Perché nessuna teoria sfida seriamente il Big Bang?

Non più di 20 anni fa, il Big Bang era una delle tante idee che gli scienziati continuavano a nutrire: la teoria dello stato quasi stazionario, la cosmologia del plasma e gli spostamenti verso il rosso quantizzati rimanevano i pilastri della letteratura scientifica. Ma oggi, sono in gran parte i pazzi e alcuni contrari marginali che raccolgono anche la più debole delle sfide alla posizione che ha il maggior consenso: che l'Universo sia iniziato con un Big Bang caldo

Nella prima metà del 20° secolo, anche dopo la scoperta dell’Universo in espansione, i fisici hanno considerato un’ampia varietà di storie sull’origine del nostro Universo. A metà degli anni ’60, fu scoperto il fondo cosmico a microonde, ampiamente interpretato come il bagliore residuo del Big Bang. Mentre molti ritenevano che fosse la prova decisiva a favore del Big Bang ma le cosmologie alternative non si limitarono a persistere, ma crebbero in numero e in dettaglio.

Non più di 20 anni fa, il Big Bang era una delle tante idee che gli scienziati continuavano a nutrire: la teoria dello stato quasi stazionario, la cosmologia del plasma e gli spostamenti verso il rosso quantizzati rimanevano i pilastri della letteratura scientifica. Ma oggi, sono in gran parte i pazzi e alcuni contrari marginali che raccolgono anche la più debole delle sfide alla posizione che ha il maggior consenso: che l’Universo sia iniziato con un Big Bang caldo

Il campo della cosmologia sta cedendo al pensiero di gruppo, come spesso affermano i suoi detrattori, o la mancanza di alternative è giustificata? Proviamo a capirlo.

Le alternative al Big Bang

Se vogliamo esaminare una teoria scientifica, la prima cosa che dobbiamo fare è capire cosa presuppone la teoria, cosa prevede e confrontare queste previsioni con ciò che è stato misurato. La grande idea del Big Bang nacque quando gli scienziati iniziarono a studiare le proprietà matematiche della Relatività Generale di Einstein: la teoria della gravità che fu avanzata nel 1915 per sostituire la legge di gravitazione universale di Newton. A differenza della gravità newtoniana, la relatività generale:

  • ha portato la gravità in un quadro coerente, definendo la velocità della luce il limite di velocità cosmico,
  • è stata in grado di spiegare l’orbita di Mercurio e come il suo perielio ha avuto una precessione nel corso dei secoli,
  • e ha predetto nuovi effetti come la flessione della luce stellare, la lente gravitazionale, i ritardi gravitazionali e gli spostamenti verso il rosso e il blu.

Alla fine del 1919, era chiaro che la Relatività Generale aveva successo laddove non arrivava la gravità newtoniana e che le sue conseguenze – che lo spaziotempo era un tessuto la cui curvatura era determinata dalla materia e dall’energia – non potevano essere ignorate. Questa è la prima ipotesi: che la Relatività Generale sia la nostra teoria della gravità.

Da lì, i ricercatori hanno iniziato a cercare, trovare ed elaborare le conseguenze di varie soluzioni esatte nella Relatività Generale. A differenza della gravità newtoniana, questo è incredibilmente difficile. Nella gravità newtoniana, se riesci a descrivere le posizioni e le masse di ogni oggetto nel tuo Universo in qualsiasi momento, puoi conoscere gli effetti della gravità ovunque e sempre. Ma nella Relatività Generale di Einstein, solo pochi spaziotempo sono esattamente risolvibili, e sono tutti casi relativamente semplici. Per esempio:

  • Possiamo risolvere un universo vuoto: questo è lo spazio di Minkowski.
  • Possiamo risolvere per un universo con una massa non caricata e non rotante: la soluzione di Schwarzschild.
  • Possiamo scrivere le equazioni per un universo contenente un oggetto massiccio e rotante: la soluzione di Kerr.
  • E possiamo risolvere le equazioni che governano lo spaziotempo per un universo uniformemente riempito di materia e radiazione: otteniamo le equazioni di Friedmann.

Quest’ultima opzione, come è stato riconosciuto quasi subito, potrebbe rappresentare il nostro Universo. Se il nostro Universo è omogeneo (lo stesso in ogni luogo) e isotropo (lo stesso in tutte le direzioni), anche in media, anche solo sulla scala cosmica più grande, le equazioni di Friedmann ci diranno come evolve l’Universo nel tempo.

