Anche se presenta ancora qualche problema ed è stata più volte messa in discussione, viene oggi considerata un'ipotesi di lavoro attendibile

Ma che cosa è successo nelle prime fasi della vita dell'Universo?

L'Universo secondo i fisici non cominciò all'istante zero, bensì ad un istante detto "tempo di Planck", 10-43 secondi dopo il Big Bang

Prima di questo istante, esso era completamente inaccessibile, perché tutta la materia e l'energia che lo componevano erano così concentrate da costituire una "singolarità ": uno stato estremo che non fa parte della fisica che conosciamo

Al tempo di Planck, l'Universo era caldissimo (T=1032 gradi) ed aveva una dimensione di 10-33 cm. Successivamente si formarono le prime particelle, i quark, dai quali nacquero poi neutroni e protoni, con le relative antiparticelle. Materia e antimateria infatti sono sempre state presenti entrambe nell'Universo

Dopo 10-23 secondi, l'Universo era ancora piccolissimo, delle dimensioni di un protone. Da questo momento fino a 10-26 secondi dopo il Big Bang, protoni e antiprotoni si annichilarono, cioè si fusero trasformando le intere loro masse (m) in energia elettromagnetica (E), secondo l'equazione di Einstein E=mc2. In seguito comparvero elettroni ed antielettroni, che si annichilarono anch'essi.
Queste annichilazioni produssero enormi quantità' di energia, sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'Universo era dominato dalla radiazione e perciò questo periodo prende il nome di "era radioattiva"

Ad 1 minuto di età si formarono i primi nuclei atomici (deuterio, elio e litio) : la temperatura dell'Universo era scesa sotto i 10 miliardi di gradi, così i protoni e i neutroni rimasti cominciarono ad urtarsi con violenza minore ed a dar luogo alle prime reazioni di fusione nucleare

Dopo qualche migliaio di anni, l'Universo non era più dominato dalla radiazione, ma dalla materia; questa era però ancora immersa in una radiazione molto intensa ed energetica. La temperatura era ancora molto alta a quindi materia ed energia erano accoppiate, cioè si trasformavano continuamente l'una nell'altra.
Si dovette attendere fino a 300 mila anni dopo il Big Bang perché la temperatura scendesse ancora ed esse si disaccoppiassero: da quel momento l'Universo diventò trasparente alla radiazione. Nel frattempo gli elettroni si unirono ai nuclei per formare gli atomi

Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la temperatura era scesa sotto i 4000 gradi; gli elettroni si combinarono con i nuclei: la materia divenne in gran parte elettricamente neutra e la sua interazione con la radiazione diventò molto meno frequente. La materia poté quindi cominciare ad aggregarsi ed in seguito si formarono le prime protogalassie: gigantesche nubi di gas freddissimo (-220°C) che dettero origine alle galassie , per collasso gravitazionale, nel miliardo di anni successivo

Dopo circa 2-3 miliardi di anni dal Big Bang, le galassie cominciarono a riunirsi in ammassi e a 4 miliardi di anni si formarono le prime stelle.
L'Universo nel frattempo si era espanso e raffreddato, la radiazione era diventata molto meno energetica, cioè si era spostata a lunghezze d'onda maggiori: il tutto aveva cominciato ad assumere l'aspetto con il quale oggi lo conosciamo

L'orizzonte cosmologico e il modello inflazionario

Dato che la velocità della luce è finita, anche se molto grande, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti è partita milioni o miliardi di anni fa, quindi ci fornisce un'immagine di come queste erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro vita

Più distante è un oggetto nello spazio, più "giovane" lo vediamo. La galassia più vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista da noi "soltanto" due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti è possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi di anni luce, cioè molto giovani. Come abbiamo visto, più una galassia è distante e più velocemente si allontana da noi. Dato che la velocità di allontanamento di una galassia viene misurata tramite il redshift (spostamento verso il rosso) del suo spettro, le galassie lontanissime vengono dette "galassie ad alto redshift"

La loro osservazione è di estremo interesse per i cosmologi, dato che può fornire informazioni sull'Universo nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang. Per questo motivo sono stati costruiti strumenti astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble e i nuovi telescopi giganti a terra. Questi ultimi hanno diametri di 8-10 metri e sono dotati di particolari ottiche per correggere le deformazioni delle immagini dovute al disturbo atmosferico. Questi strumenti saranno in grado di compiere osservazioni sempre più profonde dello spazio, cioè sempre più indietro nel tempo

Non tutto l'Universo, comunque, è accessibile alle nostre osservazioni, indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla soltanto com'era 10 miliardi di anni fa, ma non com'era, poniamo, 8 miliardi di anni fa: la luce che essa ha emesso in quel momento ci arriverà solo tra 2 miliardi di anni

Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello spazio e del tempo (o meglio, dello spaziotempo) che sono a noi inaccessibili, così come parte del nostro passato è inaccessibile a galassie lontane. Questo definisce il cosiddetto "orizzonte cosmologico", cioè quel settore dello spaziotempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell'orizzonte non possiamo avere informazioni.

L'orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del Big Bang

Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un "segnale" (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto causale, nel senso che l'uno può provocare nell'altro un effetto in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione meccanica o un irraggiamento luminoso)

I segnali viaggiano nello spazio ad una velocità finita, quindi gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull'altro, si faranno sentire solo dopo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti essi sono. La regione dello spaziotempo entro la quale un corpo può avere con altri una relazione causa-effetto, si dice "orizzonte causale"

Dove sta il problema ? Anche se vi sono addensamenti di galassie ed ammassi e regioni relativamente "vuote", l'Universo appare nel complesso omogeneo e isotropo (cioè ha le stesse proprietà nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni dell'Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell'orizzonte causale dell'altra, sembrano avere proprietà simili. Nemmeno la luce, il segnale che viaggia più veloce, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto

Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso loro di "accordarsi" su proprietà simili ?

Nei primi anni '80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang, il cosiddetto "modello inflazionario"

Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10-35 secondi, l'Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta "inflazione", che nel giro di 10-32 secondi ha aumentato le sue dimensioni di un fattore 1050. Dopo questa fase, l'evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang

Prima della fase inflattiva l'Universo era così piccolo che le galassie che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene così risolto il problema dell'orizzonte, così come altri problemi della teoria classica del Big Bang

Qual è stata la causa del fenomeno inflazionario ? Secondo Guth, essa va ricercata nell'ambito delle teorie recenti della fisica, che cercano di unificare le quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella debole e quella nucleare forte. Queste quattro forze sarebbero manifestazioni diverse di un'unica interazione

Alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita dell'Universo, esse erano la stessa cosa; si sarebbero poi diversificate nel tempo, via via che l'Universo si raffreddava e si espandeva

Fu proprio durante questo processo di diversificazione che avvenne l'inflazione