Cosmologia e l'Universo: Dalla Singolarità del Big Bang all'Espansione Accelerata

Definizione e Concetti Fondamentali

L'Universo è la totalità di spazio e di tempo, tutte le forme di materia, l'energia e lo slancio, le leggi e le costanti fisiche che li governano. Tuttavia, il termine universo può essere utilizzato in diversi sensi contestuali, per riferirsi a concetti come il cosmo, il mondo o la natura.

Età e Dimensioni

Osservazioni astronomiche indicano che l'Universo ha un'età di 13,73 ± 0,12 miliardi di anni e una larghezza di almeno 93 miliardi di anni luce.¹ L'evento che si pensa abbia dato inizio all'Universo è chiamato il Big Bang. In quel momento, tutta la materia e l'energia dell'Universo osservabile erano concentrate in un punto a densità infinita. Dopo il Big Bang, l'Universo ha cominciato ad espandersi per raggiungere la sua condizione attuale, e continua a farlo.

Il Paradosso dell'Espansione e la Relatività

Secondo la teoria della relatività speciale, la materia non può muoversi più velocemente della velocità della luce. Può sembrare paradossale che due oggetti nell'Universo possano essersi divisi a 93 miliardi di anni luce di distanza in un tempo di soli 13 miliardi di anni. Tuttavia, questa separazione non è in contrasto con la teoria della **Relatività Generale**, poiché essa riguarda solo il movimento *nello* spazio, ma non lo spazio stesso, che può espandersi a un tasso più elevato, non limitato dalla velocità della luce. Pertanto, due galassie possono essere separate l'una dall'altra più velocemente della velocità della luce se lo spazio tra di loro si espande.

Le misurazioni della distribuzione spaziale e il *redshift* (spostamento verso il rosso) di galassie lontane, la radiazione cosmica di fondo e le percentuali relative degli elementi chimici più leggeri sostengono la teoria dello spazio in espansione e, più in generale, la teoria del Big Bang, che postula che lo spazio stesso sia stato creato da zero in un tempo specifico nel passato.

Le Forze e le Leggi che Governano l'Universo

Materia ed Energia Oscura

Recenti osservazioni hanno dimostrato che questa espansione sta accelerando e che la maggior parte della materia e dell'energia nell'Universo è fondamentalmente diversa da quella osservata sulla Terra, e non è direttamente osservabile (Vedere la **Materia Oscura** e l'**Energia Oscura**). L'imprecisione delle osservazioni attuali ha limitato le previsioni circa il destino finale dell'Universo.

Gli esperimenti suggeriscono che l'Universo è stato disciplinato dalle stesse leggi fisiche e costanti in tutta la sua estensione e storia. La forza dominante nelle distanze cosmiche è la gravità, e la teoria della **Relatività Generale** è la più corretta per descriverla. Le altre tre forze fondamentali e le particelle su cui operano sono descritte dal **Modello Standard**. L'Universo ha almeno tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale, ma non si possono escludere sperimentalmente extra-dimensioni troppo piccole. Lo *spazio-tempo* sembra essere connesso con facilità e senza intoppi, e lo spazio ha una curvatura media molto piccola, in modo che la geometria euclidea sia, come regola generale, applicabile con precisione a livello globale.

Cosmologia e Modelli Teorici

In filosofia, l'Universo è chiamato *mondo*, o l'insieme di tutto ciò che accade.

La scienza modella l'Universo come un sistema chiuso che contiene energia e materia legate allo spazio-tempo ed è principalmente governato da principi di causalità.

Sulla base delle osservazioni dell'Universo osservabile, i fisici tentano di descrivere il continuo spazio-tempo in cui siamo, insieme a tutta la materia e l'energia esistenti in esso. Il loro studio, su scala più grande, è oggetto della **Cosmologia**, una disciplina basata su astronomia e fisica, che descrive tutti gli aspetti di questo Universo e i suoi fenomeni.

Il Modello del Big Bang e l'Inflazione Cosmica

La teoria attualmente più accreditata sulla formazione dell'Universo, proposta dal belga vallone **Lemaître**, è il modello del *Big Bang*, che descrive l'espansione dello spazio-tempo da una singolarità spazio-temporale. L'Universo ha subito un rapido periodo di **Inflazione Cosmica** che ha eliminato tutte le irregolarità iniziali. Da allora, l'Universo si è espanso ed è diventato stabile, più freddo e meno denso. Variazioni minime nella distribuzione di segregazione di massa hanno provocato una struttura frattale in porzioni che si trovano nell'Universo presente come ammassi di galassie.

Il Destino Finale dell'Universo

Quanto al destino finale, la prova attuale sembra sostenere la teoria della dilatazione permanente dell'Universo, mentre altri sostengono che la Materia Oscura possa esercitare una forza gravitazionale sufficiente a fermare l'espansione e a far sì che tutta la materia venga compressa, in quello che gli scienziati chiamano *Big Crunch*.