El universo de Georges Lemaître
Por Dominique Lambert
Sacerdote y físico, Georges Lemaître fue uno de los fundadores de la
teoría de la gran explosión. Algunas de sus intuiciones, que defendió incluso
contra el mismo Einstein, se han revelado, cincuenta años más tarde, de una
importancia capital. Este trabajo de Dominique Lambert –del que ofrecemos un
extracto- publicado por la prestigiosa revista INVESTIGACIÓN Y CIENCIA (Abril
2002), muestra no sólo un interesante capítulo de la «historia del conocimiento»
de la historia del universo, sino también, indirectamente, cómo hombres de
profunda fe han convivido intelectualmente con científicos de la categoría de
Einstein –incluso han podido corregirle y enseñarle algunas cosas- sin la más
mínima dificultad para su fe ni para su crecimiento científico.
En 1933 Albert Einstein dio una serie de clases en la Fundación Universitaria
de Bruselas. Cuando un colega le preguntó si le habrían comprendido bien todos
los oyentes, respondió: "El profesor De Donder quizás, el canónigo
Lemâitre sin duda, los demás creo que no".
Se considera a Georges Lemaître uno de los fundadores de la teoría de la gran
explosión ("big bang"), en la que se basa la cosmología moderna. Como
fue además hombre de fe, algunos han pretendido que la hipótesis de un
cataclismo originario del universo en una fecha determinada del pasado
constituía, en su intención, una justificación científica de la creación
bíblica del mundo.
Así, el astrónomo británico Fred Hoyle, partidario, por razones filosóficas, de
un modelo de universo eterno, acuñó la expresión peyorativa "big
bang" para ridiculizar las ideas desarrolladas por Lemaître. Ironías del
destino, esa expresión se usa hoy, sin connotaciones negativas, para designar
una teoría respaldada desde entonces por numerosos hechos experimentales. En
cuanto a las convicciones científicas de Lemaître, se fundaban no en su fe
(siempre supo evitar toda confusión entre ciencia y creencia), sino en
argumentos matemáticos y físicos de sólido fuste. Algunos momentos señalados de
su carrera esclarecen la importancia científica de varias de sus intuiciones.
Un sacerdote en Cambridge
Georges Lemaître nació el 17 de julio de 1894 en Charleroi (Bélgica). En 1911
empieza los estudios de ingeniería de minas, por los que muestra poco
entusiasmo. A su regreso de la primera guerra mundial, cambia de orientación
para seguir la carrera de matemáticas y física, que termina en 1920. Ese mismo
año entra en el seminario de Malinas, donde, mientras se prepara para el
sacerdocio, continuó estudiando los trabajos que trataban de la relatividad,
restringida y general. Redacta una memoria titulada La física de Einstein, con
la que gana una beca que le permite, tras su ordenación el 22 de septiembre de
1923, partir a Gran Bretaña, para una estancia de un año en Cambridge. Allí
trabaja bajo la dirección de Arthur Eddington el astrónomo que cinco años antes
había confirmado lo que Einstein había previsto: que la fuerza de la
gravitación desvía los rayos luminosos que pasan cerca del Sol.
Prosigue sus estudios entre 1924 y 1935 en el Instituto de Tecnlogía de
Massachusetts y visita algunos de los epicentros de la astronomía mundial,
sobre todo el observatorio de monte Wilson, done se encontraba entonces el
mayor telescopio que se hubiese construido. Así el joven experto de las nuevas
teorías del espacio-tiempo entra en contacto con la astronomía en el momento
mismo en que va a nacer la cosmología científica.
¿En qué "contexto cosmológico se encontraba Lemaître? A mediados de los
años veinte, los astrónomos atribuían al universo observado un tamaño de unas
decenas de miles de años-luz, es decir, seis órdenes de magnitud menos que el
tamaño que se le concede hoy (de orden de diez mil millones de años luz).
Además, por un prejuicio heredado del siglo XIX, no se concebía que este
universo evolucionase; menos aún, que tuviese una edad finita.
