Il modello cosmologico più accreditato dalla comunità scientifica ha un caposaldo fondamentale nella Teoria del Big Bang. Secondo questa teoria, “figlia” della relatività generale di Einstein, e che ha avuto in Georges Lemaître, fisico e sacerdote cattolico belga, il padre principale, l’universo iniziò a espandersi a velocità elevatissima in un tempo finito nel passato a partire da una condizione di curvatura, temperatura e densità estreme e questo processo continua tuttora.
Questa teoria però che non spiega cosa c’era prima del Big Bang, presenta numerose incognite o misteri a cui gli astrofisici ancora non sanno dare risposte certe.
L’espansione
La Teoria del Big Bang ipotizza che l’universo sia iniziato in una fase di espansione dello spazio. Cosa abbia innescato l’espansione però rimane un mistero. Non possono essere le forze a corto raggio che interagiscono nei nuclei atomici, perché l’espansione avviene in modo uniforme in tutto lo spazio. E neppure l’elettromagnetismo è il responsabile di questo “innesco”. Probabilmente la risposta si annida nelle pieghe della gravità, ma anche qui c’è qualcosa che non torna.
La gravità infatti è una forza attrattiva e non espansiva, pertanto avrebbe dovuto impedire o rallentare l’espansione dell’universo ma non certamente avviarla.
L’uniformità
La radiazione cosmica di fondo ci fa ipotizzare che l’universo sia iniziato in uno stato uniforme. Anche qui però si nasconde un problema, la radiazione cosmica di fondo ha la stessa temperatura (con variazioni quasi insignificanti) in ogni angolo dello spazio.
Ma i 380.000 anni dopo il Big Bang dopo il quale inizia a manifestarsi sono un periodo troppo breve per raggiungere l’equilibrio termico. Come è possibile che luoghi dell’universo che non sono mai stati in contatto e non hanno mai potuto comunicare tra loro si trovino ad avere la stessa temperatura del fondo cosmico?
La piattezza
La misurazione della radiazione cosmica di fondo ci ritorna l’immagine di un universo dalla geometria piatta. Anche qui si annida un problema che mette in discussione questo assunto. Qualunque anche minima deviazione dalla piattezza cresce in misura esponenziale durante l’espansione cosmica, portando la geometria dello spazio ad essere sempre più curva.
Affinché oggi l’universo sia tanto piatto quanto desunto dai dati osservativi, la piattezza deve valere con una precisione del miliardesimo di miliardesimi al tempo della nucleosintesi e con una precisione incommensurabilmente maggiore a tempi ancora più vicini al Big Bang. Un risultato del genere è come minimo inverosimile.
La freccia del tempo
Il concetto di tempo, in fisica, è quanto mai sfuggente e contraddittorio. Einstein ci ha insegnato che spazio e tempo sono un’unica cosa, ecco perché parliamo di spaziotempo. Eppure nello spazio ci possiamo muovere in qualunque direzione, mentre il tempo possiede una sua precisa direzionalità, che definiamo con l’immagine evocativa di “freccia del tempo”.
A complicare ulteriormente le cose le leggi della gravità, dell’elettromagnetismo e della meccanica quantistica sono perfettamente indifferenti alla direzione del tempo. In questi contesti la freccia del tempo sembra non esistere. Per ritrovare un “senso” che ci riconcili con la percezione che abbiamo del tempo, dobbiamo rifarci alla seconda legge, o meglio principio della termodinamica, secondo cui l’entropia di un sistema è destinata ad aumentare nel tempo.
Intanto chiariamo un punto, per quanto in alcuni manuali ancora si definisca legge, il secondo principio della termodinamica è un evento probabilistico. E allora come può essere la base della freccia del tempo? Facciamo un semplice esempio, se prendiamo un mazzo di 52 carte, ordinato per semi e all’interno di questi dall’asso al Re e lo mescoliamo anche moltissime volte, non riusciremo a replicare più l’ordine iniziale.
Non perché da un punto di vista teorico questo non sia possibile (rientreremmo in questo caso nella categoria delle leggi della fisica) ma perché il numero di combinazioni possibili del mazzo di carte mescolato e rimescolato è grande quanto tutti gli atomi della nostra galassia.
Le molecole di un sistema fisico non sono cinquantadue, come le carte, ma si contano in unità del numero di Avogadro (che è pari a seicentomila miliardi di miliardi). Le combinazioni possibili raggiungono numeri inconcepibili per la mente umana. Le probabilità che un sistema fisico evolva dal disordine all’ordine sono praticamente nulle. La freccia del tempo quindi vale per i sistemi fisici complessi e non per le particelle che sono libere dal cappio dello scorrere del tempo.
L’universo quindi dovrebbe essere partito da un sistema perfettamente ordinato per essere coerente con la freccia del tempo e quindi procedere nella sua evoluzione che ha implicato una forma evoluta di vita come la nostra. Dove sta quindi l’ennesimo mistero del Big Bang?
L’inghippo sorge in un universo dove materia ed energia amalgamate uniformemente devono corrispondere a uno stato disordinato. Per spiegare la freccia del tempo è perciò necessario che l’universo emerga dal Big Bang in uno stato dove materia e energia sono il più possibile uniformi nello spazio, con un’entropia minima. Come può il Big Bang produrre un universo così incredibilmente ordinato è un evento che non sappiamo ancora spiegare.
Le strutture cosmiche
Abbiamo più volte segnalato che la radiazione cosmica di fondo suggerisce che nel momento del Big Bang l’universo fosse uniforme. Oggi però dalle osservazioni sappiamo con certezza che entro distanze inferiori a 300 anni luce l’universo è tutt’altro che uniforme. Quindi le condizioni iniziali dell’universo dovevano presentare variazioni di densità che sono alle origine delle attuali strutture cosmiche. Come questa disomogeneità sia avvenuta rimane l’ennesimo mistero da scoprire.
Finché questi misteri non saranno chiariti il Big Bang rimane una teoria affascinante me che non possiamo definire completa e coerente rispetto all’intera evoluzione dell’universo.
Fonti:
alcune voci di Wikipedia
Giudice, Gian Francesco. Prima del Big Bang
