Il Big Bang e l'origine dell'universo

Chi siamo? Da dove veniamo? Qual è il nostro scopo? Domande, queste, che hanno fin dall’antichità ispirato, e spesso tormentato, filosofi, teologi e studiosi, alla ricerca di risposte che forse non avremo mai. La scienza, poi, ha cercato di spiegare la vita e la realtà che ci circonda “viaggiando” nel tempo fino all’origine dell’universo, il momento primordiale da cui tutto ha avuto inizio. Origine che, secondo gli astrofisici di tutto il mondo, è stata innescata da una gigantesca esplosione: il Big Bang.

Secondo la teoria dello scienziato Georges Lemaître, successivamente supportata e sviluppata da George Gamow, durante la sua nascita l’universo si sarebbe espanso da un punto di infinita densità fino ad autogenerarsi. Di conseguenza, il modello cosmologico del Big Bang è basato sull’idea che l’universo iniziò a espandersi a velocità elevatissima in un tempo finito nel passato a partire da una condizione di curvatura, temperatura e densità estreme, generando lo spaziotempo. Non solo, si crede che questo processo continui tuttora.

Che cos’è l’universo

Prima di lanciarci anche noi nello spazio profondo e arrivare a spiegare in qualche modo l’origine dell’universo, è opportuno definire cosa si intenda esattamente con la definizione Universo, naturalmente in termini scientifici. Secondo la letteratura, l’universo è comunemente definito come il complesso che racchiude tutto lo spazio e ciò che contiene, vale a dire la materia e l’energia, i pianeti, le stelle, le galassie e il contenuto dello spazio intergalattico.

La sua parte osservabile, almeno attualmente e con le tecnologie a nostra disposizione, ha un diametro pari a circa 93 miliardi di anni luce, e suggerisce agli esperti che sia stato governato dalle stesse leggi e costanti fisiche per la maggior parte della sua storia e in tutta la stessa estensione osservabile. Non solo, la sua “struttura” permette assolutamente inferenze nelle parti iniziali, rendendone particolarmente difficile ricostruirne la storia con esattezza.

In ogni caso, come noto, la teoria del Big Bang, in Italiano “Grande Scoppio”, è il più accreditato modello cosmologico che descrive la nascita dell’universo. A sentire i calcoli, basati naturalmente sulla nostra cornice temporale locale, questo evento si sarebbe verificato circa 13,8 miliardi di anni fa. Teoricamente, la massima distanza osservabile è contenuta nell’universo osservabile. Studi di diverse supernove hanno dimostrato che l’universo continua ad espandersi costantemente, e tanti sono i modelli creati per prevederne il destino finale. Nel 1929, Edwin Hubble ha annunciato la scoperta dell’espansione dell‘universo.

Dall’osservazione di varie galassie, è infatti riuscito a scoprire che la maggior parte di loro si stava allontanando dalla Terra, considerando che i loro spettri risultavano orientati verso il rosso. Ha osservato inoltre che più era grande la loro distanza dalla Terra e più era alta la loro velocità di allontanamento. Una situazione che si va a spiegare attraverso il primo principio cosmologico, secondo il quale “la struttura e le proprietà dell’universo su larga scala sono ovunque ed in tutti i tempi le stesse”. Si tratta insomma della celebre formula v = H r, dove v è la velocità di allontanamento, r la distanza e H un numero detto costante di Hubble, vale 53 Km/s per ogni milione di parsec.

Origine dell’universo: la teoria del Big Bang

Le osservazioni di Hubble metteva di fatto in crisi la concezione dominante che vedeva l’universo come stazionario. Se l’universo è in espansione, la sua densità deve infatti necessariamente essere variabile. Da allora, la teoria è stata opportunamente modificata con l’affermazione che vi doveva essere una continua creazione di materia pari ad un atomo di idrogeno per ogni centimetro cubo ogni milione di miliardi di anni. Solo in seguito si è ipotizzato che l’universo fosse nato da un’esplosione avvenuta oltre 13 miliardi di anni fa e che il moto di allontanamento fosse la conseguenza di questa esplosione.

Esplosione nota per l’appunto come Big Bang. I fisici, canto loro, sono incerti su cosa abbia preceduto la grande esplosione cosmica: alcuni propongono modelli di universo ciclico, altri descrivono uno stato iniziale senza confini, da cui è andato ad emergere e ad espandersi lo spaziotempo al momento del Big Bang. Altri ancora ipotizzano addirittura che il nostro universo sia solo uno tra i tantissimi che possono esistere.

Quello del Big Bang, termine coniato da Fred Hoyle nel 1949 durante un programma radiofonico sulla BBC, e utilizzato al tempo con accezione dispregiativa, è universalmente riconosciuto come il modello più vicino a spiegare l’origine dell’universo, predominante nella comunità scientifica sulla base di prove e osservazioni astronomiche. Nello specifico, la buona corrispondenza dell’abbondanza cosmica degli elementi leggeri come l’idrogeno e l’elio con i valori previsti in seguito al processo di nucleosintesi primordiale, unita all’esistenza della radiazione cosmica di fondo, con uno spettro in linea con quello di corpo nero, hanno convinto la maggior parte degli scienziati che un evento simile al Big Bang si è verificato più di 13 miliardi di anni fa.