Nello specifico, deve evolversi e non può essere statico: deve espandersi o contrarsi. Quando le galassie sono state identificate come oggetti al di fuori della Via Lattea, e quindi si è osservato che avevano maggiori spostamenti verso il rosso a distanze maggiori, era stato chiaro che l’immagine di un Universo in espansione, coerente con le equazioni di Friedmann (e quindi, un Universo isotropo e omogeneo) è rimasta valida. Una, ma non l’unica, interpretazione di ciò ha comportato un’estrema estrapolazione: il Big Bang.

Ciò che il Big Bang ha ipotizzato era che il volume occupato dagli oggetti all’interno del nostro Universo aumentasse nel tempo, e quindi l’Universo diventa meno denso col passare del tempo, oltre che più freddo, poiché la luce al suo interno viene spostata a lunghezze d’onda più lunghe e temperature più basse.

Ma oltre a estrapolare in avanti, potremmo estrapolare anche all’indietro nel tempo: in uno stato più caldo e più denso. In realtà, in linea di principio, non c’è limite a questo. Potremmo tornare a temperature arbitrariamente alte e densità arbitrariamente grandi, e se il Big Bang fosse corretto, l’atto di espansione e raffreddamento durante l’evoluzione del cosmo porterebbe a tre principali previsioni, oltre all’espansione dell’Universo.

1.) Una rete cosmica di strutture in crescita e in evoluzione. Se torniamo indietro nel tempo, dovremmo trovare galassie più piccole, meno massicce, piene di stelle più giovani e meno evolute nella loro forma. Nel tempo, crescono e si fondono gravitazionalmente, quindi gli ammassi di galassie e una grande rete cosmica dovrebbero essere più ricchi negli ultimi tempi (e distanze ravvicinate) e più rari nei primi tempi (e distanze maggiori). E, andando molto indietro nel tempo, dovremmo vedere epoche in cui non ci sono ammassi di galassie, né galassie e, alla fine, nemmeno stelle.

La formazione della struttura è un enorme successo per il Big Bang, con la materia oscura e l’energia oscura che sono ingredienti necessari ma sufficienti per far sì che le nostre osservazioni corrispondano squisitamente alle previsioni del modello. Le galassie crescono, si evolvono, diventano più ricche di elementi pesanti e si raggruppano esattamente nel modo previsto dal Big Bang. Anche con l’avvento delle moderne indagini sulle galassie lontane, l’accordo è spettacolare.

2.) Un bagliore residuo di radiazioni a bassa energia, omnidirezionale. Se l’Universo fosse stato più caldo, più denso e più uniforme in passato, alla fine avrebberaggiunto un punto in cui era così caldo e denso che nemmeno atomi neutri si sarebbero potuti formare. Nell’istante in cui un elettrone si lega a un nucleo atomico, un fotone sufficientemente energico arriva e reionizza quell’atomo, impedendo la formazione stabile di atomi neutri. Solo quando l’Universo si è espanso e raffreddato a sufficienza, questi fotoni hnno perso abbastanza energia da consentire all’Universo di diventare neutro, “rilasciando” quella radiazione che allungherebbe la sua lunghezza d’onda mentre l’Universo si espandeva.

Questo “rilascio” si verifica tipicamente a una temperatura di poche migliaia di Kelvin, il che significa che la temperatura di questo sfondo oggi dovrebbe essere solo di pochi gradi sopra lo zero assoluto. Inoltre, questa radiazione dovrebbe avere lo spettro di un corpo nero perfetto, con solo minuscole imperfezioni al livello ~ 0,01% o inferiore. Questo bagliore residuo – originariamente chiamato la palla di fuoco primordiale e oggi noto come fondo cosmico a microonde – è stato scoperto a metà degli anni ’60 ed è stato verificato per essere un corpo nero nello spettro e per avere imperfezioni in esso a 1 parte su 30.000.

Per molti versi, è la conferma più spettacolare di una teoria scientifica nella storia.

3.) Un insieme particolare di rapporti per gli elementi luminosi, anche prima che si formassero le stelle. Anche prima che si potessero formare atomi neutri, era abbastanza caldo e denso che l’Universo non poteva nemmeno formare nuclei atomici. Avrebbero potuto esistere solo protoni e neutroni liberi, poiché nell’istante in cui si fossero fusi insieme per creare deuterio, un’altra particella sarebbe arrivata e li avrebbe fatti saltare in aria. Solo dopo un raffreddamento sufficiente avrebbe potuto formarsi stabilmente il deuterio, dopodiché si combinerebbe con altri protoni, neutroni, deuteroni e gli elementi che si sono formati successivamente per produrre tutto ciò che era possibile.

Ma a causa della velocità con cui l’Universo si espande e si raffredda, queste reazioni possono avvenire solo brevemente. Dopo che la polvere si è depositata, l’Universo è diventato circa il 75% di idrogeno, il 25% di elio-4, lo 0,01% di elio-3 e deuterio e circa lo 0,0000001% di litio-7. La scienza della nucleosintesi del Big Bang – il processo mediante il quale si formano questi elementi – è ora una tariffa standard per gli studenti laureati ed è stata convalidata osservativamente per galassie, quasar, nuvole di gas e anche dal fondo cosmico a microonde.

