The Big Bang Theory

La scorsa settimana, in occasione di un evento istituzionale, ho stretto la mano a Barry Clark Barish, Premio Nobel per la fisica insieme a Rainer Weiss e Kip Thorne per la scoperta delle onde gravitazionali. Nessun selfie, è una mia abitudine (anche se stavolta mi dispiace un po’, come quando non lo feci con Samantha Cristoforetti).

Una cosa ho capito: anche se la materia che ci costituisce (tutti noi, senza eccezioni) è la stessa, certi cervelli funzionano meglio di altri; Barish in quattro parole ci ha spiegato un concetto difficilissimo come le onde gravitazionali.

Eh, già, perché ci sono argomenti semplici con spiegazioni complesse e argomenti complicati con spiegazioni facili. Ma ci sono anche argomenti complessi con spiegazioni complicate. Uno di questi è sicuramente il Big Bang.

Sono ormai passati parecchi anni da quando il presbitero gesuita belga Georges Lemaître elaborò la “ipotesi dell’atomo primigenio”, meglio conosciuta come “teoria del Big Bang”.

A quella teoria, del 1927, ne sono seguite poi tante altre, in particolare quella del 1998 che ha fruttato il premio Nobel per la fisica del 2011 a Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam Riess, la quale descrive che l’universo è in una fase di espansione accelerata, ovvero che la velocità con cui si espande sta aumentando.

L’allontanamento non è dovuto a movimenti delle galassie in sé, ma alla dilatazione dello spazio che intercorre tra esse. Il fenomeno è noto come espansione dell’universo.

Per capire questo concetto viene usato sempre lo stesso esempio: prendete un palloncino sgonfio, segnate due punti con un pennarello, e poi gonfiatelo. I punti rimarranno fermi sul palloncino ma la distanza tra i due aumenterà poiché aumentano le dimensioni del palloncino.

La nostra Via Lattea fa parte di un gruppo locale di galassie, nostre “vicine” di casa. Tra queste, le più famose sono la Galassia di Andromeda e le Nubi di Magellano. Tra circa 100 miliardi di anni il gruppo locale si combinerà in un’unica galassia.

Nel frattempo, l’espansione dell’universo allontanerà le galassie che non appartengono al gruppo locale talmente tanto che non saranno più raggiungibili anche andando alla velocità della luce (e quindi la loro luce non ci raggiungerà più). Rimarremo isolati nel nostro piccolo angolo di universo.

Successivamente, a partire da 100mila miliardi di anni da oggi, sarà finito il carburante per formare nuove stelle e, nel frattempo, le stelle viventi avranno esaurito il loro. Le stelle più massive si trasformeranno in buchi neri o stelle di neutroni. Quelle più leggere diventeranno nane bianche.

Queste nane bianche saranno le ultime sorgenti di luce nella nostra galassia. Emettendo poi la loro energia luminosa, diverranno via via più fioche, finché non diventeranno nane nere. A questo punto, ciò che rimarrà della nostra galassia sarà completamente buio.

Il periodo buio sarà punteggiato dall’occasionale incontro tra due nane che, combinandosi, potranno raggiungere una massa tale da esplodere come supernova ed illuminare l’universo per qualche settimana. Questi incontri saranno sempre più rari e, alla fine, buona parte dei relitti stellari verranno risucchiati da buchi neri super-massivi.

D’altra parte, in quei relitti che non faranno questa fine, i protoni costituenti decadranno lentamente in fotoni, elettroni, anti-elettroni e neutrini. Dopo un tempo assai lungo, questi relitti si disintegreranno completamente in particelle elementari.

Si entrerà perciò nella fase finale, dominata da buchi neri, che inizierà tra circa 1040 anni (cioè 1 seguito da 40 zeri, ovvero 10mila miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di anni). In questa fase, la maggior parte della materia dell’universo sarà concentrata in buchi neri super-massivi. Questa non è ancora la situazione finale.

Si pensa, con buona certezza teorica, che i buchi neri stessi lentamente decadano in luce molto fioca, con un processo noto come radiazione di Hawking. Per cui, durante il googol (10100 anni) successivo anche i buchi neri si dissolveranno. L’espansione dell’universo diluirà ulteriormente l’energia delle particelle rimaste.

Ad 1 googol di anni da ora l’universo sarà vuoto, punteggiato da un elettrone, fotone o neutrino ogni qualche miliardo di anni luce. L’energia delle particelle sarà molto piccola, per cui si dice che l’universo sarà freddo. Si può anche dire che sarà molto blando, infatti non vi saranno particolari differenze tra le varie zone di esso. Sarà una situazione completamente omogenea.

Ma se sulla fine è possibile fare delle ipotesi, è sull’inizio che le cose si complicano.

Abbiamo detto che tutta la massa dell’Universo era in un singolo punto.

La teoria dell’inflazione suggerisce che immediatamente dopo il Big Bang (circa 10-34 secondi dopo, cioè alcune decine di milionesimi di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo l’evento che gli ha dato origine) l’Universo, che noi osserviamo, sia passato attraverso una fase di espansione esponenziale, durante la quale il suo raggio caratteristico è aumentato di un fattore enorme (il valore numerico non è predetto dalla teoria, ma probabilmente è dell’ordine di 1060 o superiore) implicando ad esempio che in un tempo brevissimo, molto probabilmente inferiore a 10-32 secondi, lunghezze quali quelle sub-atomiche, siano state dilatate fino a dimensioni superiori alle tipiche distanze intergalattiche.

