L’universo non è iniziato in piccolo. È iniziato caldo.
Questa è la premessa fondamentale del modello del big bang. Questa teoria ampiamente accettata spiega come tutto ciò che vediamo sia emerso da uno stato di densità e temperatura estreme. L’evento stesso è avvenuto 13,8 miliardi di anni fa. Prima di ciò, non esisteva un “prima” nel senso tradizionale. Solo una singolarità.
L’idea non è nata nel vuoto. Proveniva da due fonti distinte negli anni ’20. Il matematico russo Aleksandr Friedmann trovò soluzioni alle equazioni di Einstein che suggerivano un universo in espansione. Più o meno nello stesso periodo, l’astronomo belga Georges Lemaître propose che l’universo avesse avuto inizio da un “atomo primordiale”. Entrambi avevano ragione. Entrambi furono ignorati o trascurati per un po’.
Ci sono voluti gli anni ’40 perché la versione moderna si cristallizzasse. Questo lavoro spetta in gran parte a George Gamow. Era un fisico americano di origine russa che vedeva le implicazioni di un universo in espansione e in raffreddamento. Lui e i suoi colleghi hanno predetto che se l’universo avesse iniziato a surriscaldarsi, i resti di quel calore dovrebbero essere ancora presenti. La chiamavano radiazione cosmica di fondo.
Questa non è solo storia. È fisica. Il modello del big bang non è un’immagine statica. È una sequenza temporale dinamica. Tiene traccia del raffreddamento del cosmo. Spiega la formazione degli elementi leggeri. Pone le basi per la formazione delle galassie. Senza questo quadro, non abbiamo una base di riferimento per dove siamo. Stiamo galleggiando in seguito a quell’esplosione.
Il modello ha retto. Osservazioni sul redshift. Misure del fondo cosmico a microonde. L’abbondanza di idrogeno ed elio. Tutto rimanda a quello stato iniziale caldo e denso. È l’unica teoria che si adatta così bene ai dati.
Ma lascia domande. Cosa ha innescato l’espansione? Cosa è successo nel primo istante? Il modello descrive l’evoluzione. Non spiega l’accensione. Questo divario rimane. Per ora guardiamo le prove. Tracciamo l’espansione all’indietro. Accettiamo il big bang come punto di partenza della nostra storia cosmica. Anche se l’inizio resta parzialmente oscurato.
Il modello standard della cosmologia non appare dal nulla. Poggia su due pilastri specifici. Se uno si sgretola, l’intera struttura traballa.
Il primo pilastro è la teoria generale della relatività di Albert Einstein. Questo è il fondamento. Si presuppone che la nostra attuale comprensione della gravità descriva correttamente il modo in cui tutta la materia interagisce nel cosmo. Ci fidiamo di questo perché ha resistito a quasi tutti i test che abbiamo sottoposto per un secolo. Ma la fiducia non è una prova.
Il secondo pilastro è il principio cosmologico. Sembra abbastanza semplice. Afferma che la visione dell’universo da parte di un osservatore non dipende dalla sua direzione o posizione. Guarda a sinistra, guarda a destra, guarda in alto, guarda in basso. È tutto uguale. Non sei più speciale di qualsiasi altro punto nello spazio.
Questo principio si applica solo alle proprietà su larga scala dell’universo. Ingrandisci troppo e vedrai galassie, stelle e vuoti. Struttura ovunque. Ma appianandolo su miliardi di anni luce, diventa uniforme. Questa uniformità implica qualcosa di profondo. Implica che l’universo non abbia confini.
Pensaci.
Se non esiste un bordo, l’origine del big bang non è avvenuta in un unico punto dello spazio. Non è esploso in un vuoto preesistente. L’espansione avvenne attraverso lo spazio allo stesso tempo. Ovunque c’era il big bang. Ogni punto era il centro.
I limiti del calcolo
Questi due presupposti – relatività e uniformità – consentono ai fisici di calcolare la storia del cosmo. Possono risalire alla sequenza temporale fino a un’epoca specifica. Si chiama tempo di Planck.
Prima del tempo di Planck, i conti si interrompono.
Gli scienziati devono ancora determinare cosa sia successo prima di quella piccola frazione di secondo. Su quella scala le equazioni della relatività generale si scontrano con la meccanica quantistica. Semplicemente non abbiamo una teoria funzionante della gravità quantistica. Quindi, siamo ciechi di fronte ai primi istanti di esistenza.
