L'unicità del Big Bang

L'Universo fotografato dal satellite WMAP

Perché il Big Bang è un evento irripetibile?

Andrea Natale
7 giugno 2008
Grazie alle leggi della fisica, noi possiamo seguire l'evoluzione nel tempo di oggetti e strutture di ogni genere. Un esempio molto semplice è costituito da un sasso lanciato per aria, la cui traiettoria può essere calcolata teoricamente. La sua evoluzione è in effetti determinata da due fattori: le leggi fisiche che coinvolgono il sasso (nella fattispecie, la forza di gravità e l'attrito) e le sue condizioni in un qualsiasi istante del suo moto. La necessità di quest'ultimo fattore non è difficile da capire: il medesimo sasso avrà un moto molto diverso se lasciato cadere o lanciato per aria. Misurando però la sua posizione e velocità in un certo istante, il moto del sasso si può ricostruire completamente, sia nel passato che nel futuro. Questo è sostanzialmente quanto fanno gli astronomi quando predicono le traiettorie e la posizione dei pianeti nel corso della storia basandosi su misure fatte ai giorni d'oggi.

Ebbene, forse sorprendentemente, lo stesso tipo di analisi è possibile per l'Universo intero! Come un sasso, l'Universo obbedisce a leggi fisiche (in questo caso la Relatività Generale), ed è possibile studiarne l'evoluzione nel tempo, sia nel passato che nel futuro. Già nella prima metà del secolo scorso diversi fisici e matematici (tra cui Friedmann, Lemaître, e lo stesso Einstein) avevano studiato le equazioni che governano l'evoluzione dell'Universo, concludendo che esso deve trovarsi in uno stato di espansione. Hanno anche determinato l'esistenza di tre possibili scenari: l'Universo potrebbe continuare ad espandersi per sempre (Universo aperto), oppure potrebbe ad un certo punto invertire l'espansione in un collasso (Universo chiuso), oppure ancora trovarsi in un stato limite tra questi due casi (Universo piatto, che comunque comporta un'espansione continua). Per determinare in quale di queste situazioni ci si trova, è necessario misurarere (sperimentalmente) le condizioni dell'Universo al giorno d'oggi; questa necessità è analoga a dover misurare posizione e velocità del sasso per poterne determinare la traiettoria, scegliendola tra le molteplici possibili.

Per lungo tempo gli astronomi hanno dibattuto quale delle tre alternative menzionate sopra è quella effettivamente realizzata nel nostro Universo. Per rispondere, bisogna effettuare misure sullo stato attuale del cosmo; si tratta di misure astrofisiche molto delicate e complesse, e solo recentemente si è arrivati ad un certo consenso. Dalla misura della quantità di materia ed energia presenti, pare che l'Universo sia esattamente nello stato limite che separa i casi aperto e chiuso (Universo piatto) e che quindi la sua espansione continuerà in eterno. Questa è, fondamentalmente, la ragione per cui riteniamo che il Big Bang sia un evento unico.

La portata di quanto scritto sopra è effettivamente notevole, e bisogna aggiungere qualche precisazione prima di fare affermazioni sul destino dell'Universo intero con tanta sicurezza. In primo luogo, quando si parla di «evoluzione dell'Universo» non si parla dei singoli pianeti, stelle, o galassie, ma delle sue proprietà medie, globali. Guardando l'Universo su scala sufficientemente grande (molto superiore a quella delle galassie), lo si può considerare come un fluido omogoeneo, composto da tante particelle, e dotato di una densità e di una velocità di espansione. È di queste proprietà medie che stiamo parlando, senza considerare i "dettagli" che avvengono su piccola scala (naturalmente, questi cosiddetti dettagli sono in realtà fondamentali per l'esistenza stessa di noi esseri umani!). L'evoluzione dei singoli sistemi (stelle, galassie) é molto più complicata e siamo ancora lontani da averne un quadro completo.

In secondo luogo, come si è già detto, l'evoluzione dell'Universo si basa sulla conoscenza delle leggi fisiche e delle sue condizioni al giorno d'oggi. È sempre possibile che qualcosa di fondamentale sfugga alla nostra comprensione attuale, per esempio la teoria della Relatività Generale potrebbe non essere completamente corretta, ma solo approssimata. Un'altro elemento di dubbio riguarda la presenza nell'Universo di una grande quantità della cosiddetta energia oscura, i cui effetti riteniamo di poter tenere in conto nelle nostre analisi, ma della quale conosciamo in verità ben poco, fatto che potrebbe condurre a conclusioni errate. Similmente, le misure che hanno determinato la piattezza dell'Universo potrebbero essere non accurate a sufficienza, o affette da qualche errore sistematico che ancora ci sfugge. In questo caso, l'Universo potrebbe in realtà essere chiuso, e la sua espansione ad un certo punto rallenterebbe fino ad invertirsi in un collasso cosmico, il cosiddetto Big Crunch. Non è immediato predire cosa succederebbe in questo caso, ma si potrebbe pensare ad una serie di cicli e ricicli in cui ogni Big Bang è succeduto da un Big Crunch e vice versa. Non conosciamo le leggi fisiche valide negli istanti prossimi al Big Bang (o al Big Crunch) per cui le nostre conclusioni non possono che essere speculative al riguardo.

Al meglio delle conoscenze attuali, comunque, tutto punta al fatto che il nostro Universo rimarrà per sempre in espansione, e non ci sarà più alcun Big Bang. In sostanza, l'Universo ha avuto un'origine, e sta vivendo una storia che non si ripeterà mai più.

Daniele Malesani Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, København Universitet, Danimarca
Keywords: cosmologia

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011