II big-bang

La nascita dell'universo viene posta al momento della «grande esplosione», detta big-bang. È possibile rendersi conto del passato, dell'origine del mondo, immaginando di vedere l'universo al rovescio, cioè di partire dalle osservazioni attuali e di proiettarle nel passato. Abbiamo visto in precedenza che le galassie si allontanano e come questo fenomeno porti all'espansione dell'universo. Immaginiamo ora che le galassie tornino indietro, anziché allontanarsi, e si avvicinino finché, dopo 15-16 miliardi di anni, saranno tutte unite in una sfera gassosa presente su uno sfondo nero. Continuando a ridursi, questo gas si riscalda e passa gradualmente dal colore rosso al giallo brillante e poi a un acceso bianco bluastro. La temperatura raggiunge i 3000 °C circa e tutto lo spazio esistente divampa come una stella luminosa, i nuclei di deuterio, litio ed elio in prevalenza si rompono e si formano nuove particelle, per cui appaiono dapprima gli elettroni e le loro antiparticelle, cioè i positroni; continuando il riscaldamento, si formano i protoni, i neutroni e altre particelle pesanti. Queste ultime poi iniziano ad urtarsi reciprocamente e producono quark. In pochi minuti quindi tutto l'universo si trasforma in quark e leptoni. Quando si è vicini al big-bang, l'universo diventa ancora più semplice e quando vi si arriva le forze che inizialmente erano tre, diventano una sola e l'energia sviluppata è incredibilmente alta, circa l0 GeV. Si è quindi arrivati al big-bang. Rovesciando tutto si può partire immaginando l'intero universo grande come un atomo, mentre dopo il big-bang e in un tempo infinitesimale, valutato un trilionesimo di secondo, diventa grande quanto la Terra e dopo un milionesimo di secondo quanto circa il Sistema Solare. Ciò che avviene subito dopo il big-bang è stato esaminato in dettaglio su base matematica e applicando la teoria generale della relatività. Sono periodi di tempo infinitamente piccoli che tuttavia danno luogo a ere. Prima del big-bang si aveva l'«era di Planck», così chiamat adal nome di chi per primo introdusse in fisica i quanti e quando tempo e spazio erano mescolati. A 10 E-43 dal big-bang l'universo entra nell'«era di Gut» o della grande unificazione, in quanto esistono soltanto la forza di gravità e quella elettrostabile forte, cui segue l'«era elettrodebole» così chiamata perché la forza elettromagnetica rimane unificata con quella debole, mentre appaiono spaiate e libere la forza di gravità e la forza elettrostatica forte. Segue l'«era dell'androne» che inizia circa 10 E-12 secondi dopo il big-bang e che vede prodursi gli androni. A 10 E-4 incomincia l'«era dei leptoni»lo con una temperatura che si aggira sul trilione di gradi. La forza debole quindi si congela e l'universo possiede le quattro forze distinte. Gli androni-leptoni non sono più immersi in un brodo, ma si allontanano, mentre l'universo si espande e la temperatura, raffreddandosi, si porta a 2 °K. La temperatura scende ulteriormente; a 10E11 vi è ancora equilibrio tra fotoni ed elettroni, e appena la temperatura si avvicina a 10E10 °K cioè praticamente un secondo dopo che è avvenuto il big-bang, l'equilibrio si perde e le coppie di elettroni cominciano a sparire. Presto l'universo viene dominato dai fotoni e si entra nell'«era della radiazione» con la,quale compaiono i primi nuclei per collisione di protoni e neutroni. E il deuteriolI il primo ad apparire, però la temperatura è ancora troppo alta, per cui le molecole vengono meno appena si formano. La temperatura cala a 10E9; siamo a 3 minuti dall'esplosione e appaiono i primi nuclei stabili. All'inizio un neutrone viene attratto da un protone per dare deuterio, quindi assorbe un neutrone e dà luogo al trizio, il quale decade in elio-3 che viene poi captato da un altro neutrone e dà origine all'elio-4. Tutti gli elettroni vanno nei nuclei di deuterio e si trasformano quindi in elio e così finisce circa un quarto dell'intera massa dell'universo. Il rimanente resta sotto forma di nuclei di protoni. Quando la temperatura scende a 3000 °K si iniziano a formare atomi stabili; l'universo è ancora opaco, com'era alla nascita, ma poiché vengono a formarsi atomi di fotoni esso diventa chiaro. Dal big-bang siamo lontani circa 10.000 anni. Prima del big-bang non sono applicabili  le leggi fisiche e anche il concetto di tempo assume un significato ben diverso. Ma che cosa c'era prima? Non è facile rispondere a questa domanda che un tempo si riteneva fosse fuori dalla portata della scienza e campo esclusivo della metafisica o della religione. Il big-bang presuppone che l'universo, ritenuto un tempo statico, si muova dilatandosi; esso non è altro che l'inizio del tempo; prima si avevano dimensioni zero e un caldo infinito, tanto che un secondo dopo il big-bang la temperatura scendeva a l0 miliardi di gradi, cioè un migliaio di volte superiore a quella che si ritiene sia presente al centro del Sole e che si avvicina a quella raggiunta dalle esplosioni di bombe H. L'universo era allora costituito soprattutto da un tipo di particella, detta superparticella, da una forza e da più dimensioni. Col big-bang si ebbe la creazione simultanea di tempo, spazio e gravità. Quest'ultima ebbe origine da un congelamento delle forze (come l'acqua si congela da un vapore che si raffredda). La gravità si separò dalle altre tre forze che rimasero unificate e con esse nacquero tempo e spazio. . In sostanza, dopo il big-bang e in base a calcoli matematici, i fisici hanno individuato tempi di sviluppo brevissimi. Un passo importante si ha a 10E-35 di secondo, che equivale ad una cifra poco comprensibile e cioè a cento miliardi di bilionesimo, quando l'universo, come appareoggi, si trovava entro uno spazio molto ridotto. Un'altra tappa fondamentale è a 10E-32, cioè a circa un centomilionesimo di bilionesimo di bilionesimo di secondo, quando apparvero i quark, le particelle elementari che in seguito avrebbero dato gli atomi e la materia inerte dell'universo. Al tempo 10E-36 avviene quel fenomeno scoperto da Guth che si chiama inflazione. L'universo si gonfia fino a dar luogo ad una specie di pallone da pallacanestro con una spettacolare liberazione di energia che fu immediatamente convertita in particelle e radiazioni (quark, leptoni, protoni, neutrini). Per effetto dell'inflazione l'universo appare piatto e qui torna molto utile l'esempio fatto dagli astronomi di una mosca posta sul palloncino. Essa appare su una superficie curva all'inizio, poi gonfiandosi il palloncino la mosca viene a trovarsi su una superficie che diventa via via sempre più piatta