C'era una volta, quasi 14 miliardi di anni fa, si è verificato un evento spettacolare.

L'universo e tutto ciò che contiene, compresa la materia, radiazione, particelle esotiche, e forse concetti ancora più astratti come il tempo e le leggi fisiche, venuto all'esistenza.

Studiando come l'universo si è evoluto nel tempo, è possibile "calcolare a ritroso" e formare un'immagine delle condizioni fisiche di un miliardo di anni, millennio, un giorno, un secondo, o un nanosecondo dopo il Big Bang. Più indietro nel tempo, quanto più estreme erano le condizioni, e più velocemente si è evoluto l'universo.

Ma una cosa è capire le equazioni che descrivono la temperatura, o la creazione di nuove particelle, o qualcos'altro. Come ci si sente a testimoniarlo davvero? Come sarebbe? Cosa sperimenteresti?

Scopriamolo. Dobbiamo prima equipaggiare il nostro osservatore, chiamiamola Alice, visto che attualmente sto ascoltando la canzone "Alice" di Tom Waits, e poiché è un nome popolare per le vittime di esperimenti mentali —con una magica tuta spaziale ^TM , in grado di resistere al calore estremo, pressione, densità, radiazione, e allungare. Avrà anche bisogno di un paio di occhiali da sole, perché fino a quando l'universo non aveva un milione di anni era di una luminosità abbagliante.

Puoi seguire il viaggio di Alice nel grafico interattivo qui sotto. Ma prima di partire, dobbiamo stabilire alcune cose.

Come facciamo a sapere cosa è successo?

Perché la luce non viaggia infinitamente veloce, vediamo tutto come era in passato. Quando controlli il telefono, sembri un nanosecondo indietro nel tempo, poiché questo è il tempo impiegato dalle particelle di luce per percorrere 30 centimetri. Quando guardi la Luna, sembri un buon secondo indietro nel tempo, perché la Luna è 400, 000 chilometri di distanza. E quando osservi una galassia lontana un miliardo di anni luce, stai effettivamente guardando indietro di un miliardo di anni nel tempo.

Possiamo misurare la densità, temperatura, e altre grandezze fisiche dell'universo. L'osservazione della velocità delle galassie ci dice che l'universo si sta espandendo. Se calcoliamo a ritroso, possiamo elaborare le condizioni fisiche in epoche precedenti.

In questo modo, in realtà siamo abbastanza certi di quello che è successo fino a meno di un secondo dopo il Big Bang. Questo perché non solo possiamo calcolare, ma anche eseguire esperimenti in enormi acceleratori di particelle come il CERN, ricreare le condizioni che prevalevano in quel momento, e conferma che non abbiamo completamente torto.

Ma non sappiamo nulla della primissima frazione di una frazione di secondo, la cosiddetta "Epoca di Planck". A quest'ora, le condizioni erano così estreme che le leggi fisiche crollano. Forse non ha nemmeno senso parlare di spazio e tempo a questo punto della storia dell'universo. Quanto è grande l'universo?

Infinito... forse...

Non sappiamo quanto sia grande l'universo. Possiamo vedere solo la parte da cui la luce ha avuto il tempo di raggiungerci. Questa parte è chiamata "l'universo osservabile, " e poiché l'universo ha 13,8 miliardi di anni, potresti pensare che possiamo guardare 13,8 anni luce in tutte le direzioni. Ma poiché si espande, è un po' più grande, infatti ben 46 miliardi di anni luce.

Assumiamo, anche se non siamo sicuri, che l'universo al di fuori della nostra piccola bolla va avanti per sempre. Se questo è vero, poi è "nato" infinitamente grande. Sebbene abbia effettivamente senso dal punto di vista fisico parlare di un universo infinitamente grande che cresce o si restringe, è indubbiamente difficile da visualizzare. Quindi normalmente consideriamo invece la dimensione dell'universo osservabile.

È importante sapere che, non importa la dimensione dell'universo, il Big Bang non fu un'"esplosione" nel senso che un denso ammasso di materia iniziò a diffondersi nello spazio. Piuttosto, era la creazione dello spazio, e forse il tempo stesso, e la successiva espansione di questo spazio.

