Il primo secondo

I primi momenti di vita dell’Universo creano sempre discussioni e anche un po’ di confusione. Vorrei cercare di dare una rappresentazione divulgativa (anche se forse un po’ troppo semplificata) dei primi vagiti del Cosmo. Forse qualche dubbio sarà sciolto e chi vorrà potrà andare nei dettagli. Ho seguito la teoria più accreditata, ma ve ne sono molte altre…

Le limitazioni della Scienza attuale non ci permettono ancora di arrivare a descrivere il momento “zero” dell’Universo, il Big Bang. Si ipotizza di essere in presenza di una singolarità, ossia di un punto senza dimensioni in cui è racchiusa tutta l’energia. Nemmeno si può sapere cosa abbia dato inizio all’espansione (ossia al vero e proprio Big Bang) ed è questo il punto fondamentale che contraddistingue Scienza e Religione. La prima accetta il fatto compiuto, la seconda invoca la presenza di un “via” dato dall’esterno.

Comunque sia, il primo istante in cui la scienza inizia a descrivere qualcosa si riferisce a 10-43 secondi dopo il Big Bang. In altre parole, zero virgola quarantadue zeri e poi 1.

Da questo momento inizia quella che si chiama cosmologia quantistica. L’Universo è troppo piccolo perché si possa applicare la fisica normale e allora si ipotizza che in questo periodo tutto avvenga su scala subatomica. Le “particelle” (anche se non ha senso chiamarle in questo modo dato che niente hanno a che fare con la fisica classica) – o se preferite i “quanti” – che vivono hanno nomi strani che noi non conosciamo nella realtà presente. E’ il periodo in cui si deve utilizzare una fisica subatomica peculiare per descrivere le fasi dell’Universo. Esso è incredibilmente caldo, piccolo e denso. L’area occupata (con il nostro metro attuale) dovrebbe essere di 10-33 cm (pari a zero, seguito da 32 zeri e poi 1, centimetri). Energia e massa sono inseparabili ed esiste solo una forza unificata. La temperatura raggiunge 1032 gradi Kelvin (o se volete anche Celsius…la differenza è ben poca a quei livelli). La teoria della relatività non può assolutamente spiegare questa fase e ci vogliono teorie diverse.

Si deve perciò passare rapidamente da scala subatomica a scala atomica, perché è questo ciò che vediamo oggi. Ci vuole qualcosa di speciale e di sconvolgente: un’espansione enorme e velocissima, la cosiddetta inflazione. Nel giro di impercettibili frazioni di secondo l’Universo raddoppia le sue dimensioni un numero incredibile di volte. Durante questa rapidissima espansione la temperatura scende drasticamente. All’istante pari a 10-35 secondi dopo il Big Bang la materia si separa dall’energia. Nasce la materia barionica che è quella osservabile. Probabilmente ha origine anche la materia oscura, che però non riusciamo a vedere se non attraverso gli effetti che lei induce sulla materia barionica. A 10-32 secondi dopo il Big Bang l’Universo ha la grandezza di circa dieci centimetri ed è composto – forse – da un solo tipo di particelle. A 10-31 secondi l’Universo ha un diametro di trecento metri. Dalla particella unica si passa a quark, elettroni, fotoni, neutrini. La forza forte si stacca dalla forza debole. A 10-11 secondi la forza elettrodebole si divide in forza elettromagnetica e forza debole: le quattro forze sono ora distinte. Si crea anche l’antimateria che dovrebbe equiparare come quantità la materia. Le particelle si annichiliscono tra loro, ma “fortunatamente” sopravvivono particelle di materia che andranno a formare l’Universo in cui viviamo. A 10-11 secondi nasce la cosmologia delle particelle.

Questo è il limite a cui si può giungere con gli esperimenti di laboratorio come quelli del CERN. I fotoni sono abbondantissimi, ma la densità dell’Universo è troppo alta perché la luce possa filtrare. A 0.01 secondi nasce finalmente la cosmologia standard. Da questo momento le attuali conoscenze riescono a dare spiegazioni abbastanza precise. L’espansione continua e la temperatura scende ancora. Le particelle subatomiche si uniscono insieme, formando neutroni e protoni. Allo scadere del primo secondo si formano probabilmente i nuclei degli elementi più leggeri, come l’idrogeno (soprattutto sotto la forma del suo isotopo deuterio), elio e litio. Si attua il processo della nucleosintesi. L’Universo è però ancora troppo denso e caldo perché gli elettroni possano unirsi ai nuclei e creare gli atomi.

Il periodo più complesso e agitato è terminato. Poi le cose diventano più … tranquille.

Scusate la grande semplificazione che ho dovuto attuare. I più esperti non me ne vogliano e non comincino a criticare andando nei particolari: lo scopo dell’articolo è solo quello di cercare di dare uno schema di massima per affrontare letture più impegnative.