Spesso, per sottolineare l’enorme rapidità con cui questa espansione è avvenuta, la si descrive come “molto superiore alla velocità della luce”.

Ed anche oggi, regioni dell’Universo sufficientemente distanti da noi, si stanno allontanando da noi a causa dell’espansione a velocità superiori a quelle della luce. Questo può apparire contraddittorio alla teoria della relatività e molti si pongono domande in proposito. Ma in tutti questi casi non c’è trasferimento di alcun segnale (campo) o particella a velocità superiori alla velocità della luce. Il modo più corretto per caratterizzare la rapidità dell’espansione è quindi di riferirsi all’aumento, in un certo intervallo di tempo, del fattore di scala dell’universo.

Con l’espressione aumento del fattore di scala si intende il valore del rapporto fra la distanza fra due punti qualsiasi, misurata ad un tempo x dopo il Big Bang, e la distanza fra gli stessi punti misurata ad esempio ad un tempo 2x.

Questa precisazione è necessaria per sottolineare come questa variazione del fattore di scala non implichi una variazione delle dimensioni di oggetti fondamentali, come ad esempio le dimensioni di nuclei, atomi e molecole come neppure implica una variazione del raggio tipico delle orbite.

Curiosamente però, se è possibile accettare senza problemi la possibilità di velocità superiori alla velocità della luce, è meno intuitivo il meccanismo della “frenata”. L’idea di “frenata” è associata all’idea di “inerzia”, cioè alla tendenza che ha ogni corpo ad opporsi a variazioni del suo stato di moto. L’ espansione dell’Universo però non è associata ad alcuna inerzia dei corpi celesti ma è dovuta solo all’espansione dello spazio vuoto.

Trascurando le cosiddette velocità peculiari, cioè le velocità indotte dai campi gravitazionali locali (tutte ovviamente inferiori alla velocità della luce nel vuoto), gli oggetti celesti, come le galassie, gli ammassi di galassie, ecc. possono tutti considerarsi localmente in quiete.

Se osserviamo in una certa direzione una galassia molto distante allontanarsi da noi, ad esempio, a metà della velocità della luce, anche nella direzione opposta potremo trovare un’altra galassia allontanarsi da noi a questa stessa velocità, e guardando in ogni direzione, scopriremmo che tutte le galassie che si trovano alla stessa distanza da noi, si allontanano con la stessa velocità indipendentemente dalla direzione in cui le osserviamo.

Infatti, come scoprì Hubble, tutti i punti dell’Universo si allontanano uno dall’ altro con velocità proporzionale alla loro distanza reciproca. Questa velocità non va però associata ad un moto proprio dei corpi celesti, ma piuttosto all’espansione dello spazio stesso. Tornando al problema della frenata, immaginiamo che improvvisamente l’espansione attuale dell’Universo dovesse arrestarsi. In che direzione potremmo aspettarci di sentirci proiettati? Cioè in quale direzione particolare dovrebbe avvenire la “frenata”?

Quello che noi potremmo osservare è solo che tutte le galassie lontane da noi hanno smesso improvvisamente di allontanarsi, ma ovviamente non osserveremmo nessuna particolare variazione nel nostro stato di “osservatori inerziali” in nessuna direzione particolare. Lo stesso ovviamente noterebbero tutti gli osservatori delle altre galassie. Quello che succederebbe infatti, è solo che lo spazio smetterebbe di espandersi, senza però alterare lo stato di quiete (o di moto locale) proprio dei vari corpi celesti.

Spesso, per descrivere intuitivamente l’espansione dell’Universo, si ricorre all’ esempio del palloncino che ho fatto prima. L’analogia è fra l’Universo (con 3 dimensioni spaziali) e la superficie del palloncino (con solo 2 dimensioni).

Il limite di questa analogia è che il palloncino si espande in uno spazio preesistente (la terza dimensione) mentre l’espansione dell’Universo non avviene in nessuno spazio preesistente. Disegnando a caso dei puntini sulla superficie del palloncino, a mano a mano che le dimensioni del palloncino aumentano, tutti i punti si allontaneranno fra loro.

Per quanto velocemente si possa gonfiare il palloncino, interrompendo d’improvviso l’espansione non ci sarà nessun “effetto frenata”, per lo meno non lungo le direzioni che uniscono i vari punti (cioè nella direzione della tangente alla superficie del palloncino).

L’ unico effetto sarebbe nella direzione radiale, ortogonale alla superficie (cioè nella direzione della dimensione addizionale richiesta da questa analogia – ma non presente nel caso del nostro Universo).

Quindi, anche durante il periodo dell’inflazione le enormi velocità iniziali non sono in realtà le velocità della materia (per precisione, alle altissime temperature proprie dell’Universo “giovane” c’è solo radiazione, ma non “materia”) ma sono le velocità proprie dello spazio in espansione.

E se proprio non è chiaro, la prossima volta che incontro Barish gli chiedo di scriverlo lui, l’articolo…

6 pensieri riguardo “The Big Bang Theory

        1. No, non l’avevo pensata “for dummies”, anzi, pensavo che fosse abbastanza ostica ma ho cercato di spiegare i concetti in maniera più semplice possibile. Qui si incrociano le cose: io so spiegare meglio di quanto creda e tu non sei per niente “dummy”

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