Questo pone la domanda, "in cosa si espande?" e "cosa c'è fuori?" È difficile immaginare un universo infinito in espansione, per non parlare di un universo finito che non è incorporato in uno spazio dimensionale più ampio. Ma comunque, questo è ciò che pensiamo stia accadendo. In altre parole, si sta semplicemente espandendo "in sé".

Ora, con "Cosmology 101" fuori mano, raggiungiamo Alice mentre inizia il suo viaggio.

Inflazione al buio

Come menzionato sopra, non sappiamo nulla della primissima frazione di secondo. Sappiamo, però, che tutto era estremamente denso, perché quello che in seguito diventerà il nostro universo osservabile è in questo momento più piccolo di un nucleo atomico.

Primo, si crea la gravità, e poi la forza nucleare "forte". Alcune particelle esotiche precipitano da questa estrema densità di energia, compreso il bosone di Higgs, che è responsabile del concetto stesso di massa.

Ma in un primo momento, Alice non apprezza niente di questo inferno. La luce non è ancora stata creata, così a lei, tutto è buio.

Ad un tratto, lo spazio stesso inizia ad espandersi in modo esponenziale velocemente.

Questa era si chiama "inflazione, "e quando si ferma, quello che poi diventerà l'universo osservabile ha, in una frazione di secondo, cresciuto da essere più piccolo di un nucleo atomico a 20 metri di diametro. Ha ancora solo le dimensioni di una casa, ma relativamente parlando l'universo è cresciuto tanto durante questa frazione di secondo quanto da allora.

Qualunque cosa sia nello spazio deve seguire l'espansione. Tranne la magica tuta spaziale di Alice ovviamente, e che fortuna, perché senza di essa la sua testa e i suoi piedi, che in questo momento sono molto più grandi dell'universo osservabile, verrebbe lacerata a 20 miliardi di anni luce l'una dall'altra.

Dopo l'inflazione, tutto continua ad espandersi. Allo stesso tempo, la temperatura scende. È come quando il gas di un accendino spento sembra freddo:il gas viene compresso all'interno dell'accendino ma quando fuoriesce, si espande e si raffredda.

…e c'era luce

Durante l'inflazione, l'universo si raffredda brevemente da un miliardo di miliardi di miliardi di gradi, quasi allo zero assoluto. Ma quando l'inflazione è finita, proprio mentre Alice pensa "Brrr... forse sta diventando un po' troppo freddo, " il cosiddetto processo di riscaldamento aumenta nuovamente la temperatura a 10 miliardi di trilioni di gradi. In questo momento, vengono create nuove specie di particelle, compresa la luce sotto forma di fotoni.

Perché la temperatura è così incredibilmente alta, tutte le particelle sono molto ricche di energia, e la stragrande maggioranza dei fotoni sono quindi raggi gamma. Ma una piccola parte dello spettro luminoso si estende sui raggi X, luce ultravioletta, e luce visibile, che è di maggior interesse per Alice.

Così, qual è il primo colore che osserva Alice? Di che colore era il Big Bang?

Il termine "colore" è infatti un concetto psicologico. Il colore che il cervello percepisce dipende dalla distribuzione della luce nelle tre gamme di lunghezze d'onda rilevate dai coni degli occhi, vale a dire rosso, verde, e blu.

Se qualcosa emette luce perché fa caldo, puoi calcolarne lo spettro e successivamente ricavarne il colore in rosso, verde, e blu. Alice stessa non è così calda, quindi emette principalmente nella luce infrarossa a debole energia, e un occhio umano non è abbastanza sensibile da percepire la piccola parte di esso che si trova nello spettro visibile.

Un pezzo di caldo, il ferro incandescente emette principalmente nel rosso. Se fa molto caldo, emette all'incirca allo stesso modo in entrambi i rossi, verde, e blu, e questo viene interpretato dal cervello come "luce bianca".

Se la temperatura è sufficientemente alta, i picchi dello spettro nel blu, e nel limite di una temperatura infinita, il colore si avvicina a una tonalità blu zaffiro.

Così, quello che Alice vede intorno a lei è il blu zaffiro di questa zuppa calda di plasma di quark e gluoni, come mostrato nell'immagine qui sotto.

La tuta spaziale di Alice è ovviamente dotata di un colorimetro elettronico, e lei misura la saturazione del colore dell'universo al 63 per cento, 71 per cento, e 100 per cento in rosso, verde, e blu, rispettivamente.