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21 Commenti

  1. Quello che non ho mai capito bene è che l’universo alle origini era un buco nero ben al di sotto del limite di Schwarzschild, lo è ancora adesso? 🙄

  2. Affascinante, la teoria del big bang.
    Ma ci sono cose che non mi tornano:
    1) Nella fase iniziale si parla di “cosmologia quantistica”. Ma come si fanno ad applicare le teorie quantistiche su di un universo che ha sicuramente delle proprietà diverse da quelle odierne? Anche se solo la geometria è diversa, non ne implica un’applicazione diversa delle leggi quantistiche?
    2) C’è sicuramente una fase di transizione, in cui valgono le attuali leggi dell’universo, applicate però a un universo estremamente denso. Non ne deriverebbe la creazione di un’enorme buco nero e lo stop all’espansione del cosmo?
    Secondo me, continuiamo ad applicare le leggi attuali ad un qualcosa che non somiglia per niente a quello che sperimentiamo oggi. Una teoria del tutto dovrebbe prevedere una transizione graduale e necessaria dalla fase iniziale allo stato attuale…..
    Chi ne sa di più mi illumini!!! Please!!

  3. caro Red,
    la teoria quantistica potrebbe benissimo applicarsi al tipo di universo delle fasi iniziali. Anzi, forse deve la sua descrizione proprio a situazioni singolari di quel genere. Il punto (2) invece non riesco a capirlo perfettamente. Il fatto stesso che la materia non è collassata nuovamente, ma si è espansa, dimostra che la densità non era tale da creare un buco nero. La massa si separa dall’energia dopo l’inflazione -si pensa almeno-.

  4. è vero che nel momento dell’inflazione le particelle hanno superato la velocità della luce per cui non è possibile applicare la teoria della relatività…
    che bell’articolo! lo aspettavo da tempo! Grazie!

  5. Caro Enzo,
    quello che critico nella cosiddetta “cosmologia quantistica” è che è formulata partendo dalle osservazioni dell’universo nello stato ATTUALE e non in quello PRIMORDIALE. Per me è arbitrario attribuire le stesse regole che valgono per lo stato attuale a uno spazio – tempo che sicuramente non aveva le caratteristiche che ha oggi.
    Le leggi che conosciamo oggi sono solo casi particolari di un sistema più generale; quindi la teoria quantistica non è altro che un caso particolare della teoria del tutto, e ha con essa il rapporto che c’è tra la gravitazione di Newton e quella di Einstein.
    Applicarla a condizioni primordiali è illecito, secondo me.
    Difatti, quando la si considera, gli integrali di percorso utilizzati sono a 4 dimensioni spaziali, e per adattarli al nostro universo bisogna fare una trasformazione chiamata “continuazione analitica”. Cioè si ammette implicitamente che lo spazio – tempo era diverso…. (spero di aver capito bene il discorso…)
    Il punto 2 è la ripetizione dello stesso discorso: tu dici che la densità non era tale da prevedere il collasso dell’universo in un buco nero.
    Ma sicuramente era più denso dell’universo attuale (anche subito dopo l’inflazione), in cui i buchi neri CI SONO in condizioni di densità nettamente inferiori.
    E’ evidente che l’universo seguiva leggi diverse da quelle attuali…..

  6. Salve a tutti, colgo al balzo l’ottimo articolo per una domanda che mi perseguita da molto tempotempotempotempotempotempotempo. Spero non dimostrarmi più capra di quanto non lo sia di già in una materia tanto affascinante quanto difficile. Quando si parla di tempo nell’immediatezza del big bang, gli si attribuisce la stessa valenza attuale oppure gli si attribuisce una durata diversa? In altre parole: il primo secondo dalla singolarità in poi ha la stessa durata di quello attuale o si ipotizza un valore via via diverso fino al quello odierno e quindi in continuo cambiamento ma sempre legato allo spazio-tempo ?

  7. E se fossimo in una specie di “buco nero”?
    Mi riallaccio all’articolo ‘E se fossimo solo un “verme” nella sua tana?’
    Ad ogni modo ha senso parlare di dimensioni quando “all’esterno” non c’è nulla?
    O meglio non ha senso parlare di esterno.
    Dando una dimensione ad un oggetto ne definisco il suo limite e il suo centro, ha senso parlare del ‘centro’ della ipersfera quadridimensionale dell’universo?
    Il centro della dimensione tempo è il big bang ma il centro delle atre 3 dimensioni esiste?
    Se potessi fare una battuta direi che mi ricorda lavecchia storiella del rabbino che a chi gli domandava cosa facesse Dio prima di creare il mondo rispondeva stava creando l’Inferno per quelli che fanno simili domande.