En cuanto a su contenido, desde el siglo XVIII venían pensando los astrónomos
que las estrellas visibles del cielo se juntaban en un vasto disco plano, la
Vía Láctea, en cuyo seno residía el Sol. Ya en 1785 Immanuel Kant había
propuesto que las nebulosas espirales descubiertas por los astrónomos con sus
primeros telescopios eran agrupaciones gigantescas de estrellas parecidas a la
Vía Láctea. Hoy llamamos galaxias a esos "universos-isla" imaginados
por el filósofo alemán. En todo caso, hasta mediados de los años veinte del
siglo XX se consideraba que esa hipótesis era dudosa. De ella se seguía que
tales nebulosas tenían que encontrarse a millones de años luz y, sin embargo,
los astrónomos observaban en ellas explosiones regulares que, si sucedían a
semejantes distancias, debían liberar en muy poco tiempo cantidades de energía
que ninguno de los mecanismos físicos conocidos por entonces era capaz de producir.
Hoy se sabe que se trata de supernovas, de explosiones de estrellas gigantes,
en el curso de las cuales las reacciones termonucleares desprenden más luz que
miles de millones de estrellas.
Un universo eterno
El universo de los astrónomos de la época, por lejos que observasen, no
contenía más que una sola galaxia, la nuestra. ¿Es cerrado y de dimensión
finita? ¿Es infinito y, por consiguiente, está casi vacío? A partir de 1916 la
cuestión adquiere pleno sentido cuando Albert Einstein publica su teoría de la
relatividad general, que permite a los astrónomos construir modelos
cosmológicos diferentes a tenor de las hipótesis que se elijan. Einstein mostró
que podía considerarse a la gravedad una manifestación de la curvatura del
espacio-tiempo. Sus ecuaciones permiten calcular esa curvatura en cada punto
del universo, si se conoce la cantidad de materia (o energía) que haya allí. En
cuanto a la geometría global del universo, es posible, mediante algunas
hipótesis sobre la distribución de la materia y de la energía en su seno, dar
de ella una descripción rigurosa.
El primer modelo de universo propuesto por Einstein era una solución de sus
ecuaciones en la que el cosmos se reputaba cerrado y estático. En ese modelo,
el espacio es una "hiperesfera" de radio constante. Lo mismo que una
criatura plana que viviese "en" la superficie (bidimensional) de una
esfera vería su universo como un espacio curvo, finito aunque sin fronteras,
nosotros viviríamos en un espacio tridimensional que sería la "superficie"
de una hiperesfera (una esfera en un espacio tetradimensional). Para que el
radio de ese universo permaneciese constante (es decir, para que el peso de la
materia no provocara su hundimiento sobre sí mismo), Einstein presupuso la
existencia de una "fuerza de repulsión", capaz de contrarrestar los
efectos de la gravitación y de mantener el universo en equilibrio. Esa fuerza
interviene en las ecuaciones de la relatividad general en forma de una
constante, la llamada "constante cosmológica".
Poco después, el astrónomo holandés Willem De Sitter esbozaba otro modelo de
universo, solución igualmente de las ecuaciones de Einstein, donde el espacio
es infinito y nula la densidad de materia. Cuando Lemaître empieza a trabajar
en los problemas cosmológicos, la comunidad astronómica no se refiere más que a
esos dos modelos.
Un universo en expansión
Pero en 1925 el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubre en el
observatorio de monte Wilson que la "nebulosa" de Andrómeda dista de
nosotros varios millones de años luz; resurge la polémica sobre la naturaleza
de las "nebulosas". Georges Lemaître toma, pues, contacto con la
cosmología en el momento mismo en que torna a emerger la idea dé un universo
inmenso sembrado de galaxias.
Pies de fotos (en las páginas de la revista):
1. GEORGES LEMAÍTRE en noviembre de 1949, delante de las ecuaciones de la
relatividad general que ligan la geometría del espacio-tiempo a su contenido de
materia y energía. El factor constante A significa que el propio vacío está
dotado de cierta densidad de energía capaz de acelerar la expansión del
universo. Lemaître defendió esta "constante cosmológica" contra
Einstein, que la había abandonado muy pronto.
