Big Bang teoria

LA Teoria del Big Bang è la teoria dell'evoluzione dell'Universo, dall'istante della "Creazione" in poi, con particolare attenzione su ciò che è avvenuto nei primissimi tempi. Dunque "Creazione" corrisponde a tempo = 0 ; mentre Teoria del Big Bang corrisponde invece a tempo > 0. La Creazione corrisponde all'istante in cui le Leggi della Natura, é lo spazio-tempo vengono ad esistere dal Nulla Assoluto ; le successive "creazioni" corrispondono all'apparire, conformemente alle preesistenti leggi, di entità fisiche che in precedenza non si trovavano ancora. Per le varie creazioni, dunque, ha senso parlare di "prima", mentre non ha senso parlarne per la Creazione, in quanto essa coincide con l'apparire del concetto di "tempo".

Come si è giunti al Big Bang.

Nel 1916, Einstein pubblicò la sua Teoria della Relatività generale. Essa pose fine ad una disputa secolare sull'azione a distanza che prima arrovellato perfino lo stesso Newton é cioè di come era possibile che due oggetti distanti tra loro, tra i quali c'è il vuoto (come la Terra é il Sole), subiscano una attrazione reciproca é di che cosa fosse fatto questo mediatore fisico che faceva da elastico. La Teoria della Relatività generale risolve questo problema mostrando che lo spazio tempo possiede, punto per punto, una geometria non rettilinea dovuta alla presenza di masse, é che gli oggetti che vi sono immersi non fanno altro che seguire passivamente i percorsi curvilinei delineati da questa geometria. Questa teoria, che descrive la geometria dello spazio tempo, fu applicata all'Universo nel suo insieme. Sorprendentemente, tutte le soluzioni possibili di Einstein mostrarono che l'Universo non può essere "stazionario" su vasta scala, come si era da sempre assunto, ma doveva essere o in contrazione o in espansione. La necessità a di considerare un universo non "stazionario" non si sentiva da nessuna parte é Einstein stesso si sentì costretto a inserire un nuovo termine detto "costante cosmologica", (cosa di cui egli stesso si pentì) essa applicata alle sue equazioni consentiva descrizione di universi "stazionari". Contemporaneamente Hubble già disponeva di prove osservative che indicavano un'espansione dell'Universo, proprio come previsto da Einstein nella sua Teoria della Relatività generale nella forma originaria, cosa che per Hubble era incredibile é non la rese pubblica fino al 1929 dopo essersi reso conto che i dati sperimentali erano certi. L'approssimazione con cui Hubble fu in grado di valutare il valore numerico del fattore di espansione era molto ampio, ma al di là di ogni possibile dubbio le sue osservazioni dimostravano senza ombra di dubbio che l'universo si stava espandendo. Hubble ipotizzò che tutte le galassie di un certo tipo abbiamo la stessa luminosità intrinseca é dedusse che più piccole é meno luminose apparivano, più dovevano essere lontane da lui ed in modo calcolabile. Prendendo poi in considerazione gli spettri si accorse che la luce che emetteva era spostata verso il rosso tanto più quanto erano lontane. Interpretando tale arrossamento come effetto Doppler, giunse alla conclusione che le galassie si allontanano da noi quanto più velocemente quanto più sono lontane. La constatazione che l'Universo si espande può far nascere delle domande più che legittime : se tutte le galassie si allontanano simmetricamente dalle Terra vuol dire che la Terra è al centro dell'Universo ? Se la velocità delle galassie è proporzionale alla distanza, è possibile che esistano galassie così distanti che la velocità di allontanamento sia pari a quella della luce ? Cosa avverrà oltre ? La Teoria della Relatività Speciale non proibisce tutto ciò ? La risposta a queste domande è che noi non siamo al centro dell'Universo perché una situazione come quella descritta é perfettamente simmetrica dovunque, se ci spostiamo dalla Terra a un punto qualsiasi, per quanto lontano, troveremo che anche da quella posizione le galassie si allontanano in modo "simmetrico" tra di loro. Non esiste un punto geometrico dell'Universo é quindi un punto di osservazione equivale l'altro. Per rispondere alla seconda domanda bisogna tenere conto che le galassie non si "allontanano" tra di loro come un treno sui binari dalla propria stazione. E' il "tessuto spaziale" che si "dilata" é "trascina" con se le galassie. L'esplosione dell'universo non è l'esplosione di una bomba che proietta le schegge attorno a se in uno spazio già preesistente. Si tratta piuttosto di un aumento "della quantità di spazio". Dato che la Teoria della Relatività Speciale fa riferimento a uno spazio tempo "statico" essa non ha alcun potere su questa "espansione" dello spazio, quindi potrebbe essere che l'Universo nella sua totalità sia infinito é che parti infinitamente lontane si espandano a velocità infinite. L'orizzonte che delimita la frazione di Universo con cui possiamo interagire è dato proprio da quelle galassie che, allontanandosi "quasi" alla velocità della luce. Riescono ancora a inviarci fotoni che, per effetto Doppler, sono spostati a lunghezze d'onda sempre maggiori, ed energie sempre minori, fino a svanire del tutto. Fatte queste premesse dato che due oggetti si allontanano con velocità proporzionale alla distanza ed il fattore di proporzionalità è finito, basterà risalire all'indietro nel tempo in una quantità finita per raggiungere il momento in cui tutte le parti costituenti l'Universo (materia, energia, spazio é tempo) erano concentrate in un solo punto da cui è partita l'espansione o il Big Bang.

