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La quarta stagione della sitcom americana The Big Bang Theory è stata trasmessa negli Stati Uniti dal canale CBS dal 23 settembre 2010 al 19 maggio 2011, ottenendo un'audience media di telespettatori, risultando così una delle serie TV più seguite della stagione televisiva statunitense 2010-2011.

Durante la produzione della stagione, l'attrice Kaley Cuoco è rimasta vittima di un incidente mentre andava a cavallo, rompendosi una gamba. Conseguentemente è stata costretta a saltare le riprese di due episodi: il quinto e il sesto. Nella storia della serie è stata la prima volta che uno dei membri del cast principale non è apparso in un episodio.

Dalla quarta puntata di questa stagione, Melissa Rauch, quando è presente in un episodio, viene accreditata come parte del cast principale e non nei titoli di coda. Stessa cosa succede con Mayim Bialik dal decimo episodio di questa stagione.

In Italia, la stagione è trasmessa in prima visione sul canale digitale Steel di Mediaset Premium dal 6 marzo al 14 agosto 2011. In chiaro è stata trasmessa da Italia 1 dal 12 dicembre 2011 al 13 gennaio 2012.

nº Titolo originale Titolo italiano Prima TV USA Prima TV Italia 1 The Robotic Manipulation La manipolazione robotica 23 settembre 2010 6 marzo 2011 2 The Cruciferous Vegetable Amplification L'esaltazione dei vegetali cruciferi 30 settembre 2010 13 marzo 2011 3 The Zazzy Substitution L'alternativa del surrogato felino 7 ottobre 2010 20 marzo 2011 4 The Hot Troll Deviation La deviazione del troll virtuale 14 ottobre 2010 27 marzo 2011 5 The Desperation Emanation L'emanazione empirica dell'angoscia 21 ottobre 2010 3 aprile 2011 6 The Irish Pub Formulation La formulazione del pub irlandese 28 ottobre 2010 10 aprile 2011 7 The Apology Insufficiency L'insufficienza delle scuse 4 novembre 2010 17 aprile 2011 8 The 21-Second Excitation L'eccitazione dei 21 secondi 11 novembre 2010 24 aprile 2011 9 The Boyfriend Complexity La complessità del fidanzato 18 novembre 2010 1º maggio 2011 10 The Alien Parasite Hypothesis L'ipotesi del parassita alieno 9 dicembre 2010 8 maggio 2011 11 The Justice League Recombination La ricombinazione della lega della giustizia 16 dicembre 2010 15 maggio 2011 12 The Bus Pants Utilization L'utilizzo dei pantaloni da autobus 6 gennaio 2011 22 maggio 2011 13 The Love Car Displacement Il dislocamento nell'auto dell'amore 20 gennaio 2011 29 maggio 2011 14 The Thespian Catalyst Il catalizzatore guittesco 3 febbraio 2011 5 giugno 2011 15 The Benefactor Factor Il fattore benefattore 10 febbraio 2011 12 giugno 2011 16 The Cohabitation Formulation La formula della coabitazione 17 febbraio 2011 19 giugno 2011 17 The Toast Derivation La derivazione del brindisi 24 febbraio 2011 26 giugno 2011 18 The Prestidigitation Approximation L'approssimazione della prestidigitazione 10 marzo 2011 3 luglio 2011 19 The Zarnecki Incursion L'incursione Zarnecki 31 marzo 2011 10 luglio 2011 20 The Herb Garden Germination La germinazione delle erbe aromatiche 7 aprile 2011 17 luglio 2011 21 The Agreement Dissection La dissezione dell'accordo 28 aprile 2011 24 luglio 2011 22 The Wildebeest Implementation L'implementazione dello gnu 5 maggio 2011 31 luglio 2011 23 The Engagement Reaction La reazione al fidanzamento 12 maggio 2011 7 agosto 2011 24 The Roommate Transmogrification La trasmutazione del coinquilino 19 maggio 2011 14 agosto 2011

