Il Big Bang, in parole povere

Probabilmente non esiste, nella storia della divulgazione scientifica, un concetto più famoso e più raccontato male del Big Bang. Oggi cercheremo di fare un po’ di chiarezza, smonteremo qualche leggenda e proveremo a vedere un po’ meglio come stanno le cose, anche dal punto di vista storico. Infatti vedremo che le varie incomprensioni nascono proprio da discussioni tra scienziati. Vabbè, capita anche questo.

Tutta la nostra storia inizia negli anni 1915-1916, quando Albert Einstein tirò fuori dal cilindro (dopo tanti anni di duro lavoro e non per magia) la teoria della Relatività Generale. Questa teoria descrive con straordinaria precisione il modo in cui funziona la gravità, ovvero l’interazione che contraddistingue i corpi dotati di massa.
In poche parole, la Relatività Generale dice questo: una volta deciso come è geometricamente strutturato l’universo e una volta deciso il tipo di roba che popola l’universo, praticamente sappiamo tutto di come l’universo si evolve.

Già pochi anni dopo, lo scienziato russo Alexander Friedmann, fece un ragionamento molto semplice. Egli disse: supponiamo che l’universo sia geometricamente omogeneo e isotropo, cioè che viene osservato con le stesse proprietà indipendentemente dal punto di osservazione in cui ci mettiamo (omogeneità) oppure indipendentemente dalla direzione lungo cui osserviamo (isotropia). Poi popoliamolo di materia e di luce (cioè fotoni), prendiamo la Relatività Generale, facciamo i conti e vediamo cosa predice la teoria di Einstein per l’evoluzione dell’universo. Ciò che Friedmann trovò fu che, con le ipotesi da lui presentate, noi dobbiamo osservare l’universo espandersi.
Nel 1927, Georges Lemaitre aveva esteso le idee suggerite dai calcoli di Friedmann; l’universo si sta espandendo? Bene, allora in passato doveva essere stato piccolo, caldo e denso. Non fa una grinza, a prima vista. Torniamo fra poco su questa cosa, tranquilli.

Nel frattempo, nel 1929, ecco che arrivarono gli Americani, con i soldi, come al solito.
Infatti, l’astrofisico Edwin Hubble si ritrovò tra le mani il telescopio più potente dell’epoca presso l’Osservatorio di Monte Wilson in California. Grazie a questo strumento, Hubble fu in grado di misurare la distanza delle galassie (che, tra l’altro, fu lui a capire fossero altre galassie e non nebulose appartenenti alla Via Lattea). Accoppiando i suoi dati a quelli del cosiddetto redshift (spostamento verso il rosso), Hubble trovò qualcosa di parecchio interessante.

Fermi tutti: due domande essenziali prima di vedere la cosa parecchio interessante. Come ha fatto Hubble a misurare le distanze delle galassie, visto che sembra una cosa pazzesca e fuori dal mondo? E poi, cosa diamine è il redshift?

Per misurare le distanze delle galassie usò quelle che tutt’ora vengono chiamate candele standard, cioè particolari tipi di stelle di cui conosciamo con buona precisione la luminosità. Per esempio, immaginate di prendere una lampadina da 100 Watt e di metterla a un metro di distanza da voi. Ora, provate a spostare la lampadina più lontano, che ne so, tipo a dieci metri. Ovviamente, vedrete la lampadina emettere una luce più debole; però, attenzione: si tratta comunque di una lampadina da 100 Watt. Quello che voglio dire è che, conoscendo l’informazione essenziale riguardo la luminosità reale della della lampadina, si può sempre risalire alla distanza a cui la lampadina è stata posta, semplicemente valutando l’intensità della luce che riceviamo. Ecco, con certi tipi di stelle si può fare la stessa identica cosa. Ed è proprio quello che Hubble fece nel 1929.

Il redshift invece riguarda lo spettro delle galassie. Tranquilli, non c’è bisogno di chiamare i Ghostbusters: quando parlo di spettro intendo semplicemente la misura della luce proveniente da un oggetto a seconda della lunghezza d’onda. Detto altrimenti, esiste uno strumento che misura il numero di fotoni per ogni lunghezza d’onda, per esempio il numero di fotoni gialli, quelli rossi o quelli blu.