I tempi del Big Bang

Al giorno d 'oggi, noi osserviamo un certo ritmo di espansione dell'Universo, ma sappiamo che tale ritmo doveva essere maggiore in passato, poiché l'attrazione gravitazionale della stessa materia che compone l'Universo lo ha, col passare del tempo, un po' diminuito. Per calcolare quanto tempo fa ha avuto luogo il Big Bang, dunque, bisogna conoscere con esattezza due quantità: l'attuale tasso di espansione. é la densità media dell'Universo, da cui ricavare le informazioni sul rallentamento dell'espansione.

Purtroppo, nessuna delle due quantità è nota con la precisione che desidereremmo. Il ritmo di espansione viene definito "costante di Hubble" (abbreviato in Ho), é viene misurato in chilometri al secondo per megaparsec (il che vuoi dire che un oggetto distante da noi M megaparsec si allontana con una velocità pari ad M * Ho/Km sec. ). Una formula semplice consente di calcolare I 'età dell'Universo, espressa in miliardi di anni:

età = 1OOO C/Ho

laddove C è una funzione del rallentamento dell'espansione che, per il momento, si può porre C = 1. Dunque, se Ho = 5O Km/ sec*Mpc età =20 miliardi di anni mentre, se Ho=100, età' =10. Molti ricercatori propendono per un valore di Ho compreso tra 50 é 60, adducendo ottimi motivi. Purtroppo, altrettanto buoni motivi sono addotti da ricercatori che propendono per un valore di Ho tra 80 é 100. C'è poi il rallentamento. In questo caso, il problema è molto controverso, é non solo per quanto riguarda età dell'Universo. Per ora teorie (ed osservazioni) rivali affermano che il coefficiente C che compare nella formula precedente, difficilmente può essere maggiore di 0,85, é difficilmente minore di 0.67. Dunque, il Big Bang può essere avvenuto tra un massimo di 17 miliardi, ed un minimo di 6.7 miliardi di anni fa. Una grande incertezza incertezza. Una certa serie di indizi sembra comunque escludere la cifra più bassa (già età dei sole è 4,7 miliardi di anni, é prima della nascita del sole debbono essersi evolute diverse generazioni di stelle, per non parlare di almeno un miliardo di anni necessario per la formazione della galassia):probabilmente, come spesso avviene, la verità sta nel mezzo, é la vera età dell'Universo si aggira nell'intervallo tra 11 é 14 miliardi di anni. Da quello che si è detto prima scaturisce una polemica "conflitto di età" é cioè che l'età dell'Universo, che non può superare i 14 - 15 miliardi di anni, non si concilia con l'età degli Ammassi Globulari che, secondo alcune versioni della teoria dell'evoluzione stellare, non può essere inferiore a 16 - 20 miliardi di anni. Dunque, si è parlato di "crisi" o perfino di "morte" del Big Bang, ma le conclusioni sono affrettate, in primo luogo, l'età degli Ammassi Globulari è ben lungi dall'essere determinata con l'accuratezza che alcuni astrofisici sostengono. Quando si mettono a confronto in modo critico i risultati teorici ed osservativi più recenti, si scopre che questa età può essere fatta scendere in, modo consistente, fino ad 11 o 12 miliardi di anni, senza andare contro il quadro teorico é sperimentale gli scienziati dispongono é poi c'è da tenere in considerazione la costante cosmologica di Einstein . Nel caso in cui essa fosse diversa da zero, l'universo, dopo una prima fase di espansione, si sarebbe "fermato" per un certo numero M di miliardi di anni, per poi riprendere ad espandersi.

