Il Big Bang

La nascita di tutto: Il Big Bang è stato un evento che ha avuto inizio 13,8 miliardi di anni fa. Un’esplosione che da un punto infinitamente piccolo ha creato la materia, l’energia, lo spazio e il tempo. Ma andiamo a ripercorrere la storia di questo evento.

Durante il primo secondo l’Universo si espanse da zero a un diametro di miliardi di chilometri.

Non neghiamo che servirebbe una completa conoscenza della fisica delle particelle elementari, in particolare dei costituenti ultimi e delle forze, per comprendere cosa avvenne allora, ma nonostante ciò cercheremo di raccontarvi in modo semplice cosa sappiamo del Big Bang.

Le teorie sull’unificazione delle forze fondamentali, sviluppate nel contesto della fisica delle particelle elementari senza alcuna connessione con la cosmologia, sono state applicate per descrivere l’evoluzione dell’Universo a cominciare da tempi piccolissimi dopo il Big Bang.

Per i fisici delle particelle i primi attimi dell’Universo costituiscono un acceleratore senza limiti di energia e costo. Per gli astrofisici l’utilizzazione delle teorie fisiche rappresenta l’unico modo per capire cosa accadde nei primi attimi dell’Universo.

Che cosa c’era prima del Big Bang?

Domanda importante con una risposta altrettanto secca: Niente.

Non c’era nulla prima dell’evento che ha creato ogni cosa, soprattutto se il tempo ha avuto inizio proprio con il Big Bang. L’altra alternativa è che l’Universo sia costituito da materiale proveniente da un Universo genitore. La domanda “C’è stato un tempo, prima dell’inizio del tempo?”, che oltrepassa i confini dell’astrofisica per entrare nella filosofia, fu rivolta a Stephen Hawking.

La risposta fu abbastanza semplice:

Non ha senso parlare di un tempo prima della nascita dell’Universo, perché il tempo è stato sempre presente, sebbene in una forma diversa da quella che noi umani siamo abituati a misurare. I confini dell’Universo non esistono. Lo spazio-tempo euclideo è una superficie chiusa senza fine, come la superficie della Terra. Non c’è nulla a sud del Polo Sud, allo stesso modo non esiste nulla prima del Big Bang.

Il grande fisico è abbastanza certo di cosa ci potrebbe essere stato prima di tutto quanto. Sappiamo che nella nostra mente prima di un anno uno, sicuramente ci sarà l’anno zero, ma non nella nascita dell’universo. In un possibile viaggio a ritroso alle origini, la linea del tempo si assottiglierebbe all’infinito a mano a mano che l’Universo si fa più piccolo, senza mai raggiungere un punto di partenza.

Prima del Big Bang il tempo era ripiegato, curvo su sé stesso.

Si avvicinava a raggiungere il niente, ma non è mai stato il niente. Non c’è mai stato un Big Bang che ha prodotto qualcosa dal nulla. Sembra così soltanto da una prospettiva umana.

In un precedente intervento su questo tema, Hawking scrisse che gli eventi precedenti al Big Bang sono semplicemente non definiti, perché non c’è modo di misurare che cosa sia successo. Poiché gli eventi avvenuti prima del Big Bang non hanno conseguenze osservazionali, si possono anche tagliare fuori dalla teoria, e dire che il tempo è iniziato con il Big Bang.

Il Tempo è iniziato con il Big Bang.

In seguito si sono sviluppate varie teorie sull’evoluzione dell’Universo:

• l‘Universo avrebbe continuato ad espandersi fino ad un certo punto e poi avrebbe arrestato il proprio ingrandimento
• la velocità alla quale l‘Universo si espande si sarebbe dovuta ridurre e l‘accelerazione arrivata a 0 sarebbe diventata negativa portando ad un Big Crunch e ritornando allo stato di singolarità
• l‘Universo avrebbe continuato ad espandersi all‘infinito

Sappiamo che all’inizio fu il Big Bang

All’inizio era il nulla.
Poi qualcosa andò storto.

Leggi di Murphy

Fu un istante in cui qualcosa cambiò: quel qualcosa, che poteva sembrare una zuppa di concentrato di particelle elementari ad altissima temperatura e densità, iniziò ad espandersi e così iniziò a formarsi l’Universo. Non sappiamo come fosse prima l’Universo del Big bang, quello che possiamo affermare è solo ciò che appartiene all’universo osservabile.

