimento su pallone BOOMERanG, frutto di una collaborazione tra Italia e Stati Uniti, hanno prodotto le prime misure accurate di anisotropie su scale di un grado, fornendo notevoli informazioni cosmologiche quali, ad esempio, l'essere nulla (o quasi nulla) la curvatura dell'universo (universo piatto).

All'inizio del 2003 furono analizzati i risultati del satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), che diedero i più accurati valori cosmologici fino ad oggi. Il satellite inoltre escluse numerosi modelli inflazionari, benché i risultati fossero in generale coerenti con la teoria dell'inflazione.

Abbondanza degli elementi primordiali

Usando il modello del Big Bang è possibile calcolare la concentrazione di elio-4, elio-3, deuterio e litio-7 nell'Universo. Tutte le loro abbondanze derivano da un singolo parametro, il rapporto tra fotoni e barioni. Le abbondanze predette sono circa il 25% per ⁴He, un rapporto ²H/H di circa 10^-3, un rapporto ³He/H di circa 10^-4 e un'abbondanza di ⁷Li/H di circa 10^-9.

Le misure delle abbondanze primordiali di tutti e quattro gli isotopi elencati sopra sono coerenti con un unico valore di quel parametro (vedi nucleosintesi primordiale), e il fatto che le abbondanze misurate siano simili a quelle predette è visto come una prova a favore del Big Bang. Per esempio, non c'è alcuna ragione a parte il Big Bang per cui l'Universo dovrebbe avere più elio che deuterio, o più deuterio che ³He. Fino ad ora, nessun'altra teoria ha tentato di fare previsioni sulla nucleosintesi di questo genere.

Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita infinita, come la teoria dello stato stazionario, non spiegano l'abbondanza di deuterio nel cosmo, perché il deuterio viene facilmente distrutto nella fusione nucleare dentro le stelle, e non ci sono processi astrofisici conosciuti che possano produrlo in quantità, eccetto il Big Bang stesso. Perciò il fatto che il deuterio non è un elemento estremamente raro suggerisce che l'Universo abbia un'età finita.

Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita finita, ma che il Big Bang non è accaduto hanno problemi con l'abbondanza di elio-4. L'ammontare osservato di ⁴He è ben più grande di quello che potrebbe essere creato dalle stelle o da ogni altro processo conosciuto. D'altra parte, l'abbondanza di ⁴He dipende in modo poco sensibile dalle assunzioni riguardo alle densità di barioni, cambiando di solo pochi punti percentuali quando questa cambia di numerosi ordini di grandezza. Il valore osservato di ⁴He sembra essere nell'intervallo calcolato.

Detto questo, ci sono tre problemi teorici con la nucleosintesi del Big Bang, che possono mettere in difficoltà la teoria. Il primo è che la concentrazione di barioni necessaria perché le abbondanze calcolate combacino perfettamente con quelle osservate è incoerente con un Universo composto per la maggior parte da barioni. Il secondo è che il Big Bang prevede che nessun elemento più pesante del litio possa essere stato creato nel Big Bang, mentre elementi più pesanti sono osservati nei quasar, che sono presumibilmente una delle classi di oggetti più vecchi dell'Universo. Il terzo problema è che, poiché nessun elemento più pesante del litio venne creato nel Big Bang, dovremmo poter osservare qualche stella molto anziana che non contiene alcun elemento pesante. Nessuna stella del genere è stata trovata.

La spiegazione standard per il primo problema è che la maggior parte dell'Universo non è composta da barioni. Questa spiegazione è in accordo con altre evidenze di materia oscura, come le curve di rotazione delle galassie. La spiegazione standard del secondo e terzo problema è che l'Universo attraversò un periodo di massiccia formazione stellare, creando stelle di grande massa, e che senza elementi pesanti è impossibile formare una nana rossa, il solo tipo di stella che potrebbe sopravvivere dall'inizio dell'Universo fino a noi. Questa spiegazione ha la caratteristica di predire una classe di stelle che, fino al 2004, non è stata osservata. Quindi, in alcuni anni dovremmo o averle trovate, il che supporterebbe la teoria del Big Bang, oppure non le troveremo, nel qual caso c'è la possibilità che dovremo cambiare le nostre opinioni sull'Universo in modo fondamentale.

