tre lunghi minuti

La maggior parte delle persone è disposta ad accettare l'idea che l'universo come lo conosciamo abbia avuto inizio d'improvviso con un'immensa esplosione, ma inevitabilmente propone due domande connesse e peraltro difficili: Che cosa ha causato il big bang? Che cosa è accaduto prima? Gli interrogativi sulle origini delle cose sono sempre affascinanti, e nessuno più di quello sull'origine ultima dell'universo. Come può cominciare a esistere qualcosa che non esisteva prima? Soltanto un tipo di spiegazione appare intuitivamente soddisfacente: la nuova entità deve in qualche modo derivare dalla trasformazione di una diversa entità precedente. «Dal nulla giammai può nascere cosa veruna» scrisse Lucrezio, «Non ci sono pasti gratis» direbbero oggi gli anglosassoni.
Può darsi. Ma quando l'entità di cui si parla è l'intero universo, questa semplice massima può non valere più. Alcuni cosmologi, quanto meno, credono che l'universo possa essere il più grande pasto gratis.
Fred Hoyle, che rifiutava in blocco la teoria del big bang, ironizzava dicendo che la teoria del big bang spiega che l'universo è com'è perché era com'era.
Le discussioni sull'origine ultima dell'universo sono notoriamente scivolose, e quindi è meglio procedere con cautela per evitare di accrescere la confusione. Adottiamo, per un momento, un modello ovviamente falso dell'universo: una palla di materia perfettamente sferica circondata da uno spazio vuoto infinito. Sappiamo che l'universo si espande, e quindi la sfera dovrebbe dilatarsi con il tempo. Nel passato era più piccola. Se facciamo procedere l'espansione a ritroso per 13,7 miliardi di anni, la sfera si riduce a un unico punto, privo di estensione. E poi...? Poi, più nulla: la sfera è scomparsa! Facciamo svolgere la sequenza in avanti, e l'universo compare dal nulla in un singolo punto, si dilata e alla fine espandendosi raggiunge proporzioni cosmiche. Ora chiediamoci che cosa si intende per «nulla» nella descrizione precedente. Chiaramente si tratta dello spazio vuoto. Se questo resoconto coglie l'essenziale del modo in cui l'universo ha cominciato a esistere, siamo di fronte a un enigma. Perché una palla di materia dovrebbe comparire all'improvviso senza provenire da nessuna parte, in un particolare momento del tempo e in un particolare punto dello spazio vuoto preesistente? Quale sarebbe la causa che fa accadere l'evento e lo fa accadere proprio allora e proprio lì? Non c'è nessuna risposta soddisfacente.
Un enigma similare affliggeva la teologia cristiana delle origini. «Che cosa faceva Dio prima di creare l'universo?» schernivano gli scettici. Se Dio è perfetto e immutabile, come sostenevano i teologi, non c'è nulla che possa privilegiare un particolare momento del tempo per la creazione dell'universo, rispetto all'infinità di momenti precedenti in cui lo stesso Dio, nello stesso stato, non lo aveva creato. La risposta più scaltra alla domanda su che cosa facesse Dio era: «Si occupava di fare l'inferno per quelli come te!». Ma la critica è decisamente sensata e profonda, dato che mette in luce la nozione apparentemente contraddittoria di essere eterno che agisce nel tempo. Una risposta sagace fu data da sant'Agostino, che riconobbe come il problema stesse non nella natura di Dio, ma nella natura del tempo.