Così che sappiamo che 14 miliardi di anni fa, anno più anno meno, l’Universo osservabile era solo un insieme di particelle elementari. In quell’istante l’Universo aveva temperature e densità altissime e i suoi componenti erano le particelle elementari come quark, neutrini ed elettroni, e chissà quante altre particelle che ancora non conosciamo.

Poi ha iniziato dal Big Bang a evolversi, lo spazio ha iniziato ad espandersi e la temperatura e la densità a diminuire.

Le variazioni di densità e temperatura hanno permesso tutta una seria di modifiche delle particelle elementari da cui si sono creati gli atomi di idrogeno e di elio ad esempio e poi le stelle e le galassie e l’universo per come lo conosciamo oggi.

Ma è possibile ricreare quella condizione iniziale?

Il calore presente nei primi istanti del Big Bang diede alle particelle elementari della materia dell’universo primordiale una straordinaria quantità di energia grazie alla quale iniziarono ad assumere un comportamento molto diverso da quello che le particelle hanno oggi nell’universo a noi noto.

Le particelle infatti si muovevano molto più velocemente e si scontravano l’una con l’altra con un’energia molto maggiore. Per poter ricreare quelle condizioni iniziali che ora non esistono più gli scienziati si sono avvalsi di uno strumento formidabile, uno degli strumenti più potenti: l’acceleratore di particelle. I ricercatori del CERN hanno utilizzato un acceleratore chiamato Large Hadron Collider (LHC) per accelerare le particelle subatomiche, i protoni, fino ad una velocità vicina a quella della luce.

L’acceleratore infatti permette ai fisici di ricreare le condizioni che si sono avute subito dopo il Big Bang creando un fascio di particelle che si muovono rapidamente e facendole scontrare tra loro con collisioni ad altissima energia. È proprio la velocità della luce la velocità che si ipotizza fosse quella con cui queste particelle si muovevano negli istanti subito dopo il Big Bang.

Lo scontro permette alle particelle di frantumarsi e di poter vedere così come queste sono fatte dentro cercando di svelare i misteri o la presenza di altre particelle sconosciute, le stesse che erano presenti nell’istante del Big Bang con energie tali da simulare quell’istante.

Attraverso l’osservazione del comportamento di questi protoni i fisici del CERN hanno cercato di capire meglio come il Big Bang ha creato l’universo.

Large Hadron Collider

Il Large Hadron Collider (LHC) è un anello con una circonferenza di ventisette chilometri situato a centi metri di profondità nei pressi di Ginevra. Con più di 9000 magneti conduttori al suo interno è possibile possibile lanciare e accelerare fasci di particelle.

All’interno dell’anello vengono accelerate in direzioni opposte due fasci di particelle. I potenti magneti guidano le particelle intorno all’anello e per aumentare le probabilità di collisione di due particelle i fasci vengono concentrati prima che si incontrino.

Come hanno spiegato gli scienziati le due particelle che si incontrano sono come

Due aghi lanciati da due punti distanti dieci km l’uno dall’altro con una precisione tale da farli incontrare a metà strada.

Grazie alla sua struttura all’interno dell’LHC i protoni possono raggiungere una velocità vicina a quella della luce. Al momento dello scontro l’energia accumulata si trasforma in materia in virtù della teoria della relatività e della formula di Einstein E=mc2: l’energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato.

Nell’acceleratore i fasci di particelle cominciano ad allinearsi e a sincronizzarsi sempre più fino a sovrapporsi perfettamente. Poi avvengono le collisioni che vengono osservate nei quattro grandi esperimenti dell’acceleratore. I protoni si disintegrano e danno vita a particelle ancora più piccole di quelle che compongono gli atomi.

I quattro grandi esperimenti dell’acceleratore sono i grandi rilevatori di particelle dove i due fasci sono stati fatti scontrare.: Alice, Atlas, LHCb e CMS.

ATLAS, A toroidal LHC apparatus, e CMS, Compact muon solenoid sono i due esperimenti che hanno studiato entrambi le particelle generate dalle collisioni cercando di individuarle e di misurare il loro percorso e la loro energia.

L’esperimento LHCb, Large Hadron Collider beauty, indaga sulle differenze tra materia e antimateria per scoprire il perché la natura sembri favorire la materia rispetto all’antimateria.

ALICE, A large ion collider experiment, invece indaga le condizioni che sono prevalse immediatamente dopo che è avvenuto il big bang.

Ovviamente tutti i rivelatori hanno cercato e continuano a cercare di rivelare prove dell’esistenza di ulteriori elementi nascosti nello spazio. L’esperimento con il LHC è stato più che di successo: è stato possibile ricreare le condizioni che si presume esistessero solo pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang.