Questo è, lo avrebbe fatto se avesse funzionato, ma l'universo ha ancora solo 1/100 di milionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo, e l'elettricità non esiste ancora.

Alice deve attendere un intero picosecondo (0,000000000001 secondi) prima che venga creata la forza elettromagnetica. Potrebbe non sembrare una lunga attesa, ma come ogni cosa nello spazio e nel tempo, è tutto relativo. Per Alice, questo tempo di attesa aggiuntivo è pari a cento quintilioni di volte più lungo del suo intero tempo di viaggio finora.

Alice ingrassa

A quest'ora, si crea anche la forza "debole". Ciò significa che tutte e quattro le forze dell'universo sono ora stabilite, gli altri tre sono la forza elettromagnetica, gravità, e la forza "forte".

In senso stretto, tutte queste forze esistevano già, ma furono fusi come un'unica forza unificata finché non iniziarono a separarsi nelle loro forze "individuali".

Con queste quattro forze in atto, le particelle possono ora interagire con il bosone di Higgs e quindi guadagnare massa. Per Alice, questo significa che ora pesa qualcosa. Ma dal momento che gli standard di moda pervertiti non esisteranno per altri 13,8 miliardi di anni, non è così infastidita da questo improvviso aumento di peso.

Grumi nella zuppa

I dintorni di Alice sono piuttosto noiosi; tutto è completamente distribuito uniformemente, quindi non importa dove guardi, lei vede la stessa cosa.

Ma aspetta... piccole irregolarità sono formate dal principio di indeterminazione della meccanica quantistica, che dice che c'è un limite inferiore fondamentale, in termini di quanto ha senso essere precisi quando si parla della posizione di un oggetto.

La meccanica quantistica descrive processi su scale molto piccole, dalla dimensione degli atomi e sotto. Ma a causa dell'estrema espansione, le piccole disomogeneità vengono pompate fino a proporzioni considerevoli.

E che fortuna. Se tutto fosse stato completamente liscio, sarebbe rimasto per sempre così. Ma invece, esistono grumi così piccoli che pesano un po' di più dell'ambiente circostante e possono quindi trascinare un po' più di materia. Ciò consente loro di crescere e alla fine formare la struttura nell'universo che si trasforma in galassie, stelle, pianeti, e alla fine, noi.

Materia oscura in soccorso

Ma è materia in grado di ammassarsi a sufficienza, prima che l'espansione lo allontani troppo? (Avviso spoiler:sì, altrimenti non staresti leggendo questo.)

In realtà, se l'unica cosa che esisteva fosse la roba che Alice può vedere, allora questo non poteva succedere. Ma per fortuna, per ogni grammo di materia ci sono all'incirca cinque grammi di altra, materia invisibile che fornisce la gravità aggiuntiva necessaria per consentire alla materia di aggregarsi. chiamiamo questo, materia oscura.

L'universo si è ora raffreddato a 10 milioni di miliardi di gradi ed è grande all'incirca quanto la distanza odierna dalla Terra al Sole. Il gruppo che un giorno si trasformerà nella Via Lattea ha un raggio di 100 chilometri, grosso modo le dimensioni della Sierra Leone.

L'universo rallenta

L'universo continua ad espandersi a causa della velocità acquisita dall'inflazione, ma la velocità di espansione decelera lentamente a causa dell'attrazione reciproca di tutte le particelle.

Però, anche un intero nanosecondo dopo il Big Bang, l'espansione è così rapida che gli oggetti a più di un metro da Alice, si stanno allontanando da lei più velocemente della velocità della luce. Solo un microsecondo dopo, fa abbastanza freddo che i quark si siano fusi per formare neutroni e protoni.

L'universo ora ha le dimensioni del Sistema Solare, ma la densità di materia e radiazione è ancora 1, 000 volte più alta di una stella di neutroni, la cosa più compatta che esiste oggi.

Gemelli cattivi

Alice ora vede non solo particelle, ma anche le antiparticelle che vengono all'esistenza.

Un'antiparticella è come il gemello malvagio della particella, e se una particella incontra la sua antiparticella, entrambe cessano di esistere e vengono create nuove particelle. Alcune di queste nuove particelle sono fotoni:luce.

Per ragioni che ancora non comprendiamo, per ogni 10 miliardi di antiparticelle esistenti ce n'erano 10 miliardi e una particella, prendere o lasciare.