Evoluzione galattica e distribuzione delle quasar

Un'osservazione che è diventata sempre più importante a partire dall'inizio degli anni '70 è che, mentre l'universo sembra essere isotropo (cioè, l'universo in una direzione somiglia molto all'universo in un'altra direzione), non è invece omogeneo rispetto alla distanza, che a causa del fatto che la velocità della luce non è infinita, significa che non è omogeneo nel tempo. Quando si osserva a distanze sempre più grandi, l'universo appare molto differente. Per esempio, non esistono quasar vicini, mentre ci sono molti quasar una volta passato un certo spostamento verso il rosso, e quindi i quasar scompaiono ad una distanza ancora maggiore. In modo simile, il tipo e la distribuzione delle galassie sembrano cambiare notevolmente nel tempo, e superata una certa distanza il numero di galassie sembra diminuire notevolmente.

Debolezze e critiche della teoria del Big Bang

Per tutta la sua storia, la teoria del Big Bang ha ricevuto un numero considerevole di critiche. Alcune di esse sono oggi più che altro di interesse storico in quanto sono state eliminate, o attraverso progressi teorici nella spiegazione dei fenomeni fisici interessati, o attraverso migliori osservazioni che hanno smentito le teorie concorrenti (ad esempio, la teoria dello stato stazionario è stata smentita dall'osservazione che l'Universo è in espansione).

Altri problemi sono al giorno d'oggi considerati importanti per la tenuta della teoria del Big Bang e che potrebbero portare ad una sua crisi definitiva. Essi riguardano, fra l'altro:

• il paradosso della singolarità iniziale puntiforme avente un volume pari a zero ma dotata di energia e densità infinite, che sarebbe sorta praticamente dal nulla (un'ipotesi inverosimile sulla base di tutte le leggi fisiche note, in particolare perché viola il principio di conservazione dell'energia totale);
• la sua palese contraddizione con le leggi della meccanica quantistica;
• il problema della natura della materia oscura fredda;
• il problema della natura della energia oscura;
• il problema dell'alone a cuspide nel centro delle grandi distribuzioni di materia oscura;
• il problema dell'abbondanza delle galassie nane.
• la mancanza di una teoria accettata sull'Inflazione cosmica, senza la quale il Big Bang perde senso.

Fra i cosmologi, vi sono proponenti di teorie cosmologiche non-standard, che pensano che non sia mai accaduto un Big Bang. Tra questi il noto astrofisico Fred Hoyle ebbe a dire che "se niente in astrofisica può prescindere dalla fisica nota, allora il Big Bang deve essere considerato al di fuori della fisica nota".

Il problema delle condizioni iniziali

Una domanda finora senza risposta è perché sia accaduto un Big Bang. La difficoltà di rispondere a questa domanda dipende dall'individuazione di un'adeguata teoria della gravità quantistica: quando si risale indietro nel tempo, la temperatura e la pressione salgono fino al punto in cui le leggi fisiche che governano le proprietà della materia sono sconosciute.

Tuttavia una risposta alla domanda di cosa successe "prima" del Big Bang ci viene fornita dalla teoria delle stringhe e dalla teoria del Big Bounce, per la quale, alla fine del collasso gravitazionale, l'Universo rimbalzerebbe prima di arrivare alla singolarità iniziale puntiforme (teoria dell'Universo ciclico e perpetuo).

Il problema dei monopoli magnetici

Il problema dell'abbondanza dei monopoli magnetici fu un'obiezione sollevata alla fine degli anni '70. In quel periodo, le teorie di grande unificazione prevedevano difetti puntuali dello spazio, che si sarebbero manifestati come monopoli magnetici, e la densità di questi monopoli era molto più grande di quanto le osservazioni mostravano. In effetti, nessun monopolo magnetico è stato mai rivelato con certezza.

Per risolvere questo problema - ed altre contraddizioni delle precedenti teorie - è nata e si è sviluppata la teoria dell'inflazione cosmica, moderna versione della teoria del Big Bang.