Il meccanismo del Big Bang

Si è accennato alla Teoria della Relatività Generale, come teoria della gravitazione. La gravitazione, però, è solo una delle quattro forze o meglio: "interazioni" che, per quel che si ritiene sapere oggi, governano l'Universo. Le altre tre sono: l'interazione elettromagnetica, quella cosiddetta "debole" (che presiede a tutta una famiglia di decadimenti radioattivi), é l'interazione "di colore" che una volta era detta "interazione forte" (che tiene assieme nuclei atomici é particelle elementari). Queste ultime tre interazioni, vengono oggi descritte in base alla Teoria Quantistica dei Campi. Ciascuna delle quattro interazioni non è altro che una manifestazione particolare di una interazione unica, ancor più fondamentale. Si è dunque alla ricerca della cosiddetta "Teoria del Tutto", che comprenderebbe tutte le leggi della fisica in un'unica formulazione. Se riuscissimo a riprodurre in laboratorio energie (o temperature) così elevate come quelle esistenti subito dopo il Big Bang, potremmo sperimentare questa unificazione delle quattro interazioni. Ma perfino con i più grandi acceleratori di particelle esistenti al mondo, siamo ancora miliardi di miliardi di volte al disotto delle energie necessarie. Secondo i fondamenti della Teoria del Tutto immediatamente dopo il Big Bang le quattro interazioni fondamentali sarebbero state unite ed indistinguibili l'una dall'altra. Ci sarebbe stata dunque un 'unica 'forza "della natura, mentre le cariche elettriche, quelle nucleari, la gravitazione eccetera non sarebbero ancora state presenti. Giunti però a tempo -44 (cioè ad una frazione di secondo con 44 zeri dopo la virgola), l'interazione gravitazionale si sarebbe "staccata" dalle altre tre é sarebbe apparsa per la prima volta la forza di gravità propriamente detta perché la temperatura era ormai scesa al disotto del minimo indispensabile a mantenere unificazione delle interazioni. Scendendo, a tempo -33 si sarebbe poi "staccata" l'interazione di colore, ed a quell'istante sarebbero dunque comparsi i quark (o per meglio dire: dei pesanti agglomerati di quark), che oggi sono ritenuti mattoni costituenti la materia. A tempo -9 si sarebbero divise le due interazioni restanti, é cioè la debole é l'elettromagnetica, mentre a tempo -2 i protoni sarebbero diventati stabili, ed a tempo O (e quindi ad un secondo dal Big Bang) si sarebbero formati i primi nuclei atomici.  Se dunque fossimo in possesso della Teoria del Tutto, saremmo in grado di delineare con precisione tutti gli avvenimenti occorsi a partire dall'istante tempo = O. Purtroppo, i primi frammenti di Teoria del Tutto di cui disponiamo, ci pongono di fronte ad un problema che, al momento, è irrisolto: la Teoria della Relatività Generale é la Teoria Quantistica del Campi (e cioè le due teorie di base che governano tutte le interazioni conosciute) sono incompatibili tra loro. Sovrapporre la Teoria della Relatività Generale con la Teoria Quantistica dei Campi, quando questa erano una sola, porta ad assurdità logiche, mentre se prese singolarmente sono perfettamente efficienti ; ciò porta alla formazione di un orizzonte che corrisponde a tempo -44 nel quale esse si sono divise. Il tempo -44 non può attualmente essere indagato in via di principio é quindi rappresenta per la scienza, in qualche modo, il vero inizio dei tempi. In quell'istante l'Universo era composto da un magma di particelle super-pesanti (tra cui le particelle X ed Y, ipotizzate che sono un passo intermedio verso la Teoria del Tutto ma ancora mai osservate) che collidevano é si trasformavano le une nelle altre. Materia ed antimateria erano, in quel momento, in equilibrio tra loro. Giunti a tempo -37, secondo alcune teorie si verificò un evento di particolare interesse per i futuri destini dell'Universo: l'inflazione. Schematizzando molto, si può dire che il Vuoto cambia di stato (il Vuoto, quindi, è profondamente diverso dal Nulla; il Vuoto contiene già le leggi della natura é può sussistere in molti stati). In un certo senso, prima di quel tempo il Vuoto era troppo "compresso" per liberarsi di un eccesso di energia che possedeva, é se ne liberò appena possibile, cedendola allo spaziotempo stesso, la cui espansione venne così tremendamente accelerata. Bisogna ricordare che questa espansione, non essendo una "velocità" fisica, ma una dilatazione dello "spazio" in quanto tale, non è condizionata dalla velocità della luce, durante l'inflazione ogni singola "regione" componente l'Universo si dilata di un ammontare spropositato, un uno seguilo da cinquanta o sessanta zeri prima della virgola. Senza inflazione, la frazione di universo che oggi è accessibile alle osservazioni aveva, all 'istante iniziale, una dimensione di circa -35, espressa come logaritmo di una distanza in centimetri. Con l 'inflazione, la dimensione iniziale dello stesso ammontare attuale di spazio era forse -90 -100. I 'inflazione termina a tempo -34, lasciando una conseguenza molto