"In principio Dio, o chi per lui, creò il cielo e la terra. Attraverso un big bang". Se mai qualcuno si decidesse a scriverla, sarebbe certo questo il primo versetto nella Bibbia dei fisici. Su cui tutti giurerebbero per almeno tre ragioni. L'idea, infatti, che l'Universo abbia avuto la sua origine nell'inaudita esplosione di un punticino piccolissimo, densissimo e caldissimo, soddisfa le soluzioni trovate dal giovane matematico russo Friedman alle equazioni proposte da Einstein nella sua teoria generale della gravità. La seconda è che la teoria del big bang soddisfa quelli che il fisico Livio Gratton ha definito gli unici due fatti certi in cosmologia. Il nostro Universo si sta espandendo. E ai suoi confini c'è una radiazione di fondo, con una temperatura di appena 2,7 gradi Kelvin, prossima allo zero assoluto. Una radiazione fossile, unica testimone sopravvissuta a quell'imane catastrofe. La terza ragione che ha fatto assurgere il big bang a modello standard in cosmologia è appunto il consenso generale che hanno raggiunto gli astrofisici e i fisici delle particelle, i fisici dell'infinitamente grande e quelli dell'inifinitamente piccolo. Eppure ... Eppure ci sono molti fatti che la teoria (o meglio, le teorie) del big bang non riesce (non riescono) a spiegare. Tanto che qualcuno timidamente (ma non troppo) prelude a una crisi del big bang. Anzi, c'è una piccola ma agguerrita pattuglia di "eretici" che ormai lo ripudia apertamente. E lo incalza con critiche serrate. è per l'ipotesi della grande esplosione, come hanno annunciato persino i mass media, che sta dunque suonando la campana?

Chi meglio di Dennis Sciama può rispondere a questa domanda? Lui che divive il suo tempo tra l'Istituto di Astronomia e il Dipartimento di Matematica Applicata e di Fisica Teorica dell'Università di Cambridge, il Dipartimento di Astrofisica dell'Università di Oxford in Inghilterra, e la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, e può quindi guardare ai problemi teorici in cosmologia sia con l'occhio dell'astrofisico che con quello del fisico delle particelle? Come, peraltro, ha fatto di recente avanzando la "neutrino hypotesis", l'ipotesi del neutrino, che forse può risolvere il mistero della materia oscura. Quella materia esotica che forse rappresenta il 95% della massa dell'Universo ma che, come un'anguilla cosmica, risulta viscida e sfuggente, invisibile e inafferrabile.

Josè Senovilla, dell'Università di Salamaca, ha di recente trovato nuove soluzioni alle equazioni di Einstein. Molto diverse da quelle di Friedman. Il big bang cessa dunque di essere una "necessità" matematica?

Non ho notizia di questo lavoro. Ma so delle cose dette da Stephen Hawking e da altri, che se accetti la teoria della relatività, allora "deve" esserci una singolarità, il gig bang, nel nostro passato. è vero, se si introduce la teoria quantistica nell'Universo primordiale, allora non si ottiene letteralmente alcuna infinità. Lo spaziotempo risulta infatti senza inizio, illimitato. Ma è anche vero che nel nostro passato c'è comunque un Universo molto, molto denso. Insomma, come ribadiscono Hawking ed Ellis nel loro libro La struttura su larga scala dello spaziotempo, se la relatività è un'ipotesi corretta, allora non è possibile invalidare il big bang.

Eppure c'è chi lo mette in dubbio. Per esempio John Maddox, il direttore di Nature, che lo ritiene filosoficamente, oltre che scientificamente, inaccettabile. Il big bang, scrive Maddox, presuppone un istante in cui letteralmente inizia il tempo. E un istante prima, in cui il tempo non c'è. E quindi non c'è una causa. L'origine del big bang in sé non è dunque suscettibile di discussione. La teoria è una sorta di nuovo creazionismo?

Qui esiste davvero una difficoltà. Perché in senso stretto il teorema di Hawking e Penrose al quale accennavo prima mostra che la relatività non è una teoria self consistent. La singolarità del big bang è una deduzione logica e matematica della relatività. Ma la relatività in sé non è autoconsistente. Perché quando si ricava la teoria matematica della relatività, in primo luogo si assume che lo spaziotempo sia regolare. Che non ci siano singolarità. Solo dopo è possibile definire certe quantità matematiche. Che entrano nella teoria e finiscono per sconvolgerla. Una volta fatte queste assunzioni, infatti, la teoria stessa ci dice che, risalendo dallo stato attuale indietro nel tempo, giungiamo a un Universo che ha avuto inizio con una singolarità! Un risultato che non è consistenete, che è in aperta contraddizione con le fondamenta della teoria, con le sue stesse premesse. Un risultato beffardo: la relatività contiene in sé il germe della propria rovina. Ciò significa che la teoria non è completa. La relatività è una teoria molto buona finché ci si ferma a studiare uno stato prossimo al big bang. Ma quando la densità diventa molto elevata, allora abbiamo bisogno di qualcos'altro. E non sappiamo cosa. Alcuni ritengono che quando sapremo descrivere la gravità in termini quantistici, allora saremo in grado di rimuovere la singolarità e rendere la relatività self consistent. Ciò, tuttavia, non è stato ancora provato. E finché non avremo una teoria in grado di descrivere in modo soddisfacente i momenti iniziali molto, molto prossimi al big bang, non potremo realmente discutere i problemi sollevati da Maddox.