Riporterò la risposta di Agostino tra breve, ma prima vorrei prendere in considerazione un modello più realistico del big bang.
L'universo non è una palla di materia circondata da spazio vuoto. Ma la superficie della palla potrebbe essere una buona rappresentazione dello spazio. Si rammenti però qui che lo spazio è tridimensionale, mentre la superficie di una palla è bidimensionale. Quindi questa è una rappresentazione analogica, non una descrizione esatta: l'interno della palla e lo spazio circostante non fanno parte dell'universo fisico che stiamo discutendo ora. Servono solo a facilitare la visualizzazione. Alcuni a questo punto si arrendono perché non riescono a figurarsi con l'occhio della mente una, superficie sferica tridimensionale (un'ipersfera), ma cerchiamo di andare avanti.
Di nuovo, proiettiamo il film a ritroso. La superficie della palla si contrae verso il centro finché tutti i punti della superficie convergono in un unico punto dello spazio. E poi... più nulla. Ma in questo caso il «nulla» non è il vuoto circostante perché l'unico spazio che interessa - lo spazio fisico - è rappresentato dalla superficie della sfera, e la superficie è completamente svanita. Quindi questa volta il nulla prima del big bang è davvero «nessuna cosa»: né materia né spazio. Nulla. L'universo reale, naturalmente, è fatto di qualcosa di più dello spazio in espansione: c'è anche la materia. Quando lo spazio viene compresso fino a raggiungere un volume nullo, la densità della materia diventa infinita, ed è così a prescindere dal fatto che lo spazio sia infinito o finito: in entrambi i casi c'è una compressione infinita della materia fino a una densità infinita.
I matematici chiamano una situazione del genere con il nome di singolarità. In questo quadro, quindi, il big bang ha origine da una singolarità.

Il tema della singolarità ha a che fare con un altro fraintendimento piuttosto comune. Nel racconto del film proiettato a ritroso, ho descritto la singolarità come il punto in cui l'universo svanisce. Ma perché doveva svanire? La singolarità non avrebbe potuto semplicemente rimanere dov'era? Laddove il tempo procede in avanti, ci sarebbe stata una singolarità - si può pensare, volendo, a un punto di densità infinita, a un uovo cosmico privo di struttura e di estensione - esistente da tutta l'eternità che all'improvviso avrebbe fatto «bang!». In quel caso, ciò che c'era prima del big bang non sarebbe più stato «nulla»; sarebbe stato «una singolarità». Alcuni resoconti divulgativi dell' origine dell'universo accreditano questa debole idea. Ma non è sostenibile.
Non si può avere tempo senza spazio, né spazio senza tempo, e quindi se lo spazio non può estendersi a ritroso attraverso la singolarità del big bang, neppure il tempo lo può. Questa conclusione ha un'implicazione di grande importanza. Se l'universo è delimitato da una singolarità nel passato, il big bang non fu soltanto l'origine dello spazio, ma anche l'origine del tempo. Ripeto: anche il tempo ebbe origine con il big bang. Ciò risolve elegantemente l'imbarazzante questione di che cosa sia accaduto prima del big bang. Se non esisteva il tempo prima del big bang, la domanda è priva di significato. Allo stesso modo, anche le congetture su che cosa abbia causato il big bang sono fuori luogo, perché le cause normalmente precedono gli effetti. Se prima del big bang non c'era tempo (né luogo) in cui potesse esistere un agente causale, non possiamo attribuire alcuna causa fisica al big bang. Molti si sentono presi in giro quando gli si presenta questo argomento, e a volte si irritano perché lo prendono come uno scaltro gioco di parole utilizzato da astuti scienziati per confondere i loro detrattori. I malevoli dicono che i cosmologi evitano di dare una risposta chiara su che cosa accadde prima del big bang perché non lo sanno e non vogliono ammetterlo.
È vero che i cosmologi non conoscono la risposta, ma non perché non siano capaci di inventarsi qualche ipotesi. Di solito obiettano: come è possibile che il tempo compaia così? Qualcosa deve aver preceduto il big bang. Ed è vero che troviamo difficile immaginare di risalire sempre più indietro nella storia dell'universo fino a un punto in cui il tempo di colpo si arresta. Ma in realtà il concetto non è né assurdo né nuovo. Sant'Agostino l'aveva già formulato nel V secolo, allorché la sua meditata risposta alla domanda su che cosa facesse Dio prima di creare l'universo fu che «il mondo non è stato creato nel tempo ma col tempo». Il Dio di Agostino è un essere che trascende il tempo, un essere collocato al di fuori del tempo e responsabile della creazione del tempo oltre che dello spazio e della materia. In questo modo Agostino evitò abilmente il problema del perché la creazione fosse avvenuta in quel momento piuttosto che in qualche altro momento precedente. Non c'erano stati momenti precedenti. Un ragionamento identico vale per il problema scientifico. Se l'universo ha avuto origine «nel tempo» non può essere stato causato da alcun processo fisico che abbia una probabilità finita di verificarsi, perché in tal caso quell'evento sarebbe già accaduto, un tempo infinito prima.

Liberamente tratto da UNA FORTUNA COSMICA (Paul Davies)