Big Bang
Un concetto strano e difficile da indagare, una teoria affascinante suffragata da dati sperimentali importanti. Qualcuno l’ha definita la teoria del “tutto dal nulla”. Fatto è che si tratta di un evento davvero unico e irripetibile: l’insieme dei Primi Eventi. Le radici di questa teoria affondano nel lavoro svolto dall’americano Edwin Hubble attorno al 1924, anno in cui costui dimostrò che la nostra galassia è soltanto una fra tante, avviando in seguito una serie di studi per determinare le distanze di nove galassie relativamente vicine a noi. Analizzando i dati ottenuti si rese conto che pressoché tutte le galassie si stanno allontanando da noi, più nel dettaglio, certe linee dello spettro luminoso delle galassie, invece di trovarsi nelle loro posizioni consuete, erano spostate verso il rosso (effetto redshift). Tutto ciò si spiega con l’effetto Doppler adattato alla luce: un oggetto luminoso che si allontana dall’osservatore subisce uno spostamento delle righe spettrali verso il rosso, mentre al contrario, le sorgenti luminose in avvicinamento presentano uno spostamento verso il blu. E’ un po’ come quando siamo fermi in strada e la sirena di una macchina ci passa vicino: man mano che la vettura si avvicina a noi il suono si fa più acuto, fino a quando l’ automobile ci sorpassa e avvertiamo che il suono si fa più basso. Quest’importante scoperta è stata dunque formalizzata nella legge di Hubble:
v = H0d
laddove v indica la velocità d’allontanamento della galassia in questione, d quanto essa dista da noi e H0 è la costante di Hubble, un valore numerico ancora oggi in fase di misurazione, da cui dipende l’età del cosmo, esso esprime in qualche misura il “tasso di accrescimento” dell’universo stesso. Attualmente esistono due scuole di pensiero riguardo al valore della costante in esame: quella californiana, capeggiata da Allan Sandage che indica come valore altamente probabile 47 km/s x Mpc (47 kilometri al secondo moltiplicato per i megaparsec di distanza; 1 Mpc = 3.260.000 anni-luce) e quella texana, capitanata da Gerard de Vancouleurs, che stima la grandezza in questione nell’ordine degli 80 km/s x Mpc; da una misurazione più corretta dei dati sperimentali si suppone che, anche stavolta, la verità è nel mezzo, e quindi il numero più corretto dovrebbe essere 55 km/s x Mpc. Ci si potrebbe a questo punto domandare da dove le galassie traggano l’energia per allontanarsi (con velocità che per le galassie più distanti da noi sono paragonabili a quella della luce); la risposta è che effettivamente le galassie non hanno bisogno di energia, a causa dell’espansione dell’ universo .Basti pensare che ogni secondo, per una distanza di un anno-luce vengono creati 15 millimetri di “spazio nuovo”; per avere un’idea approssimativa si immagini un palloncino con su disegnati dei puntini: più si gonfia il palloncino, più aumenta la distanza fra i puntini, per puntini estremamente lontani tra loro il tasso di allontanamento sarà evidentemente maggiore. Tutto ciò ci porta immediatamente a considerare che in tempi passati le galassie dovevano essere molto vicine tra loro, e, pertanto, ci deve esser stato un momento in cui la distanza reciproca doveva essere nulla. Questa teoria portava con sé un grande elemento d’innovazione per una comunità scientifica incline a credere che l’universo dovesse essere un insieme statico, ma d’altro canto mai nessuno prima d’allora si era soffermato a pensare che un universo statico non sarebbe “durato” a lungo, in quanto, sotto la spinta della forza di gravità, avrebbe subito incominciato a contrarsi e a muoversi. Persino l’illustre Albert Einstein, nella formulazione della teoria della relatività generale aveva introdotto una “costante cosmologica”, un valore “di comodo” che stava ad indicare una fantomatica tendenza intrinseca dell’universo a controbilanciare la spinta gravitazionale, in modo da ottenere un mondo placido e statico.
Fortunatamente il fisico russo Aleksandr Aleksandrovič Fridman si concentrò sulla possibilità di un universo mobile e fece le sue speculazioni partendo da due semplici ipotesi: l’universo appare eguale in qualunque direzione lo si osservi (in effetti, considerando un universo a grande scala l’approssimazione è corretta) e ciò vale per osservazioni condotte da un punto qualsiasi del cosmo (non vi sono infatti ragioni per ipotizzare che la terra si trovi in angolo di universo in qualche modo “privilegiato” rispetto al resto del creato). Successivamente, nel 1965, due dipendenti dei Bell Telephone Laboratories, tali Arno Penzias e Robert Wilson, alle prese con alcuni studi sulle microonde, avvalendosi di un rilevatore molto sensibile, s’imbatterono in un rumore “di disturbo” che presentava la stessa intensità in ogni direzione del cielo, a qualunque ora del giorno, e in qualunque momento dell’anno. Una tale ambiguità poteva essere spiegata solo immaginando l’esistenza di un segnale costante proveniente dall’esterno della nostra galassia: la stessa costanza profetizzata da Fridman e da alcuni suoi studenti, tra cui George Gamow, che approfondì la costruzione teorica attorno ai fortuiti riscontri sperimentali. Quel rumore era la radiazione cosmica di fondo, una microonda avente temperatura pari a 2,75 K.