  8. caro Red,
    il fatto che la teoria quantistica sia un sottoprodotto della particellare non mi trova pienamente d’accordo. io direi il contrario. E’ proprio la nostra che è un caso che può derivare dalla prima. Premetto che non sono un esperto quantistico, ma la quantistica è la sola che può spiegare le condizioni iniziali e non mi sembra costruita a partire dalla particellare. potrei però sbagliarmi…

    Sulla densità non trovo problemi. Oggi ci sono i buchi neri, ma non ovunque. solo dove la densità arriva a certi livelli che probabilmente non erano raggiunti dovunque nell’Universo primitivo, anche se più denso di oggi. In certe zone si saranno sicuramente creati, ma dopo il primo secondo per definizione…

    il discorso si complica e non poco e le risposte sono ancora molto aleatorie. il CERN può produrli, ma dopo il primo secondo (ha bisogno dei protoni e di altre particelle).

    ciao!!

  9. caro Roberto,
    il secondo è il nostro secondo. Tuttavia, tienamo conto che per velocità dell’ordine di quella della luce il tempo visto da fuori subisce dilatazioni importanti.

    caro walter,
    siamo ad un punto terribile: la definizione del nulla! Fuori dall’Universo c’era il nulla e si creva lo spazio e il tempo a mano a mano che il Cosmo si espandeva (ma non “dentro” qualcosa).
    mamma nia!!! 😯

  10. Caro Enzo,
    sicuramente mi sbaglio io. In fondo, l’esperto sei tu…
    Ma consentimi di rimanere caparbiamente nel mio errore…
    Non sarebbe bello, altrimenti!! :mrgreen:

  11. Mamma mia…quante cose successe in un tempo infinitamente inferiore ad un battito di ciglia… Da diventar matti solo a pensarci!

    Chissa’ un secondo prima cosa c’era! Beh, non essendoci ancora il tempo mi direte che non ha senso dire “un secondo prima” della nascia del tempo stesso…buuuu…vado a bermi un tequilino x rinfrescarmi le idee!

  12. Sul discorso della formazione dei buchi neri… visto che sono i primi istanti e si sta in quel momento formando la materia, è possibile che ancora non se ne era creata abbastanza (ancora pura energia); oppure non si erano “auto-definite” quelle che oggi chiamiamo leggi di gravitazione; od ancora la forza (o energia) che ha portato all’inflazione non ha permesso l’auto aggregarsi della materia per formare un buco nero.

  13. Grazie Enzo per l’attenzione, mi faccio bastare “un secondo è il nostro secondo”. In un secondo hai spazzato via una una costruzione tanto fantastica quanto poco scientifica; classico esempio di “profaneria acuta”. Tanto fantastica, che se hai voglia di leggerla magari ti potrà servire per una delle tue veramente-fantastiche storie.
    Primo ed unico punto fisso è l’universo in espansione. PUNTO
    Tutto il resto lo discutiamo. Cambiano le leggi fisiche: passano dalla singolarità alla meccanica quantistica, dalla comologia delle particelle a quella standard, anche se non so cosa esattamente significhi. Regole diverse per situazioni diverse; spettacolare. La velocità della luce non fa eccezione, sempre velocità massima ammissibile; ma in continua evoluzione, come lo spazio entro cui si muove ed il tempo che di conseguenza “crea”. Quindi in un universo più piccolo anche il valore di C sarà inferiore; ciò che non cambia è il “periodo” per attraversare l’intero sistema spazio-tempo, e ciò in un qualsiasi momento della sua formazione. Inevitabile sarà l’aumento del valore assegnato al “nostro secondo” quanto più si ritorna nel passato e con conseguente aumento del valore di C quanto più si procede verso il futuro. Secondo questa fantastica costruzione, il “nostro secondo” impallidisce di fronte al valore del “primo secondo”, e l’universo avrebbe così potuto fare le cose con molta calma al momento della sua nascita, senza la frenesia dei tempi moderni.
    Scusa per il mio ardire, spero non aver oltrepassato il limite concesso dalla tua disponibilità togliendoti così la voglia di lavorare in un sito tanto bello.