Il problema dell'orizzonte

Il problema dell'orizzonte deriva dal fatto che l'informazione non può viaggiare più velocemente della luce: pertanto, due regioni dello spazio, che si allontanano l'una dall'altra più velocemente della luce, non possono comunicare. Di conseguenza, regioni dell'Universo osservato - che in passato non hanno avuto modo di interagire fra di loro - dovrebbero mostrare temperature della radiazione di fondo cosmica differente, dato appunto che non ha potuto agire nessun meccanismo che stabilisse un livello comune della temperatura. Invece, la temperatura misurata della radiazione di fondo è estremamente uniforme su tutto il cielo, e la stessa quindi anche per regioni dell'Universo che non hanno interagito mutualmente: negli anni Settanta, questa semplice osservazione costituiva un enorme problema per le teorie non-inflazionarie del Big Bang.

Questo problema è stato parzialmente risolto agli inizi degli anni Ottanta dalla teoria inflazionaria del Big Bang, che risolse il problema dell'orizzonte supponendo che l'Universo primitivo avesse sperimentato un breve periodo di espansione estremamente rapida, in cui regioni che successivamente non furono più in contatto si trovarono invece vicine tra loro e poterono quindi uniformare la loro temperatura.

La teoria dell'inflazione cosmica aveva predizioni precise riguardo le anisotropie che si sarebbero dovute osservare nella radiazione di fondo. All'inizio degli anni '90, ci fu eccitazione e nervosismo quando i dati del satellite COBE non trovarono inizialmente alcuna anisotropia e numerosi modelli inflazionari furono invalidati. Se fossero passati alcuni altri anni senza alcuna scoperta di anisotropie, il Big Bang ne sarebbe uscito malconcio e avrebbe dovuto cedere il passo ad altre teorie, che potessero spiegare quelle osservazioni. Le cose andarono diversamente perché analisi successive iniziarono a trovare varie piccole anisotropie in sostanziale accordo con la teoria.

Il problema dell'orizzonte è ancora di grande interesse, perché permette di dedurre grandi quantità di informazione dalla radiazione cosmica di fondo. Differenti velocità di espansione risulteranno in differenti raggruppamenti della radiazione di fondo, come risultato di materiale che cade attraverso un orizzonte a tempi differenti, e questo fornisce molti dati sulle condizioni dell'Universo al tempo in cui la radiazione cosmica di fondo si formò.

Età degli ammassi globulari

Alla metà degli anni '90 si presentò un altro grosso problema che sembrava invalidare la teoria del Big Bang. Le osservazioni degli ammassi globulari suggerivano che essi avessero un'età di circa di 15 miliardi di anni, il che era in contraddizione con il valore accettato della costante di Hubble, che comportava un'età dell'Universo di circa 10 miliardi di anni: alcune parti l'Universo apparivano essere più vecchie dell'Universo stesso.

Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90, quando nuove simulazioni che includevano gli effetti di perdita di massa dovute ai venti stellari indicarono per gli ammassi globulari un'età molto minore.

Dibattito sulle abbondanze degli elementi

Durante la metà degli anni '90, le misure di abbondanza dell'elio primordiale suggerirono la possibilità che le prime stelle contenessero meno del 20% di elio. Se questo fosse stato vero, ne sarebbero derivati molti problemi per la teoria del Big Bang, perché è molto difficile ottenere basse concentrazioni di elio dal Big Bang. Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90 da misure migliori sull'abbondanza dell'elio.

Come prima menzionato, ci sono anche problemi con :

• la densità di barioni
• l'osservazione di elementi pesanti nei quasar

Questi, come diverse altre osservazioni in contrasto con lo scenario teorico attuale, sono considerati problemi minori del Big Bang. L'opinione maggiormente diffusa nella comunità scientifica è che tali apparenti incongruenze verranno superate quando saranno più chiari alcuni meccanismi fisici che regolano l'evoluzione delle galassie, lasciando invariata la struttura di base della teoria. Tuttavia, non bisogna dimenticare che tali discrepanze fra teoria ed osservazioni hanno la possibilità di invalidare la teoria stessa se non verranno trovate spiegazioni adeguate.