Alla grande vecchiaia di un secondo, l'universo si è ora dilatato a 10 anni luce di raggio, e tutti gli antiprotoni si sono annichiliti con i protoni, antineutroni con neutroni, e così via. Il minuscolo surplus di particelle "normali" è ciò che oggi comprende il cosmo visibile.

Caldo e luminoso, con rischio di nebbia

Passano altri dieci secondi e gli elettroni e gli antielettroni si alzano. L'universo si è ora raffreddato a pochi miliardi di gradi, ma poiché il 99,99999999 per cento di tutte le particelle viene convertito in pura luce, l'universo improvvisamente arde di una luce abbagliante.

All'inizio di questo inferno particella-mangia-particelle, la densità è così alta che Alice letteralmente non può vedere una mano davanti al suo viso poiché la luce è costantemente dispersa dagli elettroni.

Ma quando all'improvviso la maggior parte degli elettroni scompare nel blu (zaffiro), la visibilità aumenta a... rullo di tamburi per favore... quanto può essere grande? Un trilione di anni luce?. ah, no, 20 metri. Non molto impressionante. Ma non importa perché non c'è ancora molto da vedere comunque:dietro il velo nebbioso c'è, bene, solo più dello stesso.

Dopo pochi minuti, la temperatura è scesa sotto il miliardo di gradi, e prende il via un'epoca importante nella storia dell'universo:la nucleosintesi. Ora è abbastanza freddo che i protoni, che sono infatti le stesse dell'idrogeno, fondersi per formare elementi più pesanti.

ahimè, la felicità è di breve durata:la densità dell'universo sta diminuendo a causa dell'espansione, e a 15 minuti, ha circa la stessa densità dell'acqua sulla Terra. La nucleosintesi sta volgendo al termine.

Finora, solo l'elio e un po' di litio hanno avuto il tempo di formarsi. Tutti gli atomi più pesanti non si formeranno per centinaia di milioni di anni, nelle stelle e nelle loro esplosioni di morte.

Questo è tutto, gente. Dopo appena un quarto d'ora, il Big Bang è finito, e ora non succede molto da migliaia di anni.

Ogni volta che un atomo neutro cerca di formarsi, l'elettrone viene immediatamente strappato via da un fotone altamente energetico. Ma a 380, 000 anni, la temperatura dell'universo è scesa a 3, 000 gradi, ha acquisito una bella tinta rosso-arancio, ed è abbastanza freddo che gli atomi di idrogeno possono rimanere neutri.

Di conseguenza, il velo di elettroni nebbioso si solleva e la luce fuoriesce – si disaccoppia – dalla materia.

Gli ultimi bagliori del Big Bang

L'universo ha ora un diametro di quasi un milione di anni luce, e la luce scorre liberamente attraverso l'intero universo, come ha fatto da allora.

I grumi di materia che Alice vide formarsi sono diventati più grandi, ma sono al momento del disaccoppiamento ancora molto piccoli; le regioni più dense sono 1/100, 000 volte più densa delle regioni più diluite. Tuttavia, questo è sufficiente perché la radiazione che viene rilasciata non mostri la stessa lunghezza d'onda ovunque.

E questa luce, il bagliore leggermente irregolare del Big Bang, noto come "il fondo cosmico a microonde", è ora la cosa più lontana che siamo in grado di vedere. Molto di ciò che sappiamo sul Big Bang, e dell'universo in generale, abbiamo raccolto dallo studio di questa luce.

Timeline del Big Bang (e la storia dell'universo)

Alice ha avuto il tempo della sua vita e ora può rimettere la sua tuta spaziale e gli occhiali da sole sullo scaffale.

Se nel frattempo hai perso la cognizione dello spazio e del tempo, qui troverai una cronologia grafica estesa del Big Bang (e del resto della storia dell'universo).

Durante la scrittura di questo articolo ho scritto un codice chiamato timeline che calcola le proprietà (dimensione, temperatura, colore, tasso di espansione, e altro ancora) dell'universo in vari momenti della sua storia. Il codice è scritto nel linguaggio Python, e può essere recuperato qui.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di ScienceNordic, la fonte affidabile per le notizie scientifiche in lingua inglese dai paesi nordici. Leggi la storia originale qui.