Ora, un’altra cosa da sapere è che quando un materiale viene colpito da una luce, assorbe e/o emette di nuovo luce. Questo comporta che quando si va ad osservare lo spettro di una galassia, esso sarà pieno di righe verso l’alto e verso il basso, righe che dipendono dal tipo di atomi presenti nella galassia. Insomma, una cosa del genere:

Spettro di una galassia: in verticale abbiamo una quantità che indica il numero di fotoni osservati, in orizzontale abbiamo la lunghezza d’onda (Fonte: dati SDSS)
Spettro di una galassia: in verticale abbiamo una quantità che indica il numero di fotoni osservati, in orizzontale abbiamo la lunghezza d’onda (Fonte: dati SDSS)

Infatti, come potete vedere dall’immagine, ogni riga è segnata dalla sigla di un certo particolare atomo. Come mai? Il fatto è che, qui sulla Terra, sappiamo che ogni atomo produce le sue particolari righe, come una specie di impronta digitale. Dunque, quello che possiamo fare è prendere un certo gas, misurare a quali lunghezze d’onda troviamo le sue righe nel nostro laboratorio in cantina e poi confrontare quello che otteniamo con le lunghezze d’onda in cui troviamo le righe nello spettro osservato di una galassia qualsiasi. In questo modo, quando troviamo righe uguali nello spettro della galassia e in quello misurato nel laboratorio , con un semplice confronto possiamo dire: “Hey, su questa galassia c’è del sodio!”, per esempio, se troviamo le righe corrispondenti al sodio.
Non è favoloso tutto ciò?

Lo è, ma dobbiamo fare anche i conti con il redshift. Se una galassia si sta allontanando da noi, allora quello che accade è che le righe di un certo atomo non si trovano più alla stessa lunghezza d’onda di quelle che misuriamo in laboratorio, ma vengono tutte spostate verso lunghezze d’onda più grandi.
Che magia oscura è questa? Nessuna magia oscura. Quello che accade è una cosa simile a quando ascoltiamo una sirena di un’ambulanza che si allontana: man mano che l’ambulanza va via, ascoltiamo i picchi delle onde sonore sempre più distanti tra essi.
Ora, con le galassie non abbiamo onde sonore ma luce e in più la causa di questo spostamento è gravitazionale, ma il ragionamento è più o meno simile.

Quindi, immaginiamo di avere una riga che, nel nostro laboratorio, si trova a (sparo a caso) 5000 Angstrom (si tratta di un’unità di misura per la lunghezza d’onda); poi prendiamo lo spettro di una galassia e notiamo che quella stessa riga, con le stesse caratteristiche, si trova a (sparo di nuovo a caso) 5500 Angstrom. Come mai si trova a una lunghezza d’onda maggiore? Perché, come abbiamo anticipato prima, la galassia si sta allontanando da noi. Dunque, pur con tutti i problemi che introduce, l’esistenza del redshift è comunque qualcosa di meraviglioso perché, interpretato nel contesto di un universo in espansione, fornisce uno sguardo diretto sull’espansione stessa.
Ora, quello che fece Hubble, fu di mettere insieme in un grafico, per ogni galassia, distanza e redshift. E trovò questo:

Osservazione fatta da Hubble nel 1929 (Fonte: Hubble 1929)
Osservazione fatta da Hubble nel 1929 (Fonte: Hubble 1929)

 

Hubble fu il primo a scoprire che più una galassia è lontana e più il suo redshift è grande. Questa cosa si può spiegare tranquillamente con i risultati teorici che ottenne Friedmann di un universo in espansione.

Resta un altro fatto da verificare: Lemaitre aveva ragione riguardo alla questione che l’universo  si fosse originato piccolo, denso e caldo? Infatti, all’epoca, non tutti erano d’accordo su ciò. Nel 1948, gli scienziati Fred Hoyle, Thomas Gold e Hermann Bondi proposero la teoria dello stato stazionario. Che roba era? Praticamente, il trio di scienziati propose un universo in espansione dove la materia veniva continuamente creata, al ritmo di circa un atomo di idrogeno all’anno, così da mantenere la densità totale dell’universo sempre costante. L’origine di questa idea veniva dal sostenere che l’universo fosse sempre indistinguibile anche nel tempo e non solo nello spazio, come aveva suggerito Friedmann con il suo universo omogeneo e isotropo di cui abbiamo parlato prima.