L’accordo travolgente tra le previsioni del Big Bang e queste osservazioni – anche in modo sempre più dettagliato – è stato ciò che ha portato alla sua diffusa accettazione. Le alternative iniziali sono cadute nel dimenticatoio come:

  • idee non relativistiche, come l’Universo Milne, non riuscirono a spiegare i test successivamente verificati della Relatività Generale, come gli esperimenti di Pound-Rebka,
  • l’idea della cosmologia della luce stanca, dove il redshift era dovuto alla perdita di energia della luce mentre viaggiava attraverso lo spazio, è stata screditata dalla nitidezza osservata di galassie lontane,
  • e l’idea della prima teoria dello stato stazionario, che prediceva un bagliore di fondo a bassa energia di luce stellare riflessa, non riusciva a corrispondere allo spettro osservato del fondo cosmico a microonde.

Tuttavia, sono emerse nuove sfide. Alcune, come il modello dello stato quasi stazionario, aggiunsero proverbiali “epicicli” alle precedenti incarnazioni di idee contrarie, cercando nuova fisica o nuovi fenomeni per allineare le loro previsioni teoriche con le osservazioni ormai robuste che contraddicevano le predizioni precedenti. Altre ancora cercarono di perseguire alternative radicate in teorie gravitazionali diverse dalla Relatività Generale; quelle che facevano predizioni testabilmente diverse dalla teoria di Einstein sono state tutte escluse.

Ma un tipo di alternativa ha richiesto più tempo per essere escluso: quelle radicate nello scetticismo dell’osservazione.

In particolare, quando iniziarono a essere scoperte galassie e quasar molto distanti, sembrava che avessero una proprietà insolita: i loro spostamenti verso il rosso sembravano arrivare a valori specifici che erano tutti multipli l’uno dell’altro. Ciò ha suggerito che gli spostamenti verso il rosso potrebbero essere quantizzati e forse hanno un’origine non cosmologica. Geoffrey Burbidge, William Tifft e Halton Arp hanno esplorato tutte le cosmologie alternative che spiegavano questo, ma indagini profonde su vasta area hanno dimostrato che gli spostamenti verso il rosso delle galassie e dei quasar non sono quantizzati, dopotutto. Sebbene alcune persone perseguano ancora queste linee, le prove sono in modo schiacciante contro di essa.

Inoltre, esperimenti di laboratorio sui plasmi hanno dimostrato che gli effetti elettromagnetici potrebbero facilmente dominare quelli gravitazionali, e quindi la cosmologia del plasma – ribattezzata alcuni decenni fa come Universo elettrico – è stata sviluppata per arricchire ulteriormente questa idea. Sfortunatamente, le sue previsioni erano in assurdo conflitto con le osservazioni: l’Universo era sempre in espansione e non si contraeva mai (una componente necessaria per le oscillazioni del plasma), la gravitazione domina l’Universo ed è necessaria per spiegare i dettagli della rete cosmica e la natura spettacolare del corpo nero del fondo cosmico a microonde tutto combinato per escludere questa alternativa.

Oggi, le uniche serie sfide all’immagine standard del Big Bang arrivano sotto forma di componenti aggiuntivi: universi in cui sono presenti forme esotiche di materia o energia (comprese la materia oscura e l’energia oscura), universi che si allontanano in modo significativo (ma entro i limiti dell’osservazione) dall’isotropia o dall’omogeneità. Universi con una teoria della gravità diversa dalla Relatività Generale (ma che non sono in conflitto con nessuno dei successi già osservati della Relatività Generale). Tutte le alternative moderne possiedono ancora uno stato iniziale caldo, denso, uniforme e in rapida espansione, che si espande, si raffredda e gravita per formare l’Universo che vediamo oggi.

Quindi cosa è successo negli ultimi decenni, che tutte le principali sfide del Big Bang sono cadute? la raccolta di grandi suite di dati di alta qualità, che hanno convalidato le principali previsioni del Big Bang con una precisione incredibilmente elevata.

Se mai sorgessero alternative scientificamente valide al Big Bang, quasi tutti i cosmologi moderni le apprezzerebbero completamente e poi le metterebbero immediatamente alla prova. Il problema è che ogni alternativa di questo tipo è già esclusa dalle prove in mano. Fino a quando non sorgerà un’idea che soddisfi quei criteri necessari, il Big Bang rimarrà da solo come l’unica idea compatibile con l’intera suite di dati che ora possediamo.

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