importante. Se prima esistevano, da un punto all'altro del proto-Universo, fluttuazioni di densità o temperatura, il fatto di aver dilatato immensamente regioni minuscole, all'interno delle quali le fluttuazioni non potevano essere che trascurabili, ha reso pressochè omogenee delle zone vastissime di spazio. Prima che si pensasse all'inflazione, i cosmologi non sapevano dare spiegazione all'apparente omogeneità dell'Universo su vasta scala, é specialmente dall'omogeneità della famosa radiazione di fondo a 2.73 gradi Kelvin. Tutto sta ad indicare che questa omogeneità sia proprio la conseguenza dell'inflazione, la quale sembra quindi risolvere il problema. A tempo -33 la temperatura diminuisce via via (a questo punto la temperatura é scesa a un milione di miliardi di miliardi digradi) é le collisioni tra le particelle non sono più violente come prima. Gli urti non riescono più a creare particelle X ed Y, é queste decadono rapidamente in quark ed antiquark. Se questo decadimento fosse stato del tutto simmetrico non ci sarebbe materia nell'Universo. é certo però (anche se non si è codificato in modo soddisfacente questa legge di natura) che, su un miliardo di antiparticelle che vengono create, viene creato un miliardo di particelle più una. Ed è proprio quest'ultima che sopravvive all 'annichilazione generale lasciando come residuo tutta la materia oggi esistente. Si potrebbe dire che le leggi della natura sono asimmetriche per una parte su un miliardo, ed in assenza di questa provvidenziale asimmetria non esisterebbe la materia, il tempo, forse lo spazio stesso; in pratica non esisterebbe nulla. Che ci sia stata questa asimmetria proprio in quel preciso istante, ce lo dice anche un 'altra osservazione ; i fotoni, che in precedenza erano in equilibrio statistico con le particelle/antiparticelle X é Y, si separano quando queste ultime decadono, contando i fotoni, è possibile sapere anche quante particelle esistevano a quel momento. Il risultato è che oggi esistono un miliardo di fotoni per ogni protone é ciò ci conferma proprio che l'asimmetria materia/antimateria è stata di una parte su un miliardo. A tempo -10 l'Universo si è raffreddato a tal punto (centomila miliardi di gradi) da rientrare ormai nei limiti raggiungibili dai più potenti acceleratori di particelle A tempo - 9 le particelle W é Z mediatrici dell'interazione debole decadono in elettroni é fotoni. Quando poi l'Universo raggiunge l'età di un millesimo di secondo, i pesanti aggregati di quark che ancora sopravvivono possono finalmente decadere é generare i primi protoni. Si è ormai in presenza della materia ordinaria, che si conosce bene. Protoni, dunque che collidono tra di loro per fondere é formare nuclei più pesanti. Però finché la temperatura non scende al disotto di qualche miliardo di gradi, l'energia dei fotoni è tale da spezzare immediatamente questi nuclei appena formati. Dopo un età di qualche secondo, prima che i fotoni si perdano energia a sufficienza da lasciare avvenire la nucleosintesi. Si formano subito nuclei di deuterio, di elio 3 ed elio 4. Poi, però, la catena si interrompe. infatti, se l'elio 4 assorbe un ulteriore protone, il nucleo prodotto non è stabile é decade immediatamente, é la stessa cosa avviene se due nuclei di elio 4 fondono assieme. Al massimo, sporadiche collisioni tra elio 3 ed elio 4 possono condurre come risultato finale ad una minuscola abbondanza di litio 7.  Una certa parte dei protoni presenti, per qualche minuto, va in elio 4, é in altri residui. Poi, anche le reazioni nucleari cessano perché temperatura é densità sono scese ulteriormente. Alla fine, circa il 25% della materia è composto da elio 4, ed il restante da idrogeno. Dopo un milione di anni, quando la temperatura scende al disotto di 5000 gradi, gli elettroni liberi, cominciano a legarsi ai nuclei atomici ; tale fase viene detta ricombinazione. Il plasma o gas ionizzato, componente l'Universo fino a quel momento, diventa un gas normale, non ionizzato. I fotoni, che prima erano continuamente intercettati é diffusi dagli elettroni liberi, ora non trovano più alcun ostacolo, poiché la materia è all 'improvviso diventata trasparente. Osservando i fotoni provenienti dalle zone più importanti dello spazio è emerso il "muro" opaco di radiazione, al di là del quale non è possibile vedere nulla. Vale la pena di ricordare che la famosa radiazione di fondo a 2.73 gradi assoluti, rivelata per la prima volta nel 1964, non è altro che la radiazione emersa dalla ricombinazione é raffreddata dall'espansione generale dell'Universo fino alla bassissima temperatura di oggi. Dubitare del Big Bang in presenza di questa radiazione di fondo, sarebbe come dubitare che siano mai esistiti i dinosauri, trovandosi di fronte ai loro scheletri fossilizzati. Le residue fluttuazioni locali di densità hanno dato luogo ad addensamenti che, nel tempo, sono evoluti come ammassi di galassie, é poi galassie é stelle fino alla situazione che conosciamo.