Il Big Bang

Tutti e tre i modelli di Fridmann (cosmologo e matematico russo, 1888-1925), ovvero il modello dell’universo piatto, di quello chiuso e di quello aperto, hanno in comune che in un tempo compreso tra 10 e 20 miliardi di anni fa la distanza tra le galassie vicine doveva essere pari a zero.
In quel particolare momento che noi chiamiamo big bang la densità dell’universo e la curvatura dello spaziotempo avrebbero dovuto essere infinite.

Questo significa che la teoria della relatività generale sulla quale si basano le equazioni di Fridmann prevedono l’esistenza di una “singolarità”.

Tutte le teorie scientifiche partono dall’assunto che lo spaziotempo è liscio, quasi piatto vale a dire con un livello di curvatura prossimo allo zero, mentre in presenza della singolarità del big bang la curvatura dello spazio tempo assume un valore infinito.

Per questo si afferma che il tempo stesso nasce con il Big Bang e che quindi eventuali eventi che lo precedono sono inservibili dal punto di vista dell’osservazione scientifica.

Nella comunità scientifica però non tutti hanno digerito in passato l’idea che il tempo possa aver avuto un inizio forse per le implicazioni religiose che questo concetto poteva comportare, come ben colse la Chiesa cattolica che fin dal 1951 ha ufficialmente asserito che il modello del Big Bang è conforme con quanto scritto nella Bibbia.

Si prospettarono pertanto diversi tentativi per aggirare o eludere la teoria del Big Bang.
La teoria che ottenne il consenso più ampio fu la cosiddetta teoria dello stato stazionario. avanzata nel 1948 da H. Bondi e T. Gold in collaborazione con Fred Hoyle.
In sostanza la teoria affermava che mentre le galassie esistenti si allontano l’una dalle altre, negli spazi vuoti si formavano nuove galassie con materia che viene costantemente creata.
In questo modo si sarebbe salvato l’assunto che l’Universo è sempre lo stesso in qualunque punto del tempo e dello spazio lo si osservi.
Era una teoria ben strutturata e semplice che sembrava fornire la basi per una futura validazione sperimentale. Pero’ fra la fine degli Anni 50 e gli inizi degli Anni 60 del secolo scorso un gruppo di astronomi di Cambridge studiando le sorgenti delle onde radio scoprirono che le sorgenti deboli (quelle piu’ distanti da noi) erano molto più numerose di quelle forti (più vicine a noi).
Insieme alla scoperta della radiazione cosmica di fondo (1965) ad opera di Penzias e Wilson che indicava come nel passato l’universo doveva essere molto più denso di quanto non fosse oggi, il risultato fu che vennero minate le basi teoriche della teoria dello stato stazionario.

Essa fu quindi abbandonata non senza qualche rammarico.

Un altro tentativo di negare il Big Bang e quindi la nascita del tempo venne operata da alcuni scienziati russi che sostenevano come questa singolarità fosse un prodotto matematico dei modelli di Fridmann che dopotutto erano mere approssimazioni dell’universo reale.
Anche in questo caso successivi approfondimenti indussero gli autori a ritirare questo modello nel 1970.
La risposta però alla domanda se la relatività generale predice l’esistenza di un Big Bang e di un inizio del tempo inizierà ad arrivare nel 1965 con gli studi dei coni di luce di Roger Penrose. Egli dimostrò che quando una stella collassa sotto la propria forza gravitazionale viene ad intrappolarsi in una regione nella quale la superficie esterna si contrae fino ad annullarsi.
Ciò significa che tutta la materia contenuta nella stella verrà compressa in una regione dal volume pari a zero: la densità della materia e la curvatura dello spaziotempo diverranno quindi infinite.
A questi primi risultati si aggiunse il contributo essenziale di un giovane fisico Stephen Hawking che comprese che se nel teorema di Penrose si inverte la direzione del tempo (cosi che il collasso diventi un’espansione) le sue condizioni rimangono ancora valide.
Con la sua teoria Penrose aveva dimostrato che qualunque stella collassando per la sua propria forza gravitazionale doveva terminare in una singolarità, Hawking dimostrò invertendo la direzione del tempo, che qualunque universo in espansione (secondo i modelli di Fridmann) doveva essere nato da una singolarità.
Nel 1970 Penrose ed Hawking firmarono un’articolo scientifico nel quale si dimostrava che all’origine dell’universo doveva esserci stata una singolarità (Big Bang) alle uniche condizioni che la teoria della relatività generale fosse corretta e che l’universo contenesse tanta materia quanta ne osserviamo.