L’idea di costruire il LHC risale ai primi anni ’80 e negli anni seguenti furono diverse le discussioni sul tipo di domande a cui un tale dispositivo avrebbe potuto dare risposta, così che nel 1994 il CERN dette il via al progetto.

Era il marzo del 2010 e dopo sedici anni di preparazione il direttore scientifico del CERN, Sergio Bertolucci, parlava di:

un passo in avanti senza precedenti nella ricerca. Un passo nell’ignoto, alla scoperta di cose completamente nuove, come la materia oscura, l’esistenza di nuove dimensioni o l’origine della massa.

È un’opera importante sotto molti aspetti e anche dal punto di vista economico. La costruzione dell’LHC è costata più di sei miliardi di franchi. Inaugurato nel 2008 un guasto lo ha messo subito fuori uso e per ripararlo ci sono voluti un anno e altri 35 milioni. Ma nonostante qualche piccolo intoppo finalmente nel 2010 è stato possibile raggiungere l’obiettivo che tutto il mondo scientifico si aspettava.

Già perché gli esperimenti con i fasci di protoni avrebbero permesso di trovare il bosone di Higgs ovvero quel pezzo del puzzle mancante per definire la struttura fondamentale della materia.

Il bosone di Higgs

Il Large Hadron Collider (LHC) dopo il raggiungimento dei suoi obiettivi per il 2010 intraprese così una nuova fase di attività che ha visto gli scienziati impegnati a indagare sul tipo di materia presente subito dopo il Big Bang.

Uno dei più grandi misteri che il LHC ha aiutato proprio a scoprire, grazie agli esperimenti ATLAS e CMS, è stato quello di svelare la natura della massa. Gli scienziati avevano identificato la particella chiamata bosone di Higgs la chiave del mistero.

Il bosone di Higgs è la prima particella scalare elementare che sia mai stata fino ad ora osservata.

Teorizzato nel 1964 e rilevato per la prima volta nel 2012, il bosone di Higgs, dal nome del fisico che lo teorizzò, è una particella che conferisce la massa a tutte le particelle: è ciò che dà alle cose la percezione della loro esistenza. La massa è la massa inerziale, che fa resistenza quando si prova ad accelerare un corpo o la massa gravitazionale che invece è sensibile alla gravità.

È la massa che definisce se una particella si trova in un determinato luogo e in un determinato istante. Un istante dopo il Big Bang le particelle dell’universo erano prive di massa e viaggiavano alla velocità della luce. A mano a mano che l’Universo ha iniziato ad espandersi e a raffreddarsi la densità di energia è diminuita fino a quando  è scesa al di sotto di quella del campo di Higgs. Questa condizione ha provocato l’interruzione delle simmetrie e alcune particelle hanno guadagnato massa.

Il campo di Higgs è un campo energetico la cui manifestazione quantistica è il bosone di Higgs e nella teoria questo campo energetico è ovunque ed è ciò che consente al campo di Higgs di influenzare tutte le particelle elementari massicce conosciute nell’intero universo.

Senza le interazioni tra le particelle e il campo di Higgs non si avrebbe massa, la materia non avrebbe massa.

La teoria matematica funzionava, ma occorreva comunque dimostrare la sua esistenza e per fare questa la cosa migliore era andare a caccia della sua particella, il bosone di Higgs. E alla fine la caccia ha portato al grande risultato.

Il racconto più semplice per spiegare il campo di Higgs, e questa particella, è quella inventata dal fisico David Miller dell’University College di Londra. La sua idea sta nel raffigurare una festa in un salone pieno di gente che viene movimentata improvvisamente dall’arrivo di un personaggio famoso che attrae su di sé l’attenzione di tutte le persone che lo circondano. Quando attraversa la stanza tutte le persone vicine sono attratte da lui e vi si affollano intorno e man mano che il personaggio famoso si muove attrae le persone a lui più vicine mentre quelle che lascia alle sue spalle tornano nella loro posizione originale. A causa di questo affollamento aumenta la sua resistenza al movimento: il personaggio famoso acquisisce massa, proprio come fa una particella che attraversa il campo di Higgs.

Le particelle interagendo tra loro vengono rallentate dall’attrito non muovendosi più alla velocità della luce acquisiscono massa.

Ma è grazie al bosone di Higgs che le particelle cominciano a interagire fra loro, la loro velocità a causa dell’attrito diminuisce e non è più quella della luce e acquisiscono una massa.