2. UNA CRIATURA BIDIMENSIONAL que viviese en la superficie de esta esfera
verificaría que su universo es finito (puede dar una vuelta completa a su
alrededor), pero que carece de fronteras. La geometría no es allí euclídea: la
suma de los ángulos de un triángulo (azul) es mayor que 180°, y hay
"rectas" (el camino más corto entre dos puntos) que, aunque
paralelas, se cortan a una distancia finita (por ejemplo, dos perpendiculares
al ecuador de la esfera se cortarán en el polo). Pero a pequeña escala la
geometría está muy cerca de la geometría euclídea. Muchos modelos de universo
estipulan que el espacio, euclídeo a nuestra escala, es la superficie de una
hiperesfera, un análogo tridimensional del mundo de la criatura plana.
Por otra parte, los astrónomos se disponen entonces a establecer que la luz que
recibimos de la mayoría de esas galaxias está desplazada hacia longitudes de
onda grandes (hacia el rojo), lo que parece indicar que se alejan muy veloces
de nosotros.
Así, Lemaître se ve conducido de forma natural a buscar una explicación de esa
"recesión" de las galaxias (independientemente del ruso Aleksander
Friedman). Propone en 1927 una tercera solución de las ecuaciones de Einstein:
el tamaño del universo crecería de manera exponencial y confluiría con los dos
grandes modelos de la época en un pasado y un futuro infinitamente remotos. En
un tiempo pasado muy distante, ese universo se comportaría como el universo
estático de Einstein; en el futuro, el universo de Lemaître tendería -su masa
es constante, su tamaño no deja de crecer- hacia el modelo de De Sitter,
totalmente vacío. En el intervalo entre ambos extremos, la expansión del
universo explicaría que las galaxias se alejaran unas de otras.
Por medio de esta solución, ya en 1927, Lemaître estableció la ley que gobierna
la recesión de las galaxias; estipula que dos galaxias se alejan mutuamente a
una velocidad proporcional a la distancia que las separa. A partir de un
catálogo de 42 galaxias de las que se conocía un orden de magnitud de las
distancias, así como las velocidades de escape, calcula la constante de
proporcionalidad en 625 kilómetros por segundo y megaparsec (es decir, dos
galaxias distantes entre sí un megaparsec, que es un poco más de tres millones
de años luz, se separarían entre sí a 625 kilómetros por segundo). De ese modo,
Lemaître es el primero en establecer teóricamente la ley... de Hubble, aunque
el valor que le da a la constante, llamada también "de Hubble", sea
exagerado. El astrónomo estadounidense se llevó los honores de la posteridad
porque fue el primero, dos años más tarde, en publicar una compilación detallada
de observaciones de las que se desprendía esa ley.
Con el modelo de 1927, Lemaître fue uno de los primeros cosmólogos que
concibieron un universo en evolución. Con todo, el universo no tiene todavía un
comienzo. ¿Por qué prefería Lemaître -momentáneamente- la idea de un universo
con un pasado infinito? Parece que esta elección derivaba de que sobrestimase
la constante de Hubble. En efecto, si el universo estaba hoy en una expansión
muy rápida, su tamaño, en un pasado bastante reciente, tuvo que ser mucho
menor. La inversa de la constante de Hubble da un orden de magnitud del período
reciente de la expansión.
Con un valor del orden de 625 kilómetros por segundo y parsec a Lemaître le
sale que el universo tiene menos de mil millones de años, edad inferior a los
dos mil millones que se le atribuían a la Tierra en su época. Este resultado se
basaba en el estudio de las concentraciones de uranio y plomo en las rocas más
antiguas; el valor que se admite hoy es de unos 4500 millones de años.