Arno Penzias e Robert Wilson con lo strumento che permise loro di captare la radiazione in questione.
A questo punto è doveroso citare il concetto di singolarità: dal punto di vista meramente matematico si suole indicare con quest’espressione un punto del grafico spazio-tempo in cui le coordinate tendono a infinito; questa però è sicuramente una definizione riduttiva, in quanto si deve considerare che anche i valori d’energia, calore e densità di materia, per quanto riguarda la singolarità del Big Bang, tendono all’infinito. Da ciò consegue che, quand’anche fosse esistito qualcosa prima del Big Bang, sarebbe sicuramente impossibile scoprirlo, dal momento che ogni tipo d’informazione viene “cancellata” da un evento come la singolarità. Ma non è tutto, in quanto proprio a causa della singolarità, non è possibile ipotizzare cos’è accaduto nelle primissime fasi del Big Bang stesso fino a 10-43 secondi dopo l’inizio vero e proprio (questo brevissimo intervallo di tempo è conosciuto col nome di “tempo di Plank”, dal fisico Max Karl Ernst Plank). La ricostruzione dei fatti successivi al tempo di Plank rappresenta a tutt’oggi l’ipotesi più evoluta e ardita che l’uomo ha fatto in campo cosmogonico, scaturita dalle conoscenze acquisite avvalendosi degli strumenti d’indagine fisica più raffinati: gli acceleratori di particelle. Questi giganteschi strumenti sono in grado di ricreare energie immense per frazioni infinitesime di secondo, in cui si simula ciò che accade nei processi energetici più consistenti dell’universo, permettendo di scomporre la materia in costituenti più piccoli di elettroni, protoni e neutroni: i quark. Esistono infatti quattro tipi di forze in natura, che da sole possono rendere conto di tutti i fenomeni naturali, e sono: la gravità, l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte, e la forza nucleare debole, Tutti noi ci misuriamo quotidianamente con la gravità e i suoi effetti: la forza peso, la caduta dei corpi verso il basso, l’attrazione reciproca dei corpi celesti e così via, oppure con gli effetti della forza elettromagnetica: l’elettricità e il magnetismo; in pochi invece sanno però che esistono altre due forze simili a gravità ed elettromagnetismo, le forze di natura nucleare. Tanto per avere un’idea, la forza nucleare forte tiene uniti protoni e neutroni all’interno dei nuclei, mentre la forza nucleare debole è responsabile dei processi di decadimento radioattivi. Quando si ha a che fare con livelli di energia realmente elevati, si assiste fra le altre cose alla progressiva riunificazione delle quattro forze fondamentali e nel lasso di tempo che intercorse tra il famigerato istante iniziale e il tempo di Plank, l’unificazione dovette esistere per davvero.
Da un certo punto di vista il Big Bang è più vicino a noi di quanto non sembri, poiché in quella che chiamiamo la Grande Esplosione, era già presente ogni cosa che vediamo oggi, compresi i nostri stessi corpi, sottoforma di costituenti atomici elementari: un’immagine davvero suggestiva! La successione cronologica degli eventi parte dunque da una “singolare” e straordinaria esplosione iniziale, la più grande esplosione mai verificatasi nell’universo, dal momento che coinvolse tutto il creato, ma non fu un’esplosione come la si potrebbe immaginare istintivamente: non vi fu bagliore alcuno, né tantomeno si poterono udire boati. Soltanto dopo 300.000 anni l’Universo divenne trasparente alla luce, e con tecniche sofisticatissime gli scienziati sono riusciti a scattare una formidabile foto risalente a tale periodo. La foto è stata ottenuta da un telescopio italo-americano sospeso ad un pallone aerostatico nell’ambito dell’esperimento BOOMERanG (Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), frutto di 8 anni di cooperazione tra l' Università di Roma La Sapienza, diretta dal prof. Paolo de Bernardis e dal California Institute of Technology, diretto dal prof. Andrew Lange.
Ritornando ai primissimi istanti, sappiamo che la separazione della Gravità dalle altre tre forze è avvenuta tra 10-43 e 10-36 secondi dall’origine; parallelamente iniziava il processo di raffreddamento ed espansione che dura, seppur con alcune differenze, ancora oggi, al ritmo di 15 millimetri ogni secondo per anno-luce .Di lì a poco si differenziò la forza nucleare forte; siccome la materia ancora non esisteva tutte le trasformazioni finora enunciate riguardano l’energia. Da 10-36 a 10-32 secondi si assistette a un fenomeno noto col nome di Inflazione, dall’inglese "inflation", gonfiamento, un momento in cui l’espansione dell’Universo seguì un andamento esponenziale, crescendo come mai aveva fatto prima e come mai avrebbe fatto più, in conseguenza diretta della separazione della forza forte.
Immagini e testi a cura di Andrea Arleo