È come se  nello stesso salone pieno di gente qualcuno vicino alla porta facesse circolare una voce, le persone più vicine alla porta la ascoltano per primi e si riuniscono per capire qualcosa di più, quindi si voltano e si avvicinano alle altre persone nei paraggi per riferire quanto ascoltato. Si creano nella stanza tanti gruppi che si formano così man mano che acquisiscono massa: queste aggregazioni sono le particelle di Higgs.

Il lavoro del LHC comunque non finisce qui

LHC è stato progettato anche per ricreare in laboratorio le condizioni del plasma di quark e gluoni che si pensa sia esistito poco dopo il Big Bang e per utilizzare le collisioni per testare e studiare alle più alte temperature e densità artificiali la teoria della forza forte che lega quark e gluoni per formare protoni e neutroni e in definitiva tutti i nuclei atomici.

Alle temperature di migliaia di miliardi di gradi ricreate nell’anello dell’acceleratore i pacchetti di particelle formati da quark e gluoni, che in condizioni normali sono saldamente intrappolati nel nucleo, si liberano creando un plasma, una sorta di zuppa.

L’LHC non è stata la prima macchina a ricreare la materia del Big Bang, ma nel tempo ha raggiunto collisioni a energie più elevate rispetto ai suoi predecessori e ha portato gli studi sul plasma quark-gluone a nuovi livelli.

L’LHC non è stata la prima macchina a ricreare la materia del Big Bang, ma nel tempo ha raggiunto collisioni a energie più elevate rispetto ai suoi predecessori e ha portato gli studi sul plasma quark-gluone a nuovi livelli. Quando si parla di quark-gluone plasma ci si riferisce allo stato di altissima densità di energia che si ipotizza ci sia stato negli istanti subito dopo il Big Bang, dove quark e gluoni invece che essere legati per formare i nuclei se ne vanno in giro un po’ per i fatti loro.

Questo è quello che succede nel programma Heavy Ions Collisions, il programma attualmente attivo al CERN che sfrutta sempre l’anello di LHC e dove vi partecipano gli stessi esperimenti tra cui Alice espressamente pensato per questo programma.

L’energia del sistema finale quello prodotto dalla collisione è data dall’energia dei due protoni che collidono: per aumentarne la densità’ si possono far collidere nuclei di atomi invece che singoli protoni. Nuovi risultati che danno spunto a nuove domande e stimolano la ricerca per cercare le risposte.

Dalla sua nascita ad oggi l’universo è cambiato molto, continuerà a cambiare e sta cambiando anche adesso.

L’Universo un giorno finirà di espandersi per iniziare a contrarsi o continuerà ad espandersi per sempre?

La risposta non è così semplice.

Lo spazio continua ad espandersi, ma non sappiamo ancora fino a quando continuerà in questa direzione. Gli scienziati non conoscono ancora con certezza le risposte a queste domande. Ma gli esperimenti di fisica delle particelle come gli studi sugli acceleratori potrebbero offrire alcuni indizi importanti.

Indagando di cosa è fatta la materia e come si comporta, tali esperimenti possono aiutarci a esplorare cos’è la materia nel nostro Universo, che costituisce i pianeti, le stelle e le galassie, e quello che potrebbe essere tra miliardi di anni da oggi.

Cosa potrebbe succedere se ad un certo punto le condizioni portassero l’universo a contrarsi?
Si potrebbe tornare indietro nel tempo, tutto tornerebbe nello suo stadio iniziale, si tornerebbe al Big Bang?

Un modello di collasso un po’ più complesso proposto da Raymond Laflamme indica che nella sua fase di recessione l’universo inizierebbe a contrarsi e continuerebbe nel suo stato di aumento di entropia senza cambiare la direzione del tempo.

Come diceva Hawking

“potrebbe essere un po’ accademico preoccuparsene ora visto che di certo l’universo non inizierà a contrarsi per almeno altri dieci miliardi di anni.

L’ultimo lavoro di Stephen Hawking sul Big Bang

Conosciamo la grande tenacia di Hawking, nell’andare oltre le proprie possibilità. Non c’è stato un momento della sua vita che non l’abbia dedicato alla scienza, e uno dei suoi ultimi studi prima di morire era dedicato proprio ad alcune teorie del Big Bang.