Addirittura, Hoyle, durante un’intervista radiofonica alla BBC, parlò per la prima volta di Big Bang. Egli disse: “Queste vecchie (sic) teorie si basavano sul fatto che tutta la materia fosse creata in grande botto (cioè il Big Bang) a un particolare istante del remoto passato”.
Questo intervento di Hoyle, queste parole che avete appena letto, sono l’origine maledetta di tutte le interpretazioni errate riguardo la teoria del Big Bang che avete visto finora praticamente ovunque, dalle trasmissioni televisive ai libri di scuola un po’ così così (cioè, scadenti).

Prima di spiegare per bene le parole di Hoyle, facciamo un piccolo salto in avanti, nel 1964-1965. In quegli anni Arnio Penzias e Robert Wilson beccarono la radiazione cosmica di fondo, la prima luce che ha potuto vagare libera nella storia dell’universo. La scoperta di tale radiazione spazzò via una volta per tutte la teoria dello stato stazionario di Hoyle, Gold e Bondi. Il motivo? Semplice: siccome la teoria dello stato stazionario prevede un universo sempre uguale, non aveva spazio per una radiazione di fondo proveniente dal lontano passato. Invece, la radiazione trovata da Penzias e Wilson era già stata ipotizzata circa 20 anni prima dallo scienziato russo George Gamow, che aveva anche previsto, all’interno dello scenario del Big Bang, anche la temperatura di circa -270 gradi Celsius (in realtà Gamow aveva previsto qualche grado in più, ma vabbè) che poi effettivamente è stata rilevata. Insomma, la teoria del Big Bang è una corretta rappresentazione dell’universo che osserviamo; in aggiunta, abbiamo anche prove a supporto di questa teoria. Per inciso, la radiazione di fondo non è l’unica prova a favore del Big Bang; abbiamo anche le abbondanze di idrogeno ed elio nell’universo che sono in accordo con le previsioni del Big Bang, una cosa ancora una volta prevista da Gamow, uno scienziato eccezionale (fu anche un eccellente scrittore divulgatore).

Ora, torniamo finalmente alle parole dette da Hoyle alla BBC, che sono il cuore pulsante di questo articolo. Innanzitutto, egli usò il termine Big Bang e da allora tutti noi, almeno una volta, abbiamo pensato ad un universo nato da un’esplosione. Il motivo di ciò è che se prendiamo l’universo e lo facciamo contrarre, allora ad un certo punto la densità dovrebbe essere davvero molto alta, e così anche la temperatura. Tuttavia, non ci sono motivi per pensare ad un’esplosione. Infatti, per cominciare, un’esplosione deve avere uno spazio in cui azionarsi, perché l’universo era tutto racchiuso in quel piccolo stato caldo e denso.
Faccio un esempio per chiarire la cosa. Avete presente il boom? Ecco, quello è dovuto ad una compressione dell’aria causata dall’esplosione. E così anche i vetri rotti nei palazzi distanti, per esempio. Tradotto: un’esplosione è tale se ha dello spazio intorno in cui propagarsi.
Il Big Bang, però rappresenta tutto l’universo. Un’eventuale esplosione presupporrebbe che ci fosse già un universo. Ma non è così, invece. Perciò è vero che non sappiamo affatto cosa sia stato il Big Bang, ma sicuro non è stato un’esplosione. Quindi tutti quei filmati che fanno vedere un’esplosione che sembra propagarsi in non si sa bene cosa, sono completamente sbagliati, visto che lo spazio si è generato insieme al Big Bang.

Provo a dirlo di nuovo, usando qualche immagine. Spesso, il Big Bang è rappresentato come nella figura qui sotto, con fasci di luce o detriti che vengono scagliati dappertutto, proprio come un’esplosione, appunto. Roba del genere, insomma:

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Questo NON è il Big Bang: toglietevi dalla testa l’idea che il Big Bang sia andato così.

