L'espansione implica che la densità dell'universo sta diminuendo. Viceversa, nel passato l'universo doveva essere più denso e più caldo. In linea di principio, andando abbastanza indietro nel tempo possiamo raggiungere l'istante nel quale le dimensioni dell'universo si annullano, densità e temperatura divengono infinite, e si ha una singolarità. Se l'espansione fosse avvenuta a velocità costante, l'inverso della costante di Hubble misurata attualmente, 1/H0, darebbe direttamente il tempo trascorso a partire da quell'istante iniziale.
Georges Lemaître per primo suggerì, nel 1931, che l'intero universo potesse essere nato a partire da un atomo primordiale. La fisica dell'epoca non era matura per affrontare il problema, e l'idea di Lemaître fu ripresa soltanto dopo la seconda guerra mondiale. Nel 1948 il fisico Gamow e i suoi collaboratori studiarono le reazioni nucleari che avrebbero potuto verificarsi quando l'universo era caldo e denso.
Che l'universo non fosse eterno appariva però ancora inaccettabile a diversi fisici ed astronomi; nel 1949, nel corso di un popolare programma radiofonico della BBC, l'ipotesi di un'origine dell'universo fu battezzata sprezzantemente "idea del Big Bang" dall'astrofisico inglese Fred Hoyle, il quale propose in alternativa, contemporaneamente ai colleghi Bondi e Gold, un universo in espansione ma immutabile, senza un'origine nel passato, e con densità costante nel tempo: per compensare la diminuzione di densità dovuta all'espansione, Hoyle ipotizzò la creazione continua di nuova materia. In questo caso, dunque, stelle e galassie nascono, invecchiano e muoiono, ma vengono regolarmente sostituite da altre. L' universo ha pertanto le stesse proprietà non solo nello spazio, come nel caso del Big Bang, ma anche nel tempo: questa è l'essenza del cosiddetto principio cosmologico perfetto. Le due teorie si sono fronteggiate per diversi anni, ma le osservazioni hanno alla fine confermato la validità del Big Bang.
È forse bene chiarire prima che cosa si intende oggi per teoria
del Big Bang. Essa non pretende di descrivere l'istante iniziale,
ma è in grado di spiegare in che modo dalla fase ad alta
densità e temperatura in cui si trovava l'universo nei primi
secondi di vita si è arrivati all'universo che noi osserviamo.
In effetti sappiamo che la relatività generale non è
più idonea a descrivere l'universo negli istanti iniziali, quando
la scala dell'universo era confrontabile con la cosiddetta
lunghezza di Planck, 10-33cm, ovvero quando l'universo
aveva un' età di
10-43 secondi, dobbiamo prendere
in considerazione gli effetti quantistici; purtroppo non disponiamo
ancora di una teoria che unifichi meccanica quantistica e
relatività generale, e non è ancora possibile sapere
se la nuova teoria eliminerà o no la singolarità
iniziale. La miglior candidata a questo ruolo appare essere la
teoria delle supercorde, ma è difficile al momento attuale
prevederne gli sviluppi.
Una prima conferma del Big Bang viene dal confronto fra l'età delle stelle più vecchie e l'età dell'universo, stimata a partire dall'inverso della costante di Hubble (occorre in realtà scegliere anche un modello cosmologico). Si ottengono infatti età comprese fra i 12 e i 15 miliardi di anni: il che rappresenta un ottimo accordo, considerando gli errori sulle osservazioni e le incertezze sui vari parametri.
Il successo più importante della teoria del Big Bang rimane comunque la spiegazione delle abbondanze degli elementi. Attorno al primo secondo di vita, l'universo era composto da protoni, neutroni, elettroni, fotoni, e neutrini. Per qualche minuto, finché temperatura e densità furono abbastanza elevate, una serie di reazioni nucleari portò alla formazione di nuclei di elio (due protoni e due neutroni legati dalle forze nucleari) e, in misura minore, di altri elementi leggeri. Le abbondanze previste dalla teoria del Big Bang sono in buon accordo con le osservazioni, che mostrano come l'elemento più diffuso nell'universo sia l'idrogeno (75%), seguito dall'elio, mentre gli elementi più pesanti rappresentano soltanto una frazione trascurabile della densità totale. Con il procedere dell'espansione, e la conseguente diminuzione di densità e temperatura, la nucleosintesi primordiale si è arrestata. Gli elementi più pesanti che ritroviamo in abbondanza sulla Terra e che sono essenziali per la vita, come il carbonio, l'azoto o l'ossigeno, sono stati invece prodotti dalla fusione nucleare all'interno delle stelle. Le stelle risplendono infatti per gran parte del tempo trasformando idrogeno in elio, e solo nell'ultima parte della loro vita esse sintetizzano elementi più pesanti. Le prime stelle più massicce — quelle, cioè, che consumano il loro combustibile nucleare più in fretta — hanno diffuso nello spazio interstellare gli elementi pesanti da loro sintetizzati esplodendo come supernovae. Questi elementi sono poi finiti nel gas che, per contrazione gravitazionale, ha dato origine ad altre stelle, come il nostro Sole. Vedremo meglio in seguito la problematica aperta dalla relazione fra le proprietà osservate dell'universo e la vita, ma si può già sottolineare il fatto che la nostra esistenza appare legata ad una straordinaria catena di coincidenze, che si possono far risalire in ultima analisi ai valori delle costanti fisiche fondamentali.
Dopo la nucleosintesi, vi è stato un altro evento importante che costituisce un'ulteriore conferma della validità del Big Bang. Alcune centinaia di migliaia di anni dopo l'istante iniziale, la temperatura si abbassò fino a poche migliaia di gradi, permettendo ad elettroni e protoni di legarsi in modo stabile, formando atomi neutri di idrogeno: è l'epoca della ricombinazione. Soltanto allora la luce cominciò a propagarsi liberamente nello spazio: l'universo divenne così "trasparente". Con l'espansione, la lunghezza d'onda di quei fotoni è via via aumentata, e la loro energia diminuita: noi oggi ci ritroviamo ancora immersi in un oceano cosmico di fotoni, la cui temperatura equivale soltanto a 2,73 gradi sopra lo zero assoluto. Si tratta della cosiddetta radiazione cosmica di fondo, osservata per la prima volta nel 1965 da Penzias e Wilson; le osservazioni successive a varie lunghezze d'onda, e in particolare quelle del satellite della NASA COBE (COsmic Background Explorer), hanno confermato che essa ha le caratteristiche previste dalla teoria del Big Bang. Non solo: con il Very Large Telescope europeo in Cile sono state recentemente compiute osservazioni di una lontana nube di gas ad un redshift superiore a 2. Poiché la velocità della luce è finita, quanto più è lontano un oggetto, tanto maggiore è il tempo che la sua luce impiega per raggiungerci. Dunque le suddette osservazioni mostrano come era la nube nel lontano passato, quando l'universo aveva un' età di pochi miliardi di anni, e permettono di stimare quale fosse allora la temperatura della radiazione di fondo, che risulta effettivamente più elevata di quella attuale, come previsto dalla teoria del Big Bang.