  14. caro Roberto,
    il tuo racconto è bellissimo e ti ringrazio. D’altra parte non è nemmeno troppo sbagliato… Noi oggi abbiamo la possibilità di vedere qualcosa che ha caratteristiche fisiche al limite della scienza, come getti di materia che viaggino ad una velocità prossima a quella della luce. E li possiamo vedere dal nostro punto di riferimento, quindi con il nostro scorrere del tempo. Non possiamo certo vederli col metro temporale di una particella che si muove dentro al getto. Per lei il tempo scorre normalmente, ma a noi sembra quasi infinito. E’ la stessa cosa che capita se potessimo entrare dentro l’orizzone degli eventi di un buco nero: vedremmo tutto l’universo scorrere velocissimo dato che un nostro secondo sarebbe milioni e milioni di anni di quello fuori.
    Tornando quindi alla tua visione perfettamente logica e brillante: se nel primo secondo TUTTA l’energia e la materia viaggiava a velocità della luce, il tempo sarebbe stato quasi infinito per un ipotetico osservatore esterno che ovviamente non poteva esserci. Il secondo quindi era un secondo locale e avresti ragione tu… In altre aprole: per la materia che si stava formando la durata era di un SECONDO, ma per l’esterno -in quiete- che, ripeto, non esisteva, sarebbe stato lunghissimo. D’altra parte quando un oggetto si avvicina a un buco nero noi lo vedremmo rallentare sempre più fino a fermarsi al limte dell’orizzonte degli eventi, in quanto ha raggiunto la velocità della luce e quindi -per noi- il tempo non scorrerebbe più. ma l’astronava invece non si accorgerebbe di niente dato che il SUO tempo scorre normalmente. Spero di non averti confuso, ma in fondo avevi perfettamente ragione…

  15. Scusate la mia intrusione: forse, il primo secondo (o meno; il primo attimo in assoluto) è anche l’unico attimo UGUALE per tutto l’universo.
    In definitiva, essendo l’universo risolto in una singolarità, non è possibile costruire un sistema di coordinate alternativo.
    E’ l’unico istante che non è relativo, ma assoluto per tutto il cosmo.
    E’, appunto, il confine tra il nostro universo e il nulla….
    Azz… è più metafisica che fisica……

  16. La luce che invoca il sig. Red è in breve il nulla nel senso che da 0sec a 10^-43sec si erge il muro di Planck cioè, per quello che so, la non validità di nessuna delle leggi fisiche (classica e/o quantistica).

  17. Grazie Enzo, metto subito alla prova la mia comprensione azzardando una rischiosa analogia più …umana. Si può paragonare lo scorrere del tempo visto “dall’interno di un qualsiasi istante”, dalla singolarità fino ai nostri giorni, alla velocità di una gigantesca trottola in rotazione che, privata della forza centrifuga, contenga al proprio interno vari osservatori disposti a distanze diverse dal centro? Secondo quanto ho capito, essi non si accorgerebbero delle loro rispettive differenti velocità proprio come succederebbe allo scorrere del tempo percepito da punti diversi dello spazio-tempo, mentre le differenze risulterebbero palesi viste da un osservatore esterno sia alla trottolona 😀 sia al nostro benedetto universo.

  18. Soggetto di straordinario interesse…l’universo che ancora si espande…l’universo in inflazione secondo Hubble…ed accelera l’espansione secondo i cosidetti ‘cercatori di supernove’…poi i multiversi…che potrebbero fare senso.
    Hawking che pensa e ripensa ai ‘Coni’ , poi sembra ci ripensi ancora ed assieme ai sui amici inglesi , descrive un universo a coppa di champagne ove il tempo sul fondo della coppa è un numero immaginario…e farebbe senso un numero immaginario…con il tempo in perfetta quadratura con le altre dimensioni dello spazio….penso….

    Certo che CERN o no…. ipotizzare il contenimento di tutta l’energia e materia di quello che parzialmente percepiamo adesso (trascuro dark matter ed energy)…..in una singolarità pura (il vertex del cono di Hawcking)…sembra quasi incredibile…e come giustamente fai notare tu…..cosa ha aperto il vaso di Pandora del big bang ??????

    Non credo che esista alcuna teoria accettata di chi che cosa abbia aperto il Vaso di pandora …o altra ragionevole teoria…..o almeno io NON la conosco……dato che non sono affatto esperto.

    Preferisco gli universi a ‘brane’…che sembrano più in linea con concezioni più moderne…ma again… magari quelli del CERN e in particolare del LHC che giocano con le particelle strane…..se mi leggono si incavolano…o ridono.

    L’argomento risulta veramente interessante…io ritengo… e ritengo siamo ancora piuttosto lontani da un modello universalmente accettato dell’origine e struttura del NS universo.

    E’ un soggetto che va ripreso con le altre teorie (non è che il Big bang sia l’unica)

    Buoni commenti…

    ciao a tutti

    claudio

  19. vorrei consigliare un libro ben fatto sull’argomento anche se non si intitola primo secondo bensi
    “i primi tre minuti” di Weinberg

  20. Argomento decisamente interessante, anche per i profani come me… d’altra parte e’ il fascino dell’origine. Mi fa pensare a Creuzer (mi sembra che fosse lui), un mitologo, che parlava di come il primo passo fosse inconoscibile…
    Ed in effetti non possiamo che fare teorie, verificarle, falsificarle e cosi’ via. In fin dei conti se la scienza cercasse la Verita’ e non fosse semplice ricerca di sapere e comprensione, sarebbe una religione!
    Ciao a tutti, grazie per lo spazio e per l’ottimo articolo!