Comprensione della teoria del Big Bang

La teoria del big bang è la teoria dominante sull'origine dell'universo. In sostanza, questa teoria afferma che l'universo è iniziato da un punto iniziale o singolarità, che si è espanso per miliardi di anni per formare l'universo come lo conosciamo ora.

Risultati dell'universo in espansione precoce

Nel 1922, un cosmologo e matematico russo di nome Alexander Friedman scoprì che le soluzioni alle equazioni del campo della relatività generale di Albert Einstein portarono a un universo in espansione. Come credente in un universo statico ed eterno, Einstein aggiunse una costante cosmologica alle sue equazioni, "correggendo" per questo "errore" ed eliminando così l'espansione. In seguito avrebbe definito questo il più grande errore della sua vita.

In realtà, c'erano già prove osservative a sostegno di un universo in espansione. Nel 1912, l'astronomo americano Vesto Slipher osservò una galassia a spirale, all'epoca considerata una "nebulosa a spirale", poiché gli astronomi non sapevano ancora che c'erano galassie oltre la Via Lattea e registrò il suo spostamento verso il rosso, lo spostamento di uno spostamento della sorgente luminosa verso l'estremità rossa dello spettro luminoso. Osservò che tutte queste nebulose si stavano allontanando dalla Terra. Questi risultati erano piuttosto controversi al momento e le loro implicazioni complete non furono prese in considerazione.

Nel 1924, l'astronomo Edwin Hubble fu in grado di misurare la distanza da queste "nebulose" e scoprì che erano così distanti da non far parte della Via Lattea. Aveva scoperto che la Via Lattea era solo una delle tante galassie e che queste "nebulose" erano in realtà galassie a sé stanti.

Nascita del Big Bang

Nel 1927, il sacerdote e fisico cattolico romano Georges Lemaitre calcolò indipendentemente la soluzione di Friedman e suggerì di nuovo che l'universo doveva espandersi. Questa teoria fu sostenuta da Hubble quando, nel 1929, scoprì che c'era una correlazione tra la distanza delle galassie e la quantità di spostamento verso il rosso nella luce di quella galassia. Le galassie distanti si stavano allontanando più velocemente, il che era esattamente ciò che era stato predetto dalle soluzioni di Lemaitre.

Nel 1931, Lemaitre andò oltre con le sue previsioni, estrapolando all'indietro nel tempo scoprì che la materia dell'universo avrebbe raggiunto una densità e una temperatura infinite in un tempo finito nel passato. Ciò significava che l'universo doveva essere iniziato in un punto incredibilmente piccolo e denso di materia, chiamato "atomo primordiale".

Il fatto che Lemaitre fosse un prete cattolico romano riguardava alcuni, mentre stava proponendo una teoria che presentava un preciso momento di "creazione" nell'universo. Negli anni '20 e '30, la maggior parte dei fisici, come Einstein, erano inclini a credere che l'universo fosse sempre esistito. In sostanza, la teoria del big bang è stata vista come troppo religiosa da molte persone.

Big Bang vs. Steady State

Mentre diverse teorie furono presentate per un certo periodo, in realtà fu solo la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle a fornire una vera competizione per la teoria di Lemaitre. Ironia della sorte, fu Hoyle a coniare la frase "Big Bang" durante una trasmissione radiofonica degli anni '50, intendendola come un termine derisorio per la teoria di Lemaitre.

La teoria dello stato stazionario predisse che la nuova materia fu creata in modo tale che la densità e la temperatura dell'universo rimasero costanti nel tempo, anche mentre l'universo si stava espandendo. Hoyle ha anche predetto che gli elementi più densi si sono formati dall'idrogeno e dall'elio attraverso il processo di nucleosintesi stellare, che, a differenza della teoria dello stato stazionario, ha dimostrato di essere accurato.

George Gamow, uno degli allievi di Friedman, era il principale sostenitore della teoria del big bang. Insieme ai colleghi Ralph Alpher e Robert Herman, ha predetto la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), che è la radiazione che dovrebbe esistere in tutto l'universo come residuo del Big Bang. Quando gli atomi iniziarono a formarsi durante l'era della ricombinazione, permisero alle radiazioni a microonde (una forma di luce) di viaggiare attraverso l'universo e Gamow predisse che questa radiazione a microonde sarebbe ancora osservabile oggi.

Il dibattito continuò fino al 1965 quando Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson si imbatterono nella CMB mentre lavoravano per i Bell Telephone Laboratories. Il loro radiometro Dicke, utilizzato per la radioastronomia e le comunicazioni satellitari, rilevò una temperatura di 3,5 K (una corrispondenza ravvicinata con la previsione di Alpher e Herman di 5 K).

Durante la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, alcuni sostenitori della fisica dello stato stazionario tentarono di spiegare questa scoperta negando ancora la teoria del big bang, ma alla fine del decennio, era chiaro che la radiazione CMB non aveva altre spiegazioni plausibili. Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1978 per questa scoperta.

Inflazione cosmica

Rimanevano tuttavia alcune preoccupazioni riguardo alla teoria del big bang. Uno di questi era il problema dell'omogeneità. Gli scienziati hanno chiesto: Perché l'universo sembra identico, in termini di energia, indipendentemente dalla direzione in cui si guarda? La teoria del big bang non dà all'universo primordiale il tempo di raggiungere l'equilibrio termico, quindi dovrebbero esserci differenze di energia in tutto l'universo.

Nel 1980, il fisico americano Alan Guth propose formalmente la teoria dell'inflazione per risolvere questo e altri problemi. Questa teoria afferma che nei primi momenti successivi al Big Bang ci fu un'espansione estremamente rapida dell'universo nascente guidata da "energia del vuoto a pressione negativa" (che Maggio essere in qualche modo in relazione con le attuali teorie dell'energia oscura). In alternativa, le teorie sull'inflazione, simili nel concetto ma con dettagli leggermente diversi, sono state avanzate da altri negli anni successivi.

Il programma Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA, iniziato nel 2001, ha fornito prove a sostegno di un periodo di inflazione nell'universo primordiale. Questa evidenza è particolarmente forte nei dati triennali pubblicati nel 2006, anche se sussistono alcune lievi incoerenze con la teoria. Il premio Nobel 2006 per la fisica è stato assegnato a John C. Mather e George Smoot, due importanti lavoratori del progetto WMAP.

Controversie esistenti

Mentre la teoria del Big Bang è accettata dalla stragrande maggioranza dei fisici, ci sono ancora alcune piccole domande al riguardo. Ancora più importante, tuttavia, sono le domande a cui la teoria non può nemmeno tentare di rispondere:

• Cosa esisteva prima del Big Bang?
• Cosa ha causato il Big Bang?
• Il nostro universo è l'unico?

Le risposte a queste domande possono benissimo esistere al di là del regno della fisica, ma sono comunque affascinanti e risposte come l'ipotesi del multiverso forniscono un'interessante area di speculazione per scienziati e non scienziati.

Altri nomi per il Big Bang

Quando Lemaitre originariamente propose la sua osservazione sull'universo primordiale, chiamò questo stato iniziale dell'universo l'atomo primordiale. Anni dopo, George Gamow avrebbe applicato il nome ylem per questo. È stato anche chiamato l'atomo primordiale o addirittura l'uovo cosmico.