El modelo de universo en que el radio crece de manera exponencial supera la
dificultad al dar al universo un pasado infinito donde su tamaño es casi
constante y admitir un período de expansión reciente conforme al alejamiento
observado entre las galaxias. Hoy se atribuye a la constante de Hubble un valor
del orden de 70 kilómetros por segundo y megaparsec (se han mejorado
considerablemente las estimaciones de las distancias de las gálaxias). Se
deduce de ello que el universo tiene unos 14.000 millones de años, edad compatible
con los datos geológicos.
La formación de las galaxias
En el marco de sus modelos de universo en expansión Lemaître emprende una
primera descripción de la formación de las galaxias. Aprovecha para ello los
métodos que elaboró en los años 1924-25 cuando trabajaba en el Instituto de
Tecnología de Massachusetts. Eddington llamó entonces su atención sobre una
cuestión suscitada por los trabajos del astrónomo alemán Karl Schwarzschild,
que había encontrado una solución de las ecuaciones de Einstein que describía
el campo gravitatorio en el interior y el exterior de una bola de materia cuya
densidad se suponía constante (hipótesis que constituían un modelo muy
simplificado de estrella). La solución obtenida para el interior de la esfera
homogénea hacía aparecer una paradoja: al añadirle materia crecía su radio al
mismo tiempo que su masa, pero los cálculos mostraban que más allá de cierto
tamaño límite (y, por lo tanto, de cierta masa), la presión en el centro de la
estrella se volvía infinita. Parecía, pues, que no podía existir ningún astro
más allá de ese límite. Pero como señaló Eddington, la hipótesis de una
densidad uniforme de la materia era poco conforme con el espíritu de la
relatividad, pues en esa teoría la densidad de materia no es una magnitud invariante
(la masa puede transformarse en energía y unos observadores en movimiento entre
sí no medirán, para los mismos objetos, energías idénticas).
Lemaitre rehízo los cálculos de Schwarzschild abandonando la idea de una
densidad constante (sólo consideró constante una magnitud invariante de acuerdo
con la relatividad, la "traza del tensor energía-impulso", que
combina la densidad de energía y la presión de la materia). Mostró entonces, en
contra de lo que esperaba Eddington, que la paradoja descubierta por
Schwarzschild subsistía: hay realmente un radio más allá del cual ningún astro
podía estar en equilibrio.
Gracias a ese trabajo, Lemaitre pudo estudiar espacios de simetría esférica
llenos de un fluido cuya densidad no era necesariamente homogénea. En los años
treinta, con esa base, propuso un modelo donde las galaxias se formaban a
partir de fluctuaciones locales de la densidad de la materia en un universo en
expansión. En el marco del modelo las partículas de materia contenidas en el
universo se aglutinan al azar, obedeciendo a fluctuaciones estadísticas.
Aparecen zonas de densidad ligeramente superior a la media, que al derrumbarse
bajo su propio peso y atraer la materia circundante dan lugar a las galaxias,
reagrupadas luego en cúmulos de galaxias, las mayores estructuras observadas
hasta ahora en el universo. Lemaitre muestra entonces que el cálculo de los
cúmulos de galaxias engendrados conforme a su modelo concuerda con las
mediciones tomadas por Hubble para el cúmulo de Coma.
No obstante, hoy se sabe que las fluctuaciones concebidas por Lemaitre
(fluctuaciones estadísticas en un universo esencialmente homogéneo) no bastan
para producir las macroestructuras del universo. La radiación fósil captada por
el satélite COBE ofreció una imagen del universo a sus 300.000 años de edad que
revelaba la existencia de variaciones de la densidad, origen, así se cree, de
las macroestructuras. La idea de que las galaxias y los cúmulos de galaxias se
han formado a partir de condensaciones locales de materia sigue siendo hoy la
preferida por los astrónomos. Sin embargo, muchos astrofísicos piensan que su
origen estuvo más bien en fluctuaciones microscópicas de naturaleza cuántica
que se amplificaron en el curso de la inflación del universo (una fase de
expansión exponencial que habría multiplicado todas las distancias por un
factor 10 elevado a 50 en unos 10 elevado a -32 segundos).