Quando l’umanità era solo la proiezione di un futuro lontanissimo. Prima del Big Bang, si immagina che l’universo fosse concentrato in una sfera, con temperature e densità infinite. All’interno di essa doveva essere presente un plasma, ovvero un particolare stato della materia in cui nuclei ed elettroni sono liberi di muoversi caoticamente, e che è costituito da quark e gluoni. La situazione decisamente instabile ha causato l’esplosione, seguita da quattro fasi successive, comunamente identificate come “ere”: l’era dell’età quantistica, l’era elettrodebole, l’era dominata dalla radiazione, e l’era dominata dalla materia.

La teoria del Big Bang si basa su due ipotesi fondamentali, vale a dire l’universalità delle leggi della fisica e il principio cosmologico che afferma che su larga scala l’universo è omogeneo e isotropo. Nonostante la ricostruzione sia accurata e credibile a determinate condizioni, la teoria come spesso accade presenta delle limitazioni. Basta pensare che, procedendo idealmente a ritroso nel tempo, in un processo inverso all’espansione, densità e temperatura aumentano fino a un istante nel cui intorno questi valori tendono all’infinito e il volume tende a zero. L’osservazione comporta che le attuali teorie fisiche non sono più applicabili, generando il processo noto comunemente come singolarità. Proprio per questo il Big Bang pare non adeguato a spiegare la condizione iniziale, ma fornisce una buona descrizione dell’evoluzione dell’universo da un determinato momento in poi della sua lunga storia.

Oltre il Big Bang

L’origine dell’universo secondo il modello del Big Bang è quindi fondato su teorie sicuramente affidabili e confermate da osservazioni solo per la descrizione dell’evoluzione dell’universo dalla nucleosintesi primordiale in poi. Risultano di conseguenza particolarmente incerte le successive affermazioni sulla forma globale dell’universo e sulla sua evoluzione nel lontano futuro. Data la finitezza della velocità della luce, l’osservazione è limitata da quello che possiamo definire come un orizzonte invalicabile, che non permette di compiere altre estrapolazioni.

Il modello, poi, è fondato su assunzioni legate alle proprietà topologiche dello spaziotempo e sulla sua regolarità ed è di fatto solo e squisitamente ipotetico. L’attuale progresso tecnologico, e la recente osservazione dell’energia oscura, hanno comunque permesso di affinare la nostra conoscenza dell’universo, compresa la sua evoluzione.

Tra le nuove teorie più note, abbiamo quella per cui l’universo avrebbe continuato ad espandersi fino ad un certo punto, andando poi ad arrestare la propria crescita. Per altri esperti, la velocità alla quale l’universo si espande andrà progressivamente a ridursi e l’accelerazione arrivata a 0 diventerà negativa, portando ad un Big Crunch e ritornando allo stato di singolarità. Per altri ancora, l’universo non smetterà mai di espandersi, generando ciclicamente le condizioni affinché possano esistere forme di vita, seppur primordiali.

L’ultima ipotesi è legata al nome di Alan Guth, che nel 1984 è stata accolta dalla maggior parte degli studiosi, e ritenuta estremamente credibile. Di certo, la teoria del Big Bang, formulata da Alexander Friedmann nel 1929 e completata da George Gamow nel 1940, mantiene la sua autorevolezza, seppur riconoscendo essa stessa i propri limiti. Cosa ci fosse prima del Big Bang rimane per ora un mistero, dal momento che gli astrofisici si rifiutano di avanzare troppe ipotesi, lasciandoci una storia che forse non avrà mai una spiegazione capace di accontentare tutti.

Origine dell’universo: le teorie alternative

Trattandosi di un argomento tanto vasto e tipicamente divisivo, quello dell’origine dell’universo è un interrogativo che ha giocoforza ispirato molte menti. Portando ad altrettante teorie e alla successiva nascita di una cosmologia non standard. Con questo termine, come avrete già capito, si fa riferimento a un qualsiasi modello cosmologico dell’universo che è stato, o è tuttora, proposto in alternativa al Modello standard della cosmologia, o al suo riferimento al Big Bang. Nella storia dell’osservazione dello spazio, sono tanti i ricercatori che hanno espressamente criticato il modello del “Grande Scoppio”, sia rifiutandone del tutto le assunzioni fondamentali, sia aggiungendone delle nuove ritenute cruciali per far affermare nuovi modelli teorici dell’universo.

Tra gli anni ’40 e gli anni ’60, in particolare, la comunità scientifica si divideva nettamente tra i ferventi sostenitori del Big Bang e quelli di teorie concorrenti basate sul modello dello stato stazionario. Oggi, sono pochissimi gli astrofisici che ne discutono l’effettiva validità. Tra gli esponenti della cosmologia non standard meritano una menzione diversi nomi del mondo scientifico attivi soprattutto nel XX secolo, come Fred Hoyle, Paul Dirac, Kurt Gödel, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, Halton Arp, Jayant V. Narlikar, Hannes Alfvén, Eric Lerner, Dennis Sciama, Ernst Mach, Thomas Gold, Hermann Bondi, Fritz Zwicky, Christof Wetterich, Mordehai Milgrom, e Johan Masreliez.