Con cosmologia non standard si definisce l'insieme dei modelli cosmologici proposti in alternativa al modello standard della cosmologia basato sul Big Bang. Il termine è usato anche per descrivere teorie che accettano un Big Bang, ma che differiscono dal modello standard per particolari leggi fisiche che avrebbero regolato l'origine e l'evoluzione dell'universo.
Nella storia della cosmologia diversi scienziati hanno criticato la teoria del Big Bang, rifiutandone le assunzioni fondamentali o aggiungendone di nuove necessarie a sviluppare nuovi modelli teorici dell'universo. Dagli anni quaranta fino ai sessanta la comunità degli astrofisici era divisa tra sostenitori del Big Bang e sostenitori di teorie concorrenti basate sul modello dello stato stazionario. In seguito a successivi avanzamenti in campo osservativo il Big Bang divenne la teoria dominante e da allora solo pochi ricercatori attivi ne discutono la validità. Le teorie non basate sul Big Bang sono considerate attualmente scienza di confine e spesso pubblicate su editoria a pagamento e riviste marginali.
Tra gli esponenti storici e attuali della cosmologia non standard classica figurano diversi nomi del mondo scientifico principalmente del XX secolo: tra essi Fred Hoyle, Paul Dirac, Kurt Gödel, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, Halton Arp, Jayant V. Narlikar, Hannes Alfvén, Eric Lerner, Dennis Sciama, Ernst Mach, Thomas Gold, Hermann Bondi, Fritz Zwicky, Christof Wetterich, Mordehai Milgrom, Johan Masreliez.
Ipotesi fondamentali
Prima che fossero disponibili delle osservazioni, i fisici teorici svilupparono un quadro di lavoro basato su proprietà generali accettate della fisica e su assunzioni filosofiche sull'universo. Quando Albert Einstein sviluppò la teoria della relatività generale, questa fu usata come punto di partenza per la maggior parte delle teorie cosmologiche (inclusi il modello standard della cosmologia e le teorie di universo stazionario). Per ottenere un modello cosmologico, tuttavia, era necessario fare ipotesi sulle caratteristiche dell'universo a grandi scale. Le ipotesi sulle quali si basa il Big Bang sono:
L'universalità delle leggi fisiche, cioè che le leggi della fisica non cambiano in luoghi e tempi diversi. Il principio cosmologico, cioè che l'universo è, almeno in prima approssimazione, omogeneo e isotropo nello spazio (ma non necessariamente nel tempo). Il principio copernicano, cioè che la Terra non è un punto di osservazione privilegiato dell'universo (ossia, la Terra non si trova in un punto particolare dell'universo e quindi le osservazioni compiute da un altro pianeta dovrebbero coincidere con quelle compiute dalla Terra)
Quando questi assunti sono applicati alle equazioni di campo di Einstein portano a prevedere: La contrazione o l'espansione dell'universo (l'universo non può essere statico), L'universo si sarebbe originato da uno stato molto caldo e denso esistente in un tempo finito nel passato, La creazione (nucleosintesi primordiale) degli elementi leggeri, La presenza in tutto lo spazio di una radiazione cosmica di fondo, testimonianza di una transizione di fase che avvenne quando l'abbassamento della temperatura permise a protoni ed elettroni di formare atomi neutri e la libera diffusione dei fotoni.
Queste caratteristiche furono derivate da numerosi scienziati su un lungo periodo di anni. L'ultima caratteristica fu osservata e confermata solo intorno alla metà del ventesimo secolo.
Le cosmologie non standard si svilupparono partendo da diverse assunzioni iniziali o contraddicendo le previsioni del Big Bang.
Storia La moderna cosmologia, così com'è attualmente studiata, nacque come disciplina scientifica nel periodo successivo al dibattito Shapley-Curtis e alle scoperte di Edwin Hubble della scala delle distanze cosmiche, nel quale gli astronomi e i fisici si resero conto che l'universo aveva una struttura più grande di quella precedentemente ipotizzata (cioè che l'intero universo fosse costituito esclusivamente dalla Via Lattea). Gli scienziati che riuscirono a sviluppare una cosmologia che si adattasse a queste nuove strutture sono ricordati come i fondatori della cosmologia e sono, tra gli altri, Edward Arthur Milne, Willem de Sitter, Alexander Friedman, Georges Lemaître e Albert Einstein.
Dopo la conferma, tramite le osservazioni, della legge di Hubble, i due modelli cosmologici dominanti nella comunità scientifica furono la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, Thomas Gold e Hermann Bondi e la teoria del Big Bang di Ralph Alpher, George Gamow e Robert Dicke mentre altre teorie alternative avevano un minor numero di sostenitori. Dalla scoperta della radiazione cosmica di fondo da parte di Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson nel 1965, la maggior parte dei cosmologi giunse alla conclusione che la teoria del Big Bang verificava meglio queste osservazioni. I sostenitori degli altri modelli cosmologici cercarono quindi di spiegare questo nuovo fenomeno, in modo che le loro teorie rimanessero verosimili. Questo portò a nuovi approcci, come l'estinzione astronomica, che cercavano di spiegare la presenza di una radiazione di fondo a microonde che permeasse il cielo senza che questa fosse causata da una transizione di fase nei primi istanti della storia dell'universo.