Nel 2014 il professor Hertog ha ricevuto una sovvenzione di due milioni di euro dal Consiglio Europeo della Ricerca (CER) per il suo progetto durato cinque anni sulla cosmologia quantistica olografica. Il Commissario per la Ricerca, la scienza e l’innovazione Carlos Moedas dichiarò: “Sono molto felice che ancora una volta la ricerca finanziata dall’UE sia stata all’altezza della sua reputazione di eccellenza. L’universo potrebbe anche non espandersi all’infinito, ma l’elenco dei borsisti del CER di successo continua ad allungarsi”

Le teorie moderne affermano che il nostro Universo locale è nato dall’espansione dell’universo complessivo seguita al Big Bang ed è opinione diffusa che alcune regioni dell’Universo non abbiano mai smesso di crescere da allora, mentre altre parti si sono fermate. Nel loro studio, Hawking e Hertog dichiarano che questo concetto d’inflazione eterna non è corretto affermando che il nostro Universo non è una struttura frattale, ma abbastanza uniforme e addirittura finita.

Secondo Hawking e Hertog il nostro Universo è una struttura abbastanza uniforme e in alcuni casi anche finita

I loro risultati, se confermati da ulteriori ricerche, implicherebbero una gamma di possibili universi considerevolmente ridotta. Il professor Hertog ha dichiarato: “Questo tipo di ricerca è ambizioso, ad alto rischio e si colloca interamente nell’ambito delle scienze fondamentali motivate dalla curiosità. Si adatta perfettamente agli obiettivi e alla visione del CER. Ho utilizzato la mia sovvenzione del CER per istituire una scuola sulla cosmologia teorica, che si è dimostrata un ambiente di ricerca fertile e stimolante dove esplorare nuove idee”.

Lo Spazio è in espansione?

Gli scienziati hanno osservato che l’universo si espande, quindi nel passato doveva essere molto più piccolo. In una minuscola frazione del primo secondo, una parte dell’Universo si ingrandì a una velocità superiore a quella della luce, con la cosiddetta inflazione. La velocità di espansione ben presto diminuì, ma l’universo si sta ancora ingrandendo. Su vasta scala, ogni oggetto si allontana da ogni altro, e più lontano e più veloce è la sua recessione.

Ma in cosa si espande l’Universo?

Partiamo da alcuni punti cardine per riuscire ad inquadrare una delle ricerche più importanti della fisica: il termine “espansione” non è così propriamente corretto nel caso dell’argomento che andiamo a trattare. Infatti, quando si pensa a una cosa che si espande, si immagina quella cosa immersa in uno spazio esterno, e che con il passare del tempo occupa una parte sempre più grande di tale spazio. Nel caso dell’Universo, però, esso è lo spazio stesso, e non è quindi contenuto in nessun altro spazio esterno. Di per sé questa domanda se la facciamo a quattro scienziati e fisici darebbe quattro risposte differenti in quanto è alla base delle grandi ricerche sull’Universo.

Se dovessimo spiegare in parole semplici riferiamo due esempi che vengono da teorie giù sperimentate. Nel 1929 Edwin Hubble osservò che le galassie si allontanano l’una dall’altra e che la loro distanza, tra di esse, aumenta col passare del tempo. Questo ci porta a concludere che effettivamente l’Universo si sta espandendo.

Immaginate di essere dentro una stanza, per semplicità quadrata, e avere un metro per misurare la distanza tra le pareti. Il primo giorno effettuate la misura e la stanza risulta lunga 2 metri. Il secondo giorno 2 metri e 40 centimetri. Il terzo 3 metri, e così via. O la stanza si sta espandendo invadendo il soggiorno o… il metro si sta rimpicciolendo! Per quanto assurda possa suonare questa seconda opzione, questo è proprio quello che accade nell’Universo.

Esempio tratto da Il Giornale.it 

Secondo la relatività generale di Albert Einstein, il “metro” che utilizziamo per misurare le distanze tra le galassie cambia con il tempo. È come possedere un metro elastico, che si può estendere o restringere, così che le tacche che si realizzano su di esso diventano più strette o più ampie. Dato che il metro cosmologico si sta restringendo, possiamo affermare di conseguenza che la distanza tra le galassie sta aumentando.

Resta il fatto che la tematica riguardante l’espansione dell’Universo è una delle più affascinanti teorie che i fisici di tutto il mondo possono poter studiare. Una risposta certa ancora non l’abbiamo, ma siamo certi che gli studiosi di tutto il mondo continueranno a ricercare risposte perchè come disse il grande fisico Stephen Hawking:

Il più grande nemico della conoscenza non è l’ignoranza,
è l’illusione della conoscenza.

 

Articolo scritto a quattro mani con Margherita Farella.