 

Niente di più assurdo. Se l’universo, inteso come spazio e tempo, si è generato con il Big Bang, dove vanno tutte le scie di luce? Chiedetelo a chi vi dice che il Big Bang è un’esplosione. Poi, diffidate da chi vi dice che “gli scienziati ritengono che l’universo sia nato da una grande esplosione”. Niente di più falso. Gli astrofisici sanno benissimo che il Big Bang non è un’esplosione ma soltanto una teoria che descrive l’espansione dell’universo a partire da uno stato di alta densità e temperatura durante i primi istanti della sua storia.

Ecco, appunto, i primi istanti di storia dell’universo. Spazio e tempo hanno origine al Big Bang. Per quello che possiamo dire dal punto di vista scientifico, non esiste un prima del Big Bang e, allo stesso modo, non esiste un qualcosa in cui l’universo si sta espandendo.Lo so, sembra una cosa molto complicata. Ma il metodo scientifico si può applicare solo a cose di cui possiamo studiarne gli effetti tramite esperimenti. Quindi, il Big Bang non è, come ha detto Hoyle, “un particolare istante del remoto passato”.
Il Big Bang è l’inizio del tempo e dello spazio.

Dunque, abbiamo due punti di vista. Da una parte abbiamo l’idea che l’universo sia nato da un’esplosione avvenuta ad un certo istante in cui tutto si creò. Idea che è profondamente sbagliata. Idea che sappiamo essere sbagliata dai primi anni del novecento: perché insistere?

Dall’altra parte abbiamo un universo che inizia ad espandersi a partire da una situazione in cui esso era estremamente caldo e denso. Non abbiamo i mezzi per capire in cosa esso si stia espandendo o cosa ci fosse prima di questo stato iniziale, per il semplice fatto che non siamo in grado di fare esperimenti fisici che possano dirci qualcosa riguardo ciò.

Certo, uno potrebbe dire: perché l’universo si espande? E perché la mia camera da letto non si espande e quindi perché non la trovo più grande tra la sera quando vado a dormire e la mattina quando mi sveglio? Le risposte a queste domande sono, come sempre, nella teoria della Relatività Generale. Infatti noi vediamo l’universo in espansione solo quando assumiamo che l’universo sia omogeneo e isotropo. Mentre questa assunzione va benissimo quando consideriamo l’universo su scale molto vaste, sicuramente non è il caso nella nostra camera da letto, la quale sarà altamente disomogenea e non isotropa (anche qualora foste persone ordinate, mi dispiace!). Ciò vuol dire, tradotto, che i risultati e le equazioni trovate da Friedmann si possono applicare a una enorme porzione di universo ma non si possono applicare nella nostra incasinata camera da letto. Attenzione, questo non vuol dire che le equazioni di Friedmann sono sbagliate: vuol semplicemente dire che le equazioni di Friedmann non si possono applicare al caso specifico della nostra camera da letto.

In definitiva, ricapitolando, la teoria del Big Bang è la teoria che descrive l’espansione dell’universo a partire da uno stato iniziale caldo e denso.
Ecco tutto. Niente esplosioni, niente botti. Quelli lasciamoli per Capodanno.

Sembra incredibile poter essere in grado di dire così tante cose riguardo il nostro universo, addirittura essere in grado di parlare dell’origine dello stesso. Ma, in realtà, penso che la cosa incredibile sia quello che ancora non siamo in grado di dire. Mi spiego: siamo in grado di descrivere con una precisione spaventosa un sacco di fenomeni che avvengono nell’universo e, spesso, riusciamo a prevedere anche le cose che ci aspettiamo di vedere nel cosmo. Quando incontriamo domande a cui non sappiamo rispondere, vuol dire che siamo di fronte ad una sfida. Non un gioco della Settimana Enigmistica, ma un puzzle per l’intera umanità. Il Big Bang, nonostante il nome, è tuttora una frontiera della scienza. L’onestà e la serietà degli scienziati sta proprio nel dire che non possiamo dire niente con certezza.

Auguriamo buon lavoro agli scienziati, c’è ancora un sacco da scoprire.

Testo a cura di Sandro Ciarlariello
Revisione: Fabio Sartori
Editor: Stefano Bertacchi

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