Tutto ciò che possiamo vedere e misurare proviene dal nulla ed è stato creato nel corso del Big Bang. In un istante infinitesimo il nostro Universo, e con esso lo spazio e il tempo, hanno avuto origine a partire da un minuscolo “embrione cosmico” incredibilmente caldo e denso. Oggi, molti miliardi di anni dopo, l’Universo si sta espandendo in tutte le direzioni. Le galassie dell’Universo si stanno allontanando le une dalle altre, e tanto più lontane si trovano tra loro tanto più velocemente viaggiano nello spazio. Questa importante scoperta, l’espansione dell’Universo, venne enunciata nel 1929 dall’astronomo americano Edwin Hubble (1889 – 1953).
Viaggio a ritroso nel tempo
Se potessimo far scorrere indietro nel tempo questa espansione, potremmo osservare le galassie raggrupparsi in uno spazio molto ridotto e scopriremmo che l’intero Universo, assai prima della loro formazione, era più piccolo del nucleo di un atomo ed aveva una temperatura altissima. Il fatto che le galassie si stiano allontanando da noi potrebbe farci pensare di essere in un luogo privilegiato al centro dell’Universo, ma ciò non è vero. La distanza tra noi e le altre galassie, infatti, continua ad aumentare. L’universo si espande in tutte le direzioni allo stesso modo.
Prima del Big Bang
Non abbiamo alcuna possibilità di sapere cosa esistesse prima del Big Bang; si tratta di una domanda alla quale la scienza non può ancora rispondere. Inoltre non dobbiamo immaginare il Big Bang come una normale esplosione, che avvenga in un certo istante, in un certo luogo dello spazio. Prima del Big Bang non vi era lo spazio e non vi era il tempo, i quali iniziarono a esistere nell’istante in cui il Big Bang accadde. In effetti la domanda “cosa vi era prima?” non ha forse alcun significato, perché non ha senso parlare di un prima. Da quel momento l’Universo cominciò a espandersi, trascinando con sé lo spazio ed il tempo. Nessuno conosce con esattezza l’età dell’Universo, anche se, come dimostrò Hubble, questo dato è legato alle dimensioni e alla velocità con cui l’Universo si sta espandendo. È possibile valutare le dimensioni dell’Universo cercando di misurare la distanza delle galassie più lontane, anche se questo tipo di misurazione richiede l’utilizzo dei più potenti telescopi e ha, in ogni caso, un notevole margine di incertezza. Le stime degli astronomi dicono comunque che l’età dell’Universo è di circa 15 miliardi di anni.
Le galassie,oggi
Attualmente, l’Universo è costituito da innumerevoli galassie raggruppate in enormi famiglie dette “ammassi”, separati da sconfinati spazi vuoti e bui. Le galassie e le stelle, però, hanno cominciato a formarsi solo circa due miliardi di anni dopo il Big Bang. Prima di allora l’Universo conteneva solo particelle di materia ed energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche (come i raggi X, la luce e le onde radio). Per riuscire a ricostruire la storia dell’Universo, gli astronomi hanno dovuto richiedere la collaborazione dei fisici. Infatti, solo la fisica che studia le particelle elementari può tentare di spiegare cosa sia accaduto nella prima fase della vita dell’Universo. La fisica delle particelle studia i costituenti fondamentali della materia, non solo protoni, neutroni ed elettroni, ma anche particelle dai nomi meno noti come mesoni, bosoni, neutrini, e altre ancora, alcune delle quali esistono solo per brevissimi istanti in condizioni molto particolari, create all’interno di enormi apparecchiature, dette “acceleratori di particelle”, che in un certo modo simulano le condizioni che esistevano nell’Universo primordiale.
Dall'infinitamente piccolo all'infinitamente grande
Nella frazione di secondo successiva al Big Bang avvennero cambiamenti straordinari. L’Universo si espanse rapidamente da dimensioni infinitesime a quelle, più o meno, di un pompelmo. Da questa espansione velocissima, nota come “inflazione” (dall’inglese inflation = gonfiamento), l’Universo emerse come un insieme di energia radiante e di particolari particelle elementari, come i quark e gli antiquark. Anche dopo questa improvvisa inflazione cosmica, l’Universo era ancora miliardi di volte più caldo di quanto sia oggi il nucleo del Sole, e solo successivamente, continuando la propria espansione, si raffreddò. I processi che hanno coinvolto le particelle e la radiazione poterono avvenire solo a causa di questo raffreddamento. Prima che l’Universo raggiungesse l’età di un decimillesimo di secondo (0,0001 secondi), dai quark cominciarono a formarsi protoni e neutroni, le particelle che costituiscono il nucleo degli atomi.
Materia e antimateria
Nel primo secondo dopo il Big Bang, la temperatura si ridusse a 10 miliardi di gradi centigradi e l’Universo era dominato da radiazioni e particelle leggere, come gli elettroni e le loro antiparticelle, i positroni. Oggi sappiamo che le particelle di materia e quelle di antimateria, quando si incontrano, si distruggono reciprocamente (questo fenomeno è detto “annichilazione”), lasciando dietro di sé una certa quantità di energia. Ciò accadde anche alle coppie elettrone-positrone all’inizio della storia dell’Universo, le quali si annichilarono lasciando energia e altre particelle elementari: i neutrini. Tuttavia, da questa fase deve essere rimasto un eccesso di materia rispetto all’antimateria, poiché tutto ciò che osserviamo oggi nel nostro Universo è costituito di materia, mentre l’antimateria è praticamente assente. Trascorsi i primi due minuti dal Big Bang, i protoni e i neutroni cominciarono a combinarsi tra loro, dando vita ai nuclei di elio. Nel corso dei successivi 300.000 anni non si verificarono significativi mutamenti nell’Universo. Il cambiamento più importante avvenne quando l’Universo, espandendosi, si raffreddò fino a raggiungere una temperatura di soli 3.300 °C (la temperatura della superficie del Sole è di 5.500 °C); a questo punto gli elettroni si legarono ai nuclei di idrogeno e di elio dando vita ai primi atomi. Ciò permise il diradamento della nebbia cosmica e per la prima volta l’Universo divenne trasparente alla luce. Nei successivi milioni di anni, la materia cominciò ad addensarsi a causa della forza di gravità e, circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, si formarono le prime stelle e galassie.
Una prova recente
La radiazione emessa dall’Universo primordiale, detta “radiazione cosmica di fondo”, e scoperta negli USA nel 1964 da Arno Penzias e Robert Wilson è forse la prova migliore a sostegno della teoria del Big Bang. La radiazione, che possedeva una quantità di energia enorme, ora che la temperatura dell’Universo è scesa a –270 °C è diventata molto più debole. Essa è, praticamente, l’eco del Big Bang che è giunta fino a noi.