La manipolazione robotica Titolo originale: The Robotic Manipulation Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Chuck Lorre, Lee Aronsohn e Dave Goetsch (soggetto); Steven Molaro, Eric Kaplan e Steve Holland (sceneggiatura) Trama Howard ha costruito un braccio robotico che servirà per la Stazione spaziale internazionale e ne mostra le potenzialità agli amici facendogli servire la cena. Durante il pasto Penny viene a conoscenza della relazione tra Sheldon e Amy e delle particolari circostanze del loro incontro. Dopo aver saputo che Sheldon e Amy hanno discusso della possibilità di avere insieme un figlio "perfetto" grazie all'inseminazione artificiale, Penny convince Sheldon a chiedere un appuntamento ad Amy e conoscerla almeno dal vivo prima di affidarsi alla tecnologia. Nel frattempo Howard, a casa sua, utilizza il braccio robotico per farsi massaggiare la spalla. Il massaggio è talmente soddisfacente che gli viene un'idea: usare il braccio robotico per masturbarsi. Ma il congegno si blocca ed il suo pene rimane intrappolato nella morsa della mano robotica. Chiama quindi Leonard e Raj, che accorrono in suo aiuto portandolo in ospedale, non mancando di ironizzare sull'accaduto. All'appuntamento tra Amy e Sheldon, quest'ultimo si fa accompagnare da Penny, che è costretta quindi a passare con loro la serata, faticando a sviluppare con loro un argomento di conversazione. Nel finale, Penny convince Sheldon a non utilizzare la procreazione in vitro minacciando di rivelare tutto alla sua religiosissima madre, mentre Howard rimane nuovamente vittima del braccio robotico.

Guest star: Vernee Watson (Althea), Carol Ann Susi (voce della signora Wolowitz) Ascolti USA: telespettatori

L'esaltazione dei vegetali cruciferi Titolo originale: The Cruciferous Vegetable Amplification Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Bill Prady, Lee Aronsohn e Steve Holland (soggetto); Chuck Lorre, Steven Molaro e Jim Reynolds (sceneggiatura) Trama Sheldon riesce a calcolare l'anno in cui le anime umane si fonderanno con i robot per vivere in eterno, ma scopre con disappunto che la sua aspettativa di vita è di poco inferiore. Per allungarla è determinato a fare una vita più sana: per prima cosa decide di cambiare il suo menu fisso del giovedì, sostituendo la pizza con i cavoletti di Bruxelles, ma finisce con l'avere curiosi problemi intestinali. Successivamente tenta di fare jogging con Penny, ma fin dall'inizio incontra notevoli difficoltà e finisce per cadere dalle scale del condominio prima ancora di iniziare. Dopo aver constatato quindi che gli è impossibile fare una vita più sana, decide di rimanere per sempre a letto e di interagire con il mondo esterno tramite una specie di robot telecomandato. Come previsto dal regolamento interno dei coinquilini, Leonard è costretto a portare in giro il robot, ma quando tutti vanno alla Fabbrica del Cheesecake per pranzare, attraverso la telecamera del robot Sheldon nota la presenza di Steve Wozniak, uno dei creatori della Apple. Così decide di abbandonare il suo rifugio per raggiungerlo e farsi fare un autografo, ma rimane nuovamente vittima di un incidente.

Guest star: Steve Wozniak (sé stesso) Ascolti USA: telespettatori – share 13%

L'alternativa del surrogato felino Titolo originale: The Zazzy Substitution Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Chuck Lorre, Bill Prady e Jim Reynolds (soggetto); Lee Aronsohn, Steven Molaro e Maria Ferrari (sceneggiatura) Trama Il gruppo di amici è esasperato dagli interventi puntigliosi e spesso fuori luogo degli "Shamy", ma è proprio il carattere troppo simile e competitivo dei due scienziati a portarli, durante una discussione sul valore della fisica rispetto a quello della neurobiologia, alla rottura del loro rapporto. Nonostante Sheldon inizialmente non sembri accusare il colpo, la mancanza di Amy lo spinge a sostituire la ragazza con un gatto, dott. Robert Oppenheimer. Nel giro di poco tempo i gatti diventano una dozzina (ognuno chiamato con il nome di un famoso fisico), quindi Leonard, preoccupato per l'amico e per la presenza della colonia di gatti in casa, chiede aiuto alla madre di Sheldon, Mary, invitandola a risolvere la situazione. Mary farà rincontrare gli "Shamy", e con l'uso della psicologia inversa farà in modo che i due appianino le loro divergenze e ristabiliscano il rapporto. Alla fine Sheldon si libera della colonia di gatti aiutato da Amy, anche pagando i bambini del quartiere per adottarli.

