Uno dei più importanti successi scientifici del secolo scorso è sicuramente la teoria del Big Bang, ovvero l’idea che l’universo, così come lo conosciamo oggi, provenga da un passato più caldo, più denso e più uniforme. Questa teoria, che inizialmente fu proposta come un’alternativa alle più disparate spiegazioni sull’espansione dell’universo, ebbe una importante conferma a metà degli anni 60, con la scoperta del fondo cosmico di microonde.
Per più di 50 anni il Big Bang ha rappresentato la principale teoria che descrive le origini del nostro cosmo, con un periodo inflazionario che ne precede la nascita. Nel corso degli anni, astronomi e astrofisici hanno cercato di sfidare l’inflazione cosmica e il Big Bang, ma nessuna delle alternative proposte ha mai trovato un’evidenza sperimentale.
La Cosmologia Ciclica Conforme di Penrose
Persino Roger Penrose, in passato insignito del Premio Nobel per la fisica, ha proposto un modello cosmologico alternativo, quello della Cosmologia Ciclica Conforme (CCC), che però non è riuscito a eguagliare, finora, i successi del Big Bang inflazionario. A dispetto delle asserzioni di Penrose sull’argomento, non esiste ancora alcuna evidenza di un universo prima del Big Bang.
Il Big Bang viene comunemente presentato come l’origine di tutto: dello spazio, del tempo, della materia e dell’energia, e ciò avrebbe un senso. Se l’universo che stiamo oggi osservando è in espansione e diventa sempre meno denso, vuol dire che nel passato esso è stato più piccolo e più denso. Se nell’universo abbiamo radiazione, allora la lunghezza d’onda di questa radiazione si allunga con l’espansione dell’universo, raffreddandosi con il passare del tempo.
Andando indietro nel tempo, di circa 13.8 miliardi di anni, si arriverà a un punto di singolarità, con scale di distanza infinitesime, scale temporali brevi e scale di energia elevate; in queste condizioni le leggi della fisica cessano di esistere a 10^-43 secondi: il tempo di Planck.
Quindi, se l’universo viene descritto con un inizio caldo e denso e un’espansione con conseguente raffreddamento, nel corso del tempo si sarebbero verificate diverse transizioni, tra cui:
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Creazione di tutte le particelle e antiparticelle;
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Rottura delle simmetrie elettrodebole e di Higgs, quando l’universo si raffredda al di sotto dell’energia, alla quale quelle simmetrie vengono riformate, dando origine a quattro forze fondamentali e a particelle con masse a riposo diverse da zero;
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I quark e i gluoni si condensano per formare delle particelle composte, come i protoni e i neutroni;
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I neutrini non interagiscono più con le particelle che sopravvivono;
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I protoni e i neutroni si fondono per formare i nuclei più leggeri: deuterio, elio-3, elio-4 e litio-7;
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La gravitazione agisce per far crescere le zone più dense, mentre la pressione di radiazione fa in modo che esse si espandano, quando diventano troppo dense;
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E, circa dopo 380.000 anni dal Big Bang, la temperatura si era abbassata al punto da agevolare la formazione di atomi neutri e stabili.
Quando si è verificata quest’ultima fase, i fotoni che permeano l’universo, che prima erano stati diffusi dagli elettroni liberi, viaggiano lungo una linea retta, con una lunghezza d’onda che cresce e diluendo il loro numero all’espandersi dell’universo.
Da quando, circa 55 anni addietro, fu rilevata per la prima volta la radiazione cosmica di fondo, la teoria del Big Bang è considerata l’unica, consistente con i dati, in grado di spiegare le origini dell’universo. Così, se da una parte la maggioranza degli astronomi e degli astrofisici ha accettato immediatamente la teoria del Big Bang, dall’altra i sostenitori più accaniti del modello a Stato Stazionario, hanno addotto delle ipotesi sempre più assurde, per difendere un’idea che veniva palesemente contrastata dai dati.
Tutte le spiegazioni alternative al Big Bang si sono scontrate con l’evidenza dei dati: lo spettro di questo bagliore cosmico era un perfetto corpo nero, troppo uguale in tutte le direzioni e troppo non correlato con la materia nell’universo, per allinearsi a queste spiegazioni. Mentre la scienza si muoveva nel definire il Big Bang un significativo punto di partenza per il futuro, il gruppo degli oppositori al Big Bang lavorava per fermare il progresso della scienza, sostenendo delle alternative improponibili.
