Come è iniziato tutto? È una domanda su cui gli esseri umani si sono interrogati per migliaia di anni. Nel corso dell’ultimo secolo circa, la scienza si è concentrata su una risposta: il Big Bang.
Questo descrive come l’Universo è nato in un’esplosione catastrofica quasi 14 miliardi di anni fa. In una minuscola frazione di secondo, l’universo osservabile è cresciuto dell’equivalente di un batterio che si espande fino alle dimensioni della Via Lattea. L’universo primordiale era straordinariamente caldo ed estremamente denso. Ma come sappiamo che tutto ciò è accaduto?
Diamo prima un’occhiata alle prove. Nel 1929, l’astronomo americano Edwin Hubble scoprì che le galassie distanti si stanno allontanando l’una dall’altra, portando alla consapevolezza che l’universo si sta espandendo. Se dovessimo riportare indietro l’orologio alla nascita del cosmo, l’espansione si invertirebbe e le galassie cadrebbero l’una sull’altra 14 miliardi di anni fa. Questa età concorda bene con le età degli oggetti astronomici più antichi che osserviamo.
L’idea fu inizialmente accolta con scetticismo, e fu proprio uno scettico, l’astronomo inglese Fred Hoyle, a coniare il nome. Hoyle liquidò sarcasticamente l’ipotesi come un “Big Bang” durante un’intervista con la radio BBC il 28 marzo 1949.
Poi, nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson rilevarono un tipo particolare di radiazione che riempie tutto lo spazio. Questa divenne nota come radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). È una specie di bagliore residuo dell’esplosione del Big Bang, rilasciato quando il cosmo aveva solo 380.000 anni.
La CMB fornisce una finestra sulle condizioni calde e dense all’inizio dell’universo. Per la loro scoperta Penzias e Wilson furono insigniti del Premio Nobel per la fisica nel 1978.
Più recentemente, esperimenti presso acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) hanno fatto luce su condizioni ancora più vicine al momento del Big Bang. La nostra comprensione della fisica a queste alte energie suggerisce che, nei primissimi istanti dopo il Big Bang, le quattro forze fisiche fondamentali che esistono oggi erano inizialmente combinate in un’unica forza.
Le quattro forze attuali sono la gravità, l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. Mentre l’universo si espandeva e si raffreddava, una serie di cambiamenti drammatici, chiamati transizioni di fase (come l’ebollizione o il congelamento dell’acqua), separavano queste forze.
Esperimenti presso acceleratori di particelle suggeriscono che pochi miliardesimi di secondo dopo il Big Bang si sia verificata l’ultima di queste transizioni di fase. Questa fu la rottura dell’unificazione elettrodebole, quando l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole cessarono di combinarsi. Questo è quando tutta la materia nell’Universo ha assunto la sua massa.
Andando avanti nel tempo, l’universo è pieno di una strana sostanza chiamata plasma di quark e gluoni. Come suggerisce il nome, questa “zuppa primordiale” era composta da quark e gluoni. Queste sono particelle subatomiche responsabili della forza nucleare forte. Il plasma di quark-gluoni è stato generato artificialmente nel 2010 al Brookhaven National Laboratory e nel 2015 all’LHC.
Quark e gluoni hanno una forte attrazione reciproca e oggi sono legati insieme come protoni e neutroni, che a loro volta sono gli elementi costitutivi degli atomi. Tuttavia, nelle condizioni calde e dense dell’universo primordiale, esistevano indipendentemente.
Il plasma di quark e gluoni non durò a lungo. Solo pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, mentre l’universo si espandeva e si raffreddava, quark e gluoni si aggregavano formando protoni e neutroni, una situazione che persiste ancora oggi. Questo evento è chiamato confinamento dei quark.
Man mano che l’universo si espandeva e si raffreddava ulteriormente, c’erano meno fotoni ad alta energia (particelle di luce) nell’universo rispetto a prima. Questo è un innesco per il processo chiamato nucleosintesi del Big Bang (BBN). Fu allora che i primi nuclei atomici – i densi grumi di materia fatti di protoni e neutroni e che si trovano al centro degli atomi – si formarono attraverso reazioni di fusione nucleare, come quelle che alimentano il Sole.
Ai tempi in cui nell’universo c’erano più fotoni ad alta energia, qualsiasi nucleo atomico formatosi sarebbe stato rapidamente distrutto da essi (un processo chiamato fotodisintegrazione). La Bbn cessò pochi minuti dopo il Big Bang, ma le sue conseguenze sono oggi osservabili.