Nonostante il declino nell'interesse delle cosmologie alternative a causa dell'incapacità di spiegare la radiazione cosmica di fondo, vi furono due periodi in cui esse tornarono in auge a causa di alcune osservazioni che misero in difficoltà la teoria del Big Bang: il primo accadde alla fine degli anni settanta, quando un buon numero di questioni, come il problema dell'orizzonte, il problema dell'universo piatto e quello del monopolo magnetico, non erano ancora stati risolti dalla teoria del Big Bang; queste problematiche furono risolte con l'introduzione dell'inflazione cosmica negli anni ottanta, che divenne parte della comprensione del Big Bang. Il secondo periodo avvenne nella metà degli anni novanta quando le osservazioni dell'età degli ammassi globulari e dell'abbondanza dell'elio primordiale sembravano in disaccordo con le previsioni del Big Bang. Alla fine degli anni novanta e all'inizio degli anni duemila ulteriori dati ricevuti da COBE e da WMAP erano invece consistenti con le previsioni della cosmologia standard.
Nel ventunesimo secolo le cosmologie alternative non sono considerate veritiere dai cosmologi, poiché le caratteristiche principali del Big Bang sono state confermate da un numero sufficientemente elevato di osservazioni. Una ben nota lettera di numerosi sostenitori della cosmologia non-standard afferma che oggi, virtualmente tutte le risorse finanziarie e sperimentali sono spese negli studi sul Big Bang...[il che] impedisce il prosieguo di un dibattito e l'impossibilità di una ricerca alternativa. An Open Letter to Closed Minds, New Scientist (2004) Nondimeno, la comunità dei fisici e astronomi sostiene che la cosmologia non-standard non riesce a spiegare la maggior parte delle prove sperimentali come la teoria del Big Bang.
Negli anni novanta il dibattito e lo studio della cosmologia tornò in auge dopo la scoperta che l'espansione dell'universo è in accelerazione. Prima di questo si presumeva che la materia, sia nella forma barionica sia sotto forma di materia oscura, fosse l'energia dominante dell'universo. Questa struttura dovette essere cambiata dopo che si scoprì che il 70% dell'energia presente nell'universo era dovuta a una sorta di energia oscura. Questo ha portato allo sviluppo del cosiddetto modello ΛCDM, il quale è in accordo con un universo in espansione nel quale la densità varia con il tempo. Nel XXI secolo è più facile trovare nella letteratura scientifica proposte per cosmologie non standard che accettino i principi base della cosmologia del Big Bang, anche se alcune parti possono venire modificate. Queste teorie includono modelli alternativi di energia oscura come la quintessenza, l'energia fantasma e qualche idea dei concetti del mondo-brana, modelli alternativi di materia oscura, come le teorie di MOND (acronimo di MOdified Newtonian Dynamics), alternative a o espansione del concetto di inflazione, come l'inflazione caotica e il modello ekpirotico e proposte per l'introduzione di condizioni primarie dell'universo come la condizione al contorno di Hartle-Hawking, il modello ciclico e il string landscape. Al momento non c'è consenso tra i cosmologi riguardo a queste ipotesi, che rimangono tuttora dei campi attivi per la ricerca.
Cosmologie non standard Le cosmologie non standard possono essere raggruppate a seconda delle ipotesi o degli aspetti dell'universo del Big Bang con cui sono in contraddizione.
Cosmologie metriche alternative La Metrica di Friedmann - Lemaître - Robertson - Walker, necessaria per le teorie del Big Bang e per la teoria dello stato stazionario, è emersa nel decennio successivo allo sviluppo della relatività generale di Einstein ed è stato accettata come modello per l'universo dopo la scoperta di Hubble dell'omonima legge. All'inizio non era chiaro come trovare una "soluzione dell'universo" alle equazioni di Einstein che permettesse un universo infinito, senza fine e immutabile (per ragioni filosofiche gli scienziati del tempo ipotizzavano che l'universo dovesse avere tali caratteristiche). Anche dopo lo sviluppo delle teorie dell'universo in espansione, quando si cercava un'alternativa alla relatività generale, ci si impegnava in questo esercizio. Qualsiasi teoria alternativa alla gravità implica una teoria cosmologica alternativa, in quanto il modello accettato dipende dalla relatività generale come quadro di riferimento. Ne fanno parte alcuni modelli basati su scenari gravitazionali alternativi, come i primi tentativi di ricavare soluzioni cosmologiche dalla relatività.
Cosmologia newtoniana
Anche se non seriamente sostenuta da nessuno dopo lo sviluppo della relatività di Einstein, la Legge di gravitazione universale di Isaac Newton può essere utilizzata per modellare l'universo e per ricavare non rigorosamente le equazioni di Friedmann utilizzate nell'universo del Big Bang. Questa cosmologia non standard è per lo più utilizzata come un esercizio elementare per studenti di astronomia e fisica, e non rappresenta una seria proposta alternativa, anche se la gravità newtoniana è considerata parte importante della teoria dell'universo oscillante, che tuttavia è basata sul modello di Einstein.
Universi di Lorentz
Prima dello sviluppo completo della relatività generale, Arthur Milne aveva offerto una cosmologia basata sulle trasformazioni di Lorentz, avendo queste la peculiarità di essere applicabili a un universo di qualsiasi dimensione. Si basava sul rifiuto della curvatura dello spazio, contraddicendo così le ipotesi della relatività generale sulla forma dell'universo a causa della massa in esso contenuta. L'universo di Milne è ancora utilizzato come modello di un ipotetico "universo vuoto".
Cosmologie basate sulla prima relatività generale