Per esempio, il consenso è che per poter spiegare gli elementi pesanti mostrati dai quasar, è necessaria una forte e improvvisa formazione stellare. Nel 2004 erano ancora in corso molte ricerche per trovare tali stelle. Se queste stelle di Popolazione III verranno trovate, la teoria del Big Bang ne uscirà rafforzata.

Un altro argomento che influenza l'abbondanza degli elementi è la costante di struttura fine α: se il suo valore fosse cambiato anche di pochi punti percentuali, causerebbe variazioni nelle abbondanze relative.

Spostamento verso il rosso

Alcuni astrofisici, inclusi Y.P. Varshni e Halton Arp, sostengono che lo spostamento verso il rosso non dipende esclusivamente dall'espansione del cosmo, ma sia di natura intrinseca agli oggetti dotati di massa. Nel quadro della teoria esposta da Narlikar e Fred Hoyle, questa interpretazione elimina completamente il bisogno di un Big Bang.

Materia oscura

Durante gli anni '70, vennero fatte osservazioni che, assumendo che tutta la materia dell'Universo possa essere vista, creavano problemi alla teoria del Big Bang, perché essa sembrava sottostimare l'ammontare di deuterio presente e portava ad un universo che era molto più "raggrumato" di quanto osservato. Questi problemi vengono risolti se si assume che la maggior parte della materia dell'Universo non è visibile, e questa assunzione sembra essere consistente con le osservazioni che suggeriscono che la maggior parte dell'Universo sia composta da materia oscura.

Gli effetti che la materia oscura ha sui calcoli del Big Bang non dipendono in generale dalle proprietà precise della materia oscura. La proprietà principale della materia oscura, per quanto riguarda i suoi effetti sulla cosmologia, è se essa:

• consista di particelle pesanti, che si muovono quindi lentamente, creando la materia oscura fredda
• consiste di particelle leggere che si muovono quindi velocemente, creando la materia oscura calda
• consiste di materia ordinaria come la materia barionica.

Il futuro secondo la teoria del Big Bang

Tutta la materia dell'Universo in espansione è gravitazionalmente attratta a tutto il resto della materia che si trova nell'orizzonte osservabile (che è definito dall'età dell'Universo). Questo dovrebbe causare un rallentamento progressivo del ritmo di espansione dell'Universo. Il rapporto esatto tra quanta materia è presente in un certo volume, relativamente a quanto è grande l'orizzonte e a quanto velocemente l'Universo si sta espandendo in questo momento può portare ad uno di tre scenari diversi:

Il Big Crunch e il Big Bounce

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è abbastanza alta, allora essa può rallentare l'espansione fino a fermarla. Seguirebbe un moto di contrazione dell'universo che andrebbe inevitabilmente a finire in una "grande implosione" (in inglese Big Crunch). Perché questo scenario sia possibile la densità media dell'universo deve superare un certo limite critico solitamente indicato con $\Omega$, stimato in 3 protoni al metro cubo o energia equivalente, essendo la materia una forma di energia, come dimostrato da Albert Einstein (E=mc²). Fino agli anni novanta sembrava probabile che la densità fosse inferiore al valore critico. Successive misurazioni sembrano smentire questa ipotesi suggerendo che la densità possa essere esattamente uguale o molto vicina a $\Omega$. Sul raggiungimento della densità critica hanno un grande peso la materia oscura e l'energia oscura.

Nell'ambito della teoria dell'Universo ciclico, formato da una sequenza infinita di esplosioni e successivi collassi gravitazionali, si innesta la teoria del Big Bounce (Grande Rimbalzo), secondo la quale nella fase finale del collasso la temperatura e la densità della massa-energia arrivano a valori talmente elevati (ma comunque non infiniti) da far rimbalzare l'Universo, creando un nuovo ciclo sempre diverso dal precedente. Il Grande Rimbalzo avverrebbe molto prima di arrivare alla singolarità iniziale puntiforme, prevista dalla teoria classica del Big Bang.