Lo scorso novembre Nature ha pubblicato il cosiddetto "manifesto di Cardiff". Alcuni astrofisici molto noti e un po' eretici (Arp, Burbidge, Hoyle, Narlikar, Wickramasinghe) hanno affondato le loro critiche nelle fondamentea della teoria del big bang. Sostenendo, per esempio, che il red shift, lo spostamento nel rosso che si registra quando un oggetto si allontana velocemente da colui che lo osserva, non è affatto uguale per tutti gli oggetti dell'Universo. E che quindi il modello standard viene fuori da presupposti sbagliati.

Ho letto l'articolo e conosco molto bene i suoi autori. Loro si riferiscono in particolare ai quasar. Quando Hubble osservò per la prima volta che l'Universo è in espansione, vide che tutte le galassie si allontanavano velocemente l'una dall'altra. E pose in relazione diretta distanza e red shift. Per quanto ne so anche Hoyle e gli altri coautori credono che le galassie abbiano un red shift, perché anch'essi credono nell'Universo in espansione. In alcuni casi è stato provato che anche per i quasar distanza e red shift sono in relazione diretta. Ma i cinque del "manifesto di Cardiff" sostengono che in alcuni casi il red shift dei quasar possa avere una diversa origine, come la grande forza di gravità. Non so se è vero. Ma in ogni caso non è necessario parlare di nuova fisica. Red shift e gravità sono certo correlati. E questa correlazione è già prevista dalla relatività.

Un'altra critica contenuta nel "manifesto di Cardiff" si basa sulla omogeneità della radiazione di fondo. è troppo omogenea per essere compatibile con la formazione delle galassie e con la poco omogenea distribuzione della materia visibile nell'universo. L'ipotesi però che ci sia altra materia, e che questa materia sia oscura, non visibile, e abbia una distribuzione più omogenea e quindi compatibile con la radiazione di fondo, scrivono i cinque, è un'ipotesi ad hoc mai provata. Tirata fuori, in una catena perversa, per sostenere un'altra teoria non provata, quella dell'Universo inflazionario. Le chiedo: esiste davvero la materia oscura? E perché dovrebbe essere costituita, come Lei propone, di neutrini?

Sì, l'isotropia della radiazione di fondo non è solo una prova della teoria del big bang. è anche una difficoltà. Proverò a collegare l'ultima delle sue domande alla prima. La mia ipotesi, del tutto speculativa, è che un neutrino decada in un fotone ad alta energia ogni 10 alla 23 secondi. Ciò potrebbe spiegare anche la grande isotropia della radiazione di fondo. La mia teoria, infatti, prevede e richiede che la radiaziione di fondo sia isotropa. Perché ciò che probabilmente è accaduto nell'Universo primordiale è che i fotoni prodotti dal decadimento dei neutrini hanno interagito con gli atomi di idrogeno, separando protoni da elettroni. Creando una grande quantità di elettroni liberi. Così l'azione della galassia primordiale, che con la sua anisotropia stava creando una inomogenea distribuzione della radiazione di fondo, potrebbe essere stata annullata, vanificata dalla interazione tra gli elettroni liberi e i fotoni prodotti dal decadimento dei neutrini. Creando, per via statistica, una radiazione omogeneamente diffusa. Questa può essere la soluzione del problema. Il suo costo? Beh, è quello di credere nella mia ipotesi. Che, ripeto, è del tutto speculativa.
Ma veniamo alla domanda sulla materia oscura. è vero, la teoria dell'Universo inflazionario è quasi certamente una teoria non vera. In ogni caso non è mai stata provata. è una magnifica suggestione. Ma solo una suggestione. Tuttavia della materia oscura abbiamo bisogno in ogni caso per spiegare la formazione delle galassie. Noi infatti vediamo ruotare queste galassie attorno al proprio asse a causa della gravità con una velocità molto più elevata di quella che la materia visibile può giustificare. è evidente che deve esserci altra materia che non vediamo. Materia, appunto, oscura, che determina questa fortissima attrazione gravitazionale. Tutti, che io sappia, concordano sul fatto che abbiamo bisogno di una certa quantità di materia oscura per dare una spiegazione non tanto a ipotesi speculative, ma ai fatti reali che osserviano nell'Universo. Ora, non è necessario che ci sia tanta materia oscura quanta ne prevede l'ipotesi di un Universo chiuso. Che la materia oscura sia cioè il 95% della massa dell'Universo. Ma è certo che se c'è materia oscura nelle galassie, deve esserci materia oscura tra le galassie. Il problema aperto dunque non è se esista o meno la materia oscura. E di nuovo sostengo che ci sono buone ragioni per ritenere che sia costituita da neutrini. Non necessariamente neutrini che decadono. Possono esere anche neutrini stabili. Ma è davvero molto probabile che la materia oscura sia fatta di neutrini. Non fosse altro che per il fatto che tutti gli altri candidati sono oggetti speculativi, la cui esistenza non è mai stata provata. Mentre sappiamo che i neutrini esistono. E sappiamo anche quanti ce ne sono in giro. Quello che non sappiamo è se siano o no neutrini "grassi", cioè dotati di massa. Bene, penso che con tutta probabilità la materia oscura è fatta di neutrini "grassi". Grassi, e magari anche un po' instabili.

In conclusione, sopravviverà il modello standard alle critiche che sta ricevendo? E, soprattuto, possiamo modificare la teoria del big bang per superare i suoi punti di crisi?

Oh, non ci sono dubbi, il modello standard in cosmologia sopravviverà facilmente ai suoi critici. Il vero problema è la sua seconda domanda. Noi abbiamo bisogno di modificare la teoria del big bang, perché abbiamo bisogno di una più completa teoria della relatività. Di una nuova teoria dello spazio e del tempo in grado di superare lo scoglio finora inavvicinabile della singolarità iniziale.