Intanto, tra gli anni 60 e gli anni 2000, l’astronomia e l’astrofisica, e in particolare la cosmologia, hanno visto dei rilevanti progressi, tra i quali:
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Mappatura della struttura a larga scala dell’universo, con la scoperta di una grande rete cosmica.
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Scoperta della crescita e dell’evoluzione delle galassie e di come variano con il tempo gli ammassi stellari in esse contenuti.
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Si è imparato che tutte le forme note di materia e di energia nell’universo non sono sufficienti per spiegare ciò che si osserva; è necessaria una qualche forma di materia oscura e di energia oscura.
Inoltre, sono state verificate alcune previsioni del Big Bang, tipo l’abbondanza di elementi leggeri, la presenza di neutrini primordiali e la scoperta delle imperfezioni di densità di un tipo esattamente necessario per crescere all’interno della struttura a larga scala dell’universo.
Nello stesso tempo, sono state effettuate delle osservazioni che erano indubbiamente vere, ma che non trovavano una spiegazione nella teoria del Big Bang. Teoricamente, è possibile che, al di là di ciò che conosciamo, ci sia qualcos’altro che, probabilmente, finora ci risulta nascosto.
Per far sì che l’universo abbia le proprietà che oggi vediamo, deve essere nato con una velocità di espansione ben definita, in modo che si potesse bilanciare esattamente la densità di energia. Il Big Bang non riesce ancora a fornire una spiegazione plausibile su questo fenomeno.
Inoltre, il fatto che regioni dello spazio differenti abbiano la stessa temperatura, significa che devono trovarsi in equilibrio termico e che abbiano la possibilità di interagire e scambiarsi energia. Ma l’universo si è espanso in modo da rendere poco probabili queste interazioni. Ciò rappresenta una sfida tremenda per la cosmologia e per la scienza in generale.
Il meccanismo teorico di maggior successo, per estendere il Big Bang, è stata la teoria dell’inflazione cosmica, che stabilisce una fase precedente al Big Bang, dove l’universo ha avuto un’espansione di tipo esponenziale. Sebbene anche l’inflazione, come il Big Bang, avesse un ampio numero di detrattori, le sue previsioni hanno avuto successo laddove le alternative hanno fallito. Questo modello risolve il problema dell’uscita gentile; impone un taglio di energia; crea un universo uniforme, dove la velocità di espansione e la densità totale di energia si accordano perfettamente.
Negli anni 80, le previsioni dell’inflazione sono state molto sottovalutate, mentre l’evidenza sperimentale che le ha completamente validate si è avuta nel corso dei trent’anni successivi. Sebbene le alternative a questo modello siano cospicue, nessuna di queste si avvicina ai successi dell’inflazione.
Uno dei più importanti detrattori dell’inflazione è Roger Penrose, il quale ha sostenuto un’alternativa, ritenuta scientificamente inferiore, denominata Cosmologia Ciclica Conforme.
La differenza di previsione più importante è che il modello di Penrose (CCC) richiede che un’impronta dell’universo prima del Big Bang si mostri sia nella struttura a larga scala dell’universo che nel fondo cosmico di microonde. Al contrario, il modello dell’inflazione prevede che l’universo esiste con delle proprietà che sono indipendenti da qualunque altra cosa.
Le recenti osservazioni, fatte con COBE, con WMAP e con Planck, dimostrano che non vi sono lividi nel nostro universo; non vi sono percorsi ripetuti; non vi sono cerchi concentrici di fluttuazioni irregolari; non vi sono punti di Hawking. Quando si analizzano correttamente i dati, è evidente che l’inflazione è consistente con i dati, a differenza della CCC.
Le previsioni del modello di Penrose sono completamente rifiutate dai dati, e le supposizioni del modello CCC si basano su una lettura dei dati che, scientificamente, non è ritenuta molto corretta.
Ma Penrose sembra essere così attratto dalla sua idea, che forse non guarda più alla realtà per metterla alla prova.
Se da una parte, quindi, è giusto lodare la creatività di Penrose e celebrare il lavoro che gli ha fatto vincere il premio Nobel, dall’altra bisogna fare attenzione a deificare il lavoro di eminenti scienziati, quando questo non è supportato dai dati.
Alla fine, indipendentemente dalla celebrità o dalla fama, spetta all’Universo stesso discernere per noi ciò che è reale e ciò che è semplicemente un’ipotesi infondata, e per noi seguire l’esempio dell’Universo, indipendentemente da dove ci porta.