Il Grande Congelamento (morte termica)

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è troppo bassa, allora l'espansione non si fermerà mai. Mentre la materia si sparge in volumi sempre maggiori, le stelle smetterebbero alla fine di formarsi. La temperatura media dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente allo zero assoluto, e l'Universo diventerebbe immobile e quieto. Alla fine, tutti i protoni decadrebbero, i buchi neri evaporerebbero, e l'Universo consisterebbe di particelle subatomiche sparse. Il Grande Congelamento è più noto come la morte termica dell'Universo.

Bilanciamento

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è esattamente quella giusta, allora l'espansione dell'Universo rallenterebbe sempre più fino a fermarsi. La temperatura dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente ad un valore stabile poco sopra lo zero assoluto. L'entropia continuerebbe però a crescere, e il risultato finale sarebbe simile alla morte termica.

Teoria del Big Bang e religione

Quando la teoria del Big Bang venne originariamente proposta, fu rifiutata da molti scienziati perché sembrava implicare un evento di creazione. Affermava ad esempio Arthur Eddington: "Filosoficamente, la nozione di un inizio del presente ordine della Natura mi ripugna e vorrei trovarvi una genuina scappatoia (a genuine loophole)". Alcuni scienziati (per esempio l'astronomo Robert Jastrow) vedono invece il Big Bang anche come la conferma del racconto dato nella Genesi.

La maggioranza dei cattolici, suffragati dal Magistero (che nel Concilio Vaticano II, in particolare nella Costituzione Dogmatica sulla Parola di Dio Dei Verbum ha spiegato come va intesa l'espressione verità biblica), ormai ritiene che le due teorie appartengono ad ambiti diversi: secondo tale punto di vista, mentre la Parola di Dio contiene verità necessarie per la salvezza e, più in generale, la religione si occupa del perché delle cose, la scienza si occupa invece del come le cose siano avvenute ed avvengono. La Bibbia dunque non sarebbe da leggere in modo strettamente letterale per quanto riguarda le verità scientifiche che contiene. Infatti, la teoria del Big Bang non contraddice il racconto della Genesi se questo è inteso come narrazione metaforica, perché la teoria scientifica non risponde, al momento, alla domanda fondamentale sulla provenienza della materia, ma spiega soltanto la sua evoluzione nello spazio e nel tempo.

In questo stesso senso, la teoria del Big Bang non implica un conflitto se accostata a religioni quali l'Islam, l'Induismo, il Taoismo, il Kemetismo, e in generale è compatibile con tutte le religioni orientali e tutte le forme di Neopaganesimo.

Il Big Bang, invece, è stato rifiutato dai fondamentalisti ebrei e cristiani, che interpretano la Bibbia in senso rigidamente letterale. Esso, infatti, implica che la creazione non è durata sei giorni e che l'età dell'Universo è molto superiore a quella suggerita da un esame letterale del libro della Genesi (circa 6000 anni fa). Molti biblisti hanno trovato un modo per tentare di riconciliare le due età, sostenendo che la parola giorno, come usata nella Genesi, non corrisponde ad un intervallo di 24 ore: dovrebbe essere tenuto presente che "giorno", in ebraico, può significare "intervallo" o "periodo di tempo". La Genesi poi sottolinea ogni volta "Venne la sera e poi venne il mattino" (anziché, come sarebbe logico, venne il mattino e poi la sera), come per sottolineare che queste fasi consistevano in un passaggio dal caos primitivo, dall'indefinito (il buio della notte) all'ordine (il mattino in cui tutti i contorni diventano netti).

