2. Origini dell’Universo e la teoria del Big Bang

2. Origini dell’Universo e la teoria del Big Bang

1. I primi modelli

La cosmologia è la scienza che ha come obiettivo principale la formulazione di teorie attendibili, suffragate da basi sperimentali secondo il metodo della scienza moderna, che spiegano l’origine e l’evoluzione dell’Universo.

In epoca moderna il primo modello dell’Universo fu formulato da P.S. Laplace all’inizio del XIX secolo e prevedeva un Universo in espansione che si sarebbe formato come agglomerato progressivo di masse di corpi celesti, le quali si sarebbero condensate a partire da masse gassose primitive a causa di leggere disomogeneità nella loro distribuzione iniziale.

Il primo modello cosmologico proposto da A.Einstein nel 1917 (che poi è anche il primo modello cosmologico moderno, ovvero basato sulla teoria della relatività generale) descrive un universo statico, che non cambiava nel tempo. Nel 1929, in seguito alle osservazioni e agli studi di Edwin Hubble e Milton Humason, venne fuori che le galassie si allontanavano con una velocità proporzionale alla loro distanza, e il modello statico di universo fu abbandonato. L’allontanamento delle galassie fu interpretato come un’evidenza che l’universo fosse in espansione a partire da un momento definito nel passato. Da qui iniziò la storia del modello del “big bang”, che oggi sappiamo essere la migliore descrizione dell’evoluzione dell’universo osservabile. L’ipotesi che Einstein introdusse per rendere statico l’universo, la cosiddetta “costante cosmologica”, fu inizialmente considerata la sua più grande cantonata, ma poi è tornata in auge e oggi è uno dei grandi problemi aperti della fisica teorica. La teoria dell’ Universo statico indica che la distanza fra due punti qualsiasi non varia su scala cosmica nel tempo, ne deriva quindi un universo Omogeneo pieno di materia con densità costante nello spazio tempo da  A. Friedmann e G. Lemaître, i quali, intorno agli anni Venti del Novecento, in modo indipendente, risolvendo le equazioni di Einstein sulla relatività generale con soluzioni «non statiche», progettarono un modello cosmologico dell’Universo, basato sul cosiddetto principio cosmologico.

2. Il principio cosmologico

Il principio cosmologico sostiene che l’universo sia omogeneo e isotropo su una scala opportunamente grande. Esso limita fortemente il numero di teorie cosmologiche possibili. A piccola scala l’universo appare disomogeneo, disomogeneità che tende a scomparire a livello degli ammassi di galassie, in modo che il suo aspetto generale non dipende dalla posizione dell’osservatore e dalla direzione di osservazione. 

Il principio cosmologico estende a livello cosmico il principio copernicano, secondo cui l’uomo non occupa una posizione privilegiata nel cosmo, e presuppone che le leggi della fisica siano le stesse ovunque nell’universo. Tale principio può essere riassunto attraverso due leggi, di seguito specificate, che stabiliscono l’invarianza spaziale dell’Universo.

  • La prima invarianza è l’isomorfismo per traslazioni, l’omogeneità dell’Universo. Nel regno della cosmologia, l’omogeneità corrisponde a pensare le galassie, e più in generale la massa, distribuite uniformemente nell’Universo. Questa uniformità risulta indipendente dalla posizione che si sceglie per fare le osservazioni. Quindi una traslazione da una galassia ad un’altra lascerebbe invariata la distribuzione galattica osservata.
  • Il secondo principio è l’isomorfismo per rotazioni, l’isotropia dell’Universo. Una maniera semplice di illustrare il concetto di isotropia consiste nell’affermare che non esistono direzioni privilegiate nello spazio, come il Nord o il Sud. L’isotropia implica evidentemente l’omogeneità, ma non è vero l’inverso.

3. La teoria del Big Bang

Basandosi su questi nuovi modelli e sulla legge di Hubble iniziarono a svilupparsi nuove teorie cosmologiche. Tra queste, la teoria del Big Bang di Lemaitre, la teoria dello Stato Stazionario di Fred Hoyle in base alla quale doveva esserci una continua creazione di materia per poter sostenere l’espansione dell’universo. L’idea della singolarità primordiale nasce spontaneamente osservando che tutti modelli analizzati, ad eccezione dell’universo De Sitter, implicano l’annullarsi del parametro R per t=0. In tale istante sia la densità che la costante di Hubble divergono. Si può pensare quindi che l’universo sia nato a seguito di una grande esplosione iniziale, il Big Bang, che ne causano l’espansione che ancora oggi si osserva.

«Il Big Bang è l’origine del tempo, dello spazio, della materia e dell’energia».

Una clamorosa conferma sperimentale nell’osservazione dello spostamento della frequenza della luce che giunge dalle galassie lontane verso la parte rossa dello spettro (red shift), cioè verso le basse frequenze. L’effetto, inoltre, è tanto più vistoso quanto maggiore è la distanza degli oggetti in questione. Tale fenomeno, noto in fisica come effetto Doppler. L’effetto è una prova, inoltre, della continua espansione dell’universo. Consideriamo infatti una stella: controllando la sua lunghezza d’onda noteremo che si sposta sempre di più verso il rosso. Ciò significa che la sua lunghezza d’onda è aumentata e conseguentemente la stella è sempre più lontana da noi. Questo indica che l’universo è in continua espansione e ogni elemento tende ad allontanarsi da tutto, allungando sempre di più la sua lunghezza d’onda.

Legge di Huble: v =H · R

dove v è la velocità relativa di allontanamento, R è la distanza da cui si osserva il corpo celeste, mentre H corrisponde alla cosiddetta costante di Hubble, alla quale lo stesso Hubble diede il valore di 520 km/s per megaparsec. 

origini dell'universo e la teoria del big bang
Legge di Hubble Fonte: http://www.fmboschetto.it

Successivamente, grazie a una correzione apportata da Baade, si stabilì per H il valore di 290 km/s per megaparsec e attualmente, in seguito a numerose osservazioni, il valore più accreditato per H è compreso nell’intervallo: 72 ± 8 km/s/Mpc.

Queste teorie però non portano alla luce evidenze scientifiche su quali siano state le cause che hanno dato origine al Big Bang, cioè non è possibile sapere come il nucleo primordiale si sia formato e abbia generato il cosiddetto Big Bang.

Possiamo però affermare che la teoria del Big Bang inizia le proprie elaborazioni dall’esplosione di un atomo primitivo. L’origine delle quattro forze fondamentali, ovvero la gravità, il nucleare, l’elettromagnetica e la forza debole è successiva all’esplosione, anche se di pochissimo tempo. 

Nei primissimi istanti l’energia cominciò a condensarsi in particelle elementari (quark ed elettroni), che a loro volta diedero inizio alla formazione di particelle maggiori (protoni e neutroni), finché dopo i primi tre minuti, quando la temperatura era scesa a circa 1 miliardo di gradi, si formarono i primi nuclei atomici di idrogeno, litio ed elio. Solo quando, dopo 300.000 anni, la temperatura scese fino a circa 3.000 K, gli elettroni furono catturati dai nuclei e diedero origine ad atomi stabili. Si formò così un gas neutro costituito da idrogeno e, in piccola parte, da elio, dal quale sarebbero poi nate le nebulose, le galassie, le stelle e, solo molto tempo dopo, i pianeti.

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