Possiamo descrivere le conseguenze. Possiamo mappare il gas di raffreddamento, la formazione degli atomi, le prime stelle. Ma il fattore scatenante iniziale? Il momento della creazione? Questo rimane un mistero. Stiamo calcolando il film dalla prima scena in poi. Non sappiamo chi ha scritto la sceneggiatura.
Questo non è un fallimento della scienza. È una condizione al contorno. Segna il limite dei nostri attuali strumenti. Sappiamo ciò che non sappiamo. Questa è una posizione distinta, scomoda e necessaria.
L’universo che si raffredda e le sue reliquie cosmiche
L’universo non è semplicemente apparso. Si è espanso. Veloce. Da uno stato così compresso che densità e temperatura erano quasi incomprensibili, il cosmo si distese, raffreddandosi rapidamente mentre procedeva. Non si trattava solo di un’espansione fine a se stessa. Ha creato le condizioni affinché la materia potesse finalmente superare l’antimateria.
Vediamo quel dominio oggi. Ma non era garantito. Le teorie suggeriscono che questa asimmetria sia stata bloccata durante quei primi momenti caotici. Ed è arrivato con un problema. Gli stessi processi che favorivano la materia rispetto all’antimateria prevedevano anche qualcos’altro: il decadimento del protone. È una previsione che non abbiamo ancora visto, ma i conti restano validi.
Durante questa fase lo zoo delle particelle era pieno. Troppo caldo per la struttura. Troppo caldo perché qualcosa possa attaccarsi. Ma bastano pochi secondi e la temperatura scende abbastanza da consentire la formazione dei nuclei. Nucleosintesi del Big Bang. È un processo preciso. La matematica prevede rapporti specifici. Idrogeno. Elio. Litio.
Guarda il cielo oggi. Gli importi coincidono. Esattamente. Questa non è un’approssimazione approssimativa. È una stretta aderenza tra teoria e osservazione. È uno dei pilastri più forti del modello.
Ma gli atomi? Doveva aspettare.
Per circa un milione di anni l’universo rimase un plasma nebbioso. Particelle cariche che diffondono la luce in ogni direzione. Niente poteva viaggiare liberamente. Quindi, la temperatura si è raffreddata abbastanza da consentire agli elettroni di legarsi ai nuclei. Si formarono gli atomi. La nebbia si diradò. La luce, precedentemente intrappolata, fu improvvisamente libera di vagare per il cosmo.
Questa radiazione residua è ciò che chiamiamo fondo cosmico a microonde. È il bagliore residuo del Big Bang. Una reliquia dall’alba dei tempi. Non è caldo. Non proprio. Fa freddo.
La scoperta del fondo a microonde
Tecnicamente è 2.728 Kelvin. Appena sopra lo zero assoluto. Ma per decenni è stato conosciuto semplicemente come lo sfondo dei “tre gradi”. Quell’etichetta è rimasta. È così che la maggior parte delle persone lo definisce, anche se la precisione è migliorata.
Fu scoperto nel 1965 da Arno Penzias e Robert Wilson. Due fisici americani. Non lo stavano nemmeno cercando. Stavano lavorando con un’antenna a tromba, cercando di eliminare il rumore. Continuavano a trovare questo sibilo persistente. Hanno pulito l’antenna. Hanno controllato se ci fossero escrementi di piccione. Niente ha funzionato. Il rumore è rimasto.
Si scoprì che era l’universo stesso a parlare.
Questa scoperta ha confermato la previsione secondo cui l’universo primordiale ha lasciato un’impronta termica. È la luce più antica che possiamo rilevare. Un’istantanea dell’universo quando aveva circa 380.000 anni. Prima era opaco. Dopodiché è stato trasparente. L’universo si è aperto.
Particelle nascoste e reliquie future
La storia non finisce con i fotoni. Il modello prevede più fantasmi nella macchina. Neutrini. Particelle fondamentali prive di massa. Nessuna carica elettrica. Interagiscono così debolmente che attraversano la Terra a miliardi ogni secondo senza che ce ne accorgiamo.
Il modello del Big Bang prevede che l’universo dovrebbe essere riempito da un fondo cosmico di neutrini. Reliquie della stessa epoca dello sfondo del microonde. Ma rilevarli è incredibilmente difficile. Sono deboli. Inafferrabile.
C’è la possibilità che esistano anche altre reliquie. Non sappiamo cos’altro potrebbe nascondersi nell’oscurità, in attesa