Le osservazioni degli astronomi ci hanno fornito prove dell’abbondanza primordiale di elementi prodotti in queste reazioni di fusione. I risultati concordano strettamente con la teoria della BBN. Se continuassimo, nell’arco di quasi 14 miliardi di anni, raggiungeremmo la situazione che esiste oggi. Ma quanto possiamo avvicinarci alla comprensione di ciò che stava accadendo nel momento del Big Bang stesso?
Gli scienziati non hanno prove dirette di ciò che accadde prima del crollo dell’unificazione elettrodebole (quando l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole cessarono di combinarsi). A energie così elevate e in tempi così precoci, possiamo solo fissare il mistero del Big Bang. Allora cosa suggerisce la teoria?
Quando andiamo indietro nel tempo attraverso la storia del cosmo, le distanze e i volumi si riducono, mentre cresce la densità media di energia. Al momento del Big Bang, le distanze e i volumi scendono a zero, tutte le parti dell’universo si sovrappongono e la densità energetica dell’universo diventa infinita. Le nostre equazioni matematiche, che descrivono l’evoluzione dello spazio e l’espansione del cosmo, vengono infestate da zeri e infiniti e perdono senso.
La chiamiamo singolarità. La teoria della relatività generale di Albert Einstein descrive come è modellato lo spaziotempo. Lo spaziotempo è un modo di descrivere la geometria tridimensionale dell’universo, fusa con il tempo. Una curvatura dello spaziotempo dà origine alla gravità.
Ma la matematica suggerisce che ci sono posti nell’universo dove la curvatura dello spaziotempo diventa illimitata. Queste posizioni sono conosciute come singolarità. Un esempio del genere può essere trovato al centro di un buco nero. In questi luoghi la teoria della relatività generale crolla.
Dal 1965 al 1966, i fisici teorici britannici Stephen Hawking e Roger Penrose presentarono una serie di teoremi matematici che dimostravano che lo spaziotempo di un universo in espansione deve terminare in una singolarità del passato: la singolarità del Big Bang.
Penrose ha ricevuto il Premio Nobel nel 2020. Hawking è morto nel 2018 e i premi Nobel non vengono assegnati postumi. Spazio e tempo compaiono nella singolarità del Big Bang, quindi le domande su cosa accade “prima” del Big Bang non sono ben definite. Per quanto la scienza può dire, non esiste un prima; il Big Bang è l’inizio del tempo.
Tuttavia, la natura non può essere descritta accuratamente solo dalla relatività generale, anche se quest’ultima esiste da più di 100 anni e non è stata smentita. La relatività generale non può descrivere gli atomi, la fusione nucleare o la radioattività. Questi fenomeni sono invece affrontati dalla teoria quantistica.
Le teorie della fisica “classica”, come la relatività, sono deterministiche. Ciò significa che alcune condizioni iniziali hanno un esito definito e sono quindi assolutamente predittive. La teoria quantistica, invece, è probabilistica. Ciò significa che alcune condizioni iniziali nell’universo possono avere molteplici risultati.
La teoria quantistica è in qualche modo predittiva, ma in modo probabilistico. Ai risultati viene assegnata una probabilità di esistenza. Se la distribuzione matematica delle probabilità raggiunge un picco netto in corrispondenza di un certo risultato, allora la situazione è ben descritta da una teoria “classica” come la relatività generale. Ma non tutti i sistemi sono così. In alcuni sistemi, ad esempio negli atomi, la distribuzione di probabilità è diffusa e non si applica una descrizione classica.
E la gravità? Nella stragrande maggioranza dei casi, la gravità è ben descritta dalla fisica classica. Lo spaziotempo classico è fluido. Tuttavia, quando la curvatura diventa estrema, vicino a una singolarità, la natura quantistica della gravità non può essere ignorata. Qui lo spaziotempo non è più liscio, ma nodoso, simile a un tappeto che da lontano appare liscio ma da vicino è ricco di fibre e fili.
Pertanto, in prossimità della singolarità del Big Bang, la struttura dello spaziotempo cessa di essere liscia. Teoremi matematici suggeriscono che lo spaziotempo viene sopraffatto da caratteristiche “nodose”: ganci, anelli e bolle. Questa situazione in rapida fluttuazione è chiamata schiuma spaziotemporale.
Nella schiuma dello spaziotempo, la causalità non si applica, perché ci sono circuiti chiusi nello spaziotempo in cui il futuro di un evento è anche il suo passato (quindi il suo risultato può anche essere la sua causa). La natura probabilistica della teoria quantistica suggerisce che, quando la distribuzione di probabilità è equamente distribuita, tutti i risultati sono ugualmente possibili e la comoda nozione di causalità che associamo alla comprensione classica della fisica va perduta.