Un autore che crede che fra scoperte della scienza e racconto biblico vi sia un perfetto accordo è Gerald Schroeder, fisico e teologo ebraico. La Genesi, infatti, contiene affermazioni che apparivano inverosimili già quando il testo fu scritto (ad esempio la comparsa della luce prima della creazione del sole e delle stelle), ma che possono essere ritenute in accordo con i risultati della scienza odierna. Esaminando con estremo dettaglio i vocaboli ebraici utilizzati dalla Genesi nel racconto della creazione e tenendo anche conto della tradizione esegetica ebraica, Schroeder suggerisce, ad esempio, la seguente corrispondenza:

Gen 1-2; creazione dell'universo = Fasi iniziali del Big Bang in cui l'universo è ancora un fluido omogeneo

("un vento impetuoso soffiava sopra le acque"=fase inflazionaria)

Gen. 4; separazione della luce dalle tenebre (1° giorno) = Separazione di materia e radiazione quando la temperatura scese sotto 3000 K

Gen. 14-15; luci nel cielo (4° giorno) = L'atmosfera terrestre diventa trasparente e consente la visione nitida del firmamento

Origine del termine

Il termine "Big Bang" fu coniato nel 1949 da Fred Hoyle durante un programma radio della BBC, The Nature of Things (La Natura delle Cose). Il testo fu pubblicato nel 1950. Hoyle non sottoscriveva la teoria, ed intendeva ridicolizzarla. Forse è stata anche una allusione al fatto che George Gamow, al tempo il principale sostenitore della teoria, aveva anche lavorato allo sviluppo della bomba atomica.

Bibliografia

Testi divulgativi

• Steven Weinberg, I primi tre minuti, Mondadori editore, 1977
• S. Singh, Big bang, Rizzoli, 2004, ISBN 8817003689
• Maurizio Gasperini, l'Universo prima del Big Bang - Cosmologia e teoria delle Stringhe, Franco Muzzio Editore, 2002.
• Igor & Grichka Bogdanov, Prima del Big Bang. L'origine dell'universo. , Longanesi, 2008
• Margherita Hack, Pippo Battaglia, Walter Ferrari, Origine e fine dell'Universo, UTET libreria, 2002.
• Margherita Hack, L'Universo alle soglie del duemila, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.
• Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri, Rizzoli, 1988.
• Stephen Hawking, Buchi neri e universi neonati, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.

Articoli di carattere tecnico

• (EN) Archivio pubblico di articoli di ricerca scientifica in cosmologia ed astronomia aggiornato giornalmente
• (EN) Archivio pubblico di articoli di ricerca scientifica in cosmologia quantistica e Relativita' Generale aggiornato giornalmente
• (EN) Narlikar, Jayant V. and T. Padmanabhan, "Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal". Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 39, p. 211-248 (2001).
• (EN) Morrison, Philip, and Phylis Morrison, "The Big Bang: Wit or Wisdom?" Scientific American, Inc. 18 febbraio 2001.
• (EN) Marmet, Paul, "Big Bang Cosmology Meets an Astronomical Death".
• (EN) Melchiorri, A. et al., "Evidenza di un universo piatto dai dati del progetto BOOMERanG".

Big Bang e interpretazione letterale della Bibbia

• Geral L. Schroeder, Genesi e Big Bang. Uno straordinario parallelo fra cosmologia moderna e Bibbia, Interno Giallo Editore, Cuneo, 1991.

Voci correlate

• Cronologia del Big Bang
• Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo
• Calendario cosmico

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• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Restu20/Sandbox2

Collegamenti esterni

• (IT) Perché il Big Bang si dovrebbe vedere dappertutto
• http://www.spazioforum.net/forum/index.php?showtopic=36822 (L'universo come la Fenice).
• http://www.galileonet.it/news/8648/il-gran-rimbalzo-delle-origini.
• http://www.lswn.it/astronomia/articoli/la_teoria_loop_quantum_gravity_ed_il_bouncing_universe.

Siti di carattere divulgativo

• (EN) Wright, Edward L., "Brief History of the Universe"
• (EN) Prove del Big Bang
• (EN) "Welcome to the History of the Universe". Penny Press Ltd.
• (EN) PBS.org, "From the Big Bang to the End of the Universe. The Mysteries of Deep Space Timeline"
• (EN) D'Agnese, Joseph, "The last Big Bang man left standing, physicist Ralph Alpher devised Big Bang Theory of universe". Discover, July, 1999.
• (EN) Ned Wright's Cosmology Tutorial
• http://www.science.psu.edu/alert/Bojowald6-2007.htm (What Happened Before the Big Bang?).