Guest star: Laurie Metcalf (Mary Cooper) Ascolti USA: telespettatori

La deviazione del troll virtuale Titolo originale: The Hot Troll Deviation Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Chuck Lorre, Steven Molaro e Adam Faberman (soggetto); Bill Prady, Lee Aronsohn e Maria Ferrari (sceneggiatura) Trama Howard vuole a tutti i costi rifidanzarsi con Bernadette, biologa e cameriera come Penny alla Fabbrica del Cheesecake. Wolowitz confessa imbarazzato alla bionda amica che lui e la ragazza si sono lasciati, tra l'altro senza aver mai consumato sessualmente il rapporto, a causa di un suo presunto "cyber-tradimento" nel gioco di ruolo online World of Warcraft con un utente il cui alias risponde al nome di "Glissindra La Troll". Nel frattempo, Sheldon collabora ad un progetto con Rajesh e non mancano scintille: i due si ritrovano a farsi la guerra nell'ufficio del dottor Cooper dopo che Koothrappali si è vendicato dell'iniziale diniego del fisico teorico ad avere una scrivania propria su cui poter lavorare, piazzandone una enorme e pomposa (definita da Sheldon brobdingnagiana) nella stanza ed ostruendo il passaggio al legittimo proprietario. La tesa situazione amorosa spinge Wolowitz a chiedere a Penny di fare da intermediaria, affinché metta una parola buona per la riconciliazione tra l'ingegnere e Bernadette: quest'ultima si decide ad accettare un caffè con Howard, e permettergli di spiegarsi. La coppia si chiarisce; stabilito che le azioni di Howard non sono reputabili come tradimento autentico e nonostante l'intraprendenza dello scienziato a voler riprendere la relazione dal punto clou, Bernadette nel loro ultimo appuntamento lo convince a reimpostare la relazione da zero, per conoscersi meglio. Intanto, in seguito ad uno "scivolone" di Raj, il contrasto tra Sheldon e l'astronomo resta momentaneamente in sospeso.

Guest star: Katee Sackhoff (sé stessa), George Takei (sé stesso), Carol Ann Susi (voce della signora Wolowitz) Ascolti USA: telespettatori – share 13%

L'emanazione empirica dell'angoscia Titolo originale: The Desperation Emanation Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Bill Prady, Lee Aronsohn e Dave Goetsch (soggetto); Chuck Lorre, Steven Molaro e Steve Holland (sceneggiatura) Trama Amy Farrah Fowler vorrebbe presentare Sheldon a sua madre, ma la cosa sembra preoccupare molto il giovane scienziato, visto che lui insiste ancora nel dire che Amy è una sua amica ma non la sua ragazza. Quando Leonard gli rivela che vista la situazione questa è una cosa che adesso non può più dire, Sheldon impazzisce e cerca subito di interrompere il rapporto con Amy. La ragazza però gli spiega che è solo per fare un piacere a sua madre e che non vuole assolutamente diventare seriamente la sua ragazza, e Sheldon ritrova la felicità. Dal suo canto Leonard è frustrato dal fatto che Howard ha Bernadette, Sheldon ha Amy, Stuart ha una donna conosciuta al Comic-Con e addirittura Raj una ragazza sorda (in modo da eliminare il problema del mutismo selettivo); decide quindi di invocare un vecchio patto con Wolowitz. Così Howard convince Bernadette a fissare un appuntamento per Leonard con una sua amica, una donna di nome Joy esperta di fitness e arti marziali. Questo appuntamento finisce con l'essere il peggiore della sua vita, ma, nonostante ciò, Leonard accetta un secondo appuntamento con Joy solo per rincorrere la possibilità di avere un rapporto sessuale con lei.

Guest star: Annie O'Donnell (signora Fowler), Charlotte Newhouse (Joy), Carol Ann Susi (voce della signora Wolowitz) Ascolti USA: telespettatori – share 13%

La formulazione del pub irlandese Titolo originale: The Irish Pub Formulation Diretto da: Mark Cendrowski Scritto da: Chuck Lorre, Lee Aronsohn e Steven Molaro (soggetto); Bill Prady, Eric Kaplan e Maria Ferrari (sceneggiatura) Trama