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Di teorie del Big Bang ce ne sono state almeno 5, di cui la prima è quella che abbiamo trattato nello scorso post sull’argomento avanzata da Lemaître nel 1927, che venne presto affossata per via di diverse conclusioni errate tratte dalla relatività generale e dalla termodinamica, una teoria sbagliata sui raggi cosmici e sull’evoluzione delle stelle, ecc. Questa fu riportata a nuova vita dopo la Seconda guerra mondiale da George Gamow e altri che presentarono vari calcoli per spiegare i diversi fenomeni che sarebbero risultati dal Big Bang (non senza una certa fantasia contabile): quali la densità della materia, i livelli delle radiazioni, la temperatura ecc.. La brillante esposizione di George Gamow permise al Big Bang di colpire la fantasia popolare.

BIG BANG: teoria sulla nascita dell'Universo che lo vede sorgere da un'esplosione

Ben presto tale teoria venne demolita, insieme a quella dell’”universo oscillante” di Robert Dicke che, nel tentativo di aggirare il problema di cosa fosse successo prima del Big Bang, volevano far oscillare l’universo in un ciclo eterno. Fu proprio una previsione importante fatta dallo stesso Gamow della possibile presenza di un segno di tale esplosione sottoforma di “radiazione di fondo”, una eco del Big Bang nello spazio, che permise la rinascita di tale teoria qualche anno dopo.

Nel 1928 venne proposta in alternativa da Thomas Gold e Hermann Bondi la teoria dell’”universo stazionario”, reso popolare in seguito da Fred Hoyle. L’idea dell’espansione dell’universo cercavano di motivarla con la “creazione continua dal nulla”. Le due teorie rivali dell’uovo cosmico e della materia creata dal nulla fecero a pugni per oltre un decennio.

La teoria dell’”universo stazionario” a lungo andare risultò errata poichè presupponeva un universo omogeneo nel tempo e nello spazio. Ciò presupponeva che la densità di un oggetto radioemittente fosse costante, poiché più guardiamo lontano nello spazio e più vediamo indietro nel tempo. Invece dalle osservazioni risultò che più ci si addentrava lontano nello spazio e più le onde radio assumevano intensità maggiori, dimostrando così che l’universo è in uno stato di continuo cambiamento ed evoluzione.

Quando nel 1964 due giovani astronomi statunitensi, Arnas Penzias e Robert Wilson scoprirono una radiazione di fondo nello spazio, la teoria dell’universo stazionario decadde immediatamente, dapprima si pensò all’eco del Big Bang, come prevista da Gamow, ma si osservò che la temperatura della radiazione era solo 3.5K, non i 20K previsti da Gamow, né i 30K previsti dal suo successore P.J.E. Peebles. Poichè l’energia di un campo è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura, l’energia decine di migliaia di volte inferiore a quella prevista.

Robert Dicke, per aggirare il problema spinoso di cosa fosse successo prima del Big Bang, recuperò l’idea di un universo chiuso, proposta da Einstein. Questa sosteneva la possibilità di una serie di cicli interminabile di espansione e collasso sino a diventare una “singolarità”, o qualcosa del genere. Secondo i calcoli di Gamow il rapporto tra l’energia e la densità dell’universo era insufficiente, anche se di poco, per fermare l’espansione dell’universo. La densità era circa di due atomi per metro cubo di spazio, mentre l’energia, espressa come la temperatura prevista della radiazione di fondo, che si supponeva rappresentasse i resti del Big Bang, era 20°K, cioè 20 gradi sopra lo zero assoluto. Ora bisogna dire che tali valori erano assolutamente arbitrari per rendere ragione della teoria di Gamow e così Dicke li sostituì con altri altrettanto arbitrari ma che si adattassero alla teoria dell’universo chiuso.

L’energia presente nell’universo è nettamente inferiore a quella prevista da qualsiasi scienziato: Dicke e Peebles avevano previsto che la temperatura fosse di 30K, successivamente di 10K, che è comunque almeno 100 volte maggiore di quella effettivamente registrata, dimostrando che l’universo è meno denso di quanto avesse pensato Gamow e dunque con minore gravità, il che accentuava il problema di base della provenienza di tutta l’energia del Big Bang. Eric Lerner fa notare a questo proposito che “lungi dal confermare il modello Peebles-Dicke, la scoperta Penzias-Wilson escludeva recisamente la possibilità del modello chiuso oscillante”.

Così si arrivò alla terza versione del Big Bang, che prese il nome di modello standard: un universo aperto in continua espansione.

Secondo i calcoli di Fred Hoyle un Big Bang avrebbe potuto produrre solo elementi leggeri: elio, deuterio e litio (gli ultimi due sono assai rari). Così venne esposta una nuova versione della teoria che si fondava sulla radiazione di fondo di microonde e sui tre elementi leggeri su citati. Ma ancora si era lontani dalla certezza che tale teoria potesse rispondere a verità poichè le irregolarità della radiazione di fondo sono talmente piccole che le fluttuazioni non avrebbero avuto tempo di aumentare di intensità per dare le galassie, a meno che la materia presente non fosse stata maggiore (e quindi molta più gravità) di quanto non apparisse.

Ma altri problemi insidiavano tale teoria: come giustificare in che modo frammenti di materia che si muovono in direzioni opposte riescano tutti a raggiungere la stessa temperatura, tutti contemporaneamente (il problema “orizzonte”)!

I fautori della teoria vedono le origini dell’universo come un modello matematicamente perfetto, tutto regolare, un vero e proprio “Eden di simmetria le cui caratteristiche si conformano alla pura ragione”, come lo descrisse Lerner. Ma l’universo di oggi non ha tale simmetria: irregolare e contraddittorio. Perché la materia e l’energia dell’origine non si sono diffuse uniformemente come un’immensa nube di polvere e gas invece di formare tutte queste stelle e galassie?