Pertanto, se torniamo indietro nel tempo, poco prima di incontrare la singolarità del Big Bang, ci troviamo ad entrare in un’epoca in cui gli effetti quantistici della gravità sono dominanti e la causalità non si applica. Questa è chiamata l’epoca di Planck.
Il tempo cessa di essere lineare, andando dal passato al futuro, e diventa invece avvolto, caotico e casuale. Ciò significa che la domanda “perché è avvenuto il Big Bang?” non ha significato, perché al di fuori della causalità, gli eventi non hanno bisogno di una causa per verificarsi.
Per comprendere come funziona la fisica in una singolarità come il Big Bang, abbiamo bisogno di una teoria su come si comporta la gravità secondo la teoria quantistica. Sfortunatamente non ne abbiamo una. Esistono numerosi sforzi su questo fronte, come la gravità quantistica a loop e la teoria delle stringhe, con le sue varie incarnazioni.
Tuttavia, questi sforzi sono, nella migliore delle ipotesi, incompleti, perché il problema è notoriamente difficile. Ciò significa che la schiuma dello spaziotempo ha una mistica totemica e potente, proprio come l’antico Caos di Esiodo che i Greci credevano esistesse all’inizio.
Allora come è riuscito il nostro universo in espansione e in gran parte classico a sfuggire alla schiuma dello spaziotempo? Questo ci porta all’inflazione cosmica. Quest’ultimo è definito come un periodo di espansione accelerata nell’universo primordiale. Fu introdotto per la prima volta dal fisico teorico russo Alexei Starobinsky nel 1980 e parallelamente, nello stesso anno, dal fisico americano Alan Guth, che ne coniò il nome.
Secondo le osservazioni, l’inflazione rende l’universo grande e uniforme. Inoltre costringe l’universo ad essere spazialmente piatto, il che è una situazione altrimenti instabile, ma che è stata confermata anche dalle osservazioni. Inoltre, l’inflazione fornisce un meccanismo naturale per generare le irregolarità primordiali nella densità dell’universo che sono essenziali per la formazione di strutture come le galassie e gli ammassi di galassie.
Teoria confermata
Le osservazioni precise del fondo cosmico a microonde negli ultimi decenni hanno confermato in modo spettacolare le previsioni sull’inflazione. Sappiamo anche che l’universo può effettivamente subire un’espansione accelerata, perché negli ultimi miliardi di anni ha ricominciato a farlo.
Cosa c’entra questo con la schiuma spaziotemporale? Ebbene, si scopre che, se le condizioni per l’inflazione si verificano (per caso) in una zona di spaziotempo fluttuante, come può accadere con la schiuma dello spaziotempo, allora questa regione si gonfia e inizia a conformarsi alla fisica classica.
Secondo un’idea proposta per la prima volta dal fisico russo-americano Andrei Linde, l’inflazione è una conseguenza naturale – e forse inevitabile – delle condizioni iniziali caotiche dell’universo primordiale.
Il punto è che il nostro universo classico potrebbe essere emerso da condizioni caotiche, come quelle della schiuma spaziotemporale, sperimentando un iniziale aumento dell’inflazione. Ciò avrebbe innescato l’espansione dell’universo. In effetti, le osservazioni degli astronomi della CMB suggeriscono che la spinta iniziale è esplosiva, poiché l’espansione è esponenziale durante l’inflazione.
Il 20 marzo 2014, Alan Guth lo spiegò brevemente: “Di solito descrivo l’inflazione come una teoria del ‘bang’ del Big Bang: descrive il meccanismo di propulsione che chiamiamo Big Bang”.
Quindi, ecco qua. La storia di 14 miliardi di anni del nostro universo inizia con un’esplosione catastrofica ovunque nello spazio, che chiamiamo Big Bang. Questo va oltre ogni ragionevole dubbio. Questa esplosione è in realtà un periodo di espansione esplosiva, che chiamiamo inflazione cosmica. Ma cosa succede prima dell’inflazione? È una singolarità dello spaziotempo, è schiuma dello spaziotempo? La risposta è in gran parte sconosciuta.
In realtà, potrebbe addirittura essere inconoscibile, perché esiste un teorema matematico che ci vieta di accedere alle informazioni sull’inizio dell’inflazione, proprio come quello che ci impedisce di conoscere l’interno dei buchi neri. Quindi, dal nostro punto di vista, l’inflazione cosmica è il Big Bang, l’esplosione che ha dato inizio a tutto.