La edad del universo
A principios de los años treinta Eddington contribuyó de nuevo a orientar el
rumbo de los trabajos de su antiguo alumno al despertarle un vivo interés por
la cuestión del origen del universo. En 1931 el astrónomo de Cambridge publicó
un artículo en la revista Nature en el que confesaba: "Desde una óptica
filosófica, me repugna la idea de que el presente orden de cosas haya tenido un
comienzo". Ante esa declaración de principios, Lemaitre reaccionó con la
publicación, en la misma revista, de una nota breve en la que mostraba que la
termodinámica y la mecánica cuántica podían dar un sentido físico a un comienzo
del mundo. En ese artículo describía un estado inicial del universo en el que
todos los cuantos de energía se juntaban en uno solo, al que denominaba
"átomo primitivo"; fuera de él las nociones de espacio y tiempo
carecían de sentido. Ese estado muy "ordenado" era inestable; a
partir del átomo primitivo, unas desintegraciones sucesivas, comparables a las
desintegraciones radiactivas, engendraban progresivamente la materia, el
espacio y el tiempo tal y como los conocemos hoy. Para Lemaitre,
"semejante comienzo del mundo está suficientemente alejado del presente
orden de cosas como para que no resulte repugnante del todo". La hipótesis
que anunciaba la moderna teoría de la gran explosión emprendía su camino.
Por lo demás, a principios de los años treinta Lemaitre muestra que el menor
cambio en la distribución de la densidad de materia del universo podía dar
ventaja sobre la gravedad a la fuerza de repulsión ligada a la constante
cosmológica. El equilibrio entre esas dos fuerzas sobre las que reposaba el
modelo estático de Einstein era, por consiguiente, inestable; debía bastar para
romperlo la formación de las galaxias a partir de las fluctuaciones de la
materia del universo. Así, parece imposible que el universo siga siendo
estático indefinidamente.
Tal y como la enuncia Lemaitre, la hipótesis del átomo primitivo es más una
intuición física que una teoría rigurosamente elaborada. Se corresponde con la
elección de un nuevo modelo cosmológico en el que la edad del universo es
finita. Se trata de un universo homogéneo, una hiperesfera cuya evolución
comienza por un estado de densidad infinita, una singularidad, que Lemaitre
considera el límite impuesto por las leyes clásicas de la relatividad cuando se
está cerca de las condiciones exóticas que reinaron en la época del átomo
primitivo. La evolución del universo está dominada por dos fuerzas, la
gravitación y la "fuerza de repulsión", cuya intensidad viene
determinada por la constante cosmológica. Este modelo, que defenderá hasta el
final de su vida, comprende tres fases características.
De la importancia de una constante
En el curso de la primera fase, que comienza con la singularidad inicial, el
universo entra en expansión y el espacio se llena con los productos de la
desintegración del átomo primitivo. La atracción gravitatoria que se ejerce
entre las partículas de materia frena progresivamente la expansión.
La segunda fase corresponde a un equilibrio entre la gravitación y la fuerza
repulsiva ligada a la constante cosmológica: el radio del universo permanece, momentáneamente,
casi constante, como en el universo de Einstein.
La tercera y última fase de la historia del universo según Lemaitre incluye la
época actual y empieza cuando la formación de macroestructuras y de las
galaxias rompe el equilibrio del período cuasi-estático y hace que se reanude
la expansión acelerada bajo el efecto de la constante cosmológica.
Lemaitre concedía mucha importancia a esta constante. Se oponía, pues, a
Einstein, que renunció a ella ("es el peor error de mi vida", habría
dicho) al mismo tiempo que el descubrimiento del distanciamiento entre galaxias
le obligó a abandonar su modelo de universo estático. Visionario, Lemaitre
prevé que la mecánica cuántica podría un día dar un sentido físico a esa
constante que parece significar que el vacío está dotado de cierta densidad de
energía. Se piensa hoy que Einstein trató la constante cosmológica con
demasiada ligereza y que no es una mera "opción", sino un elemento
fundamental para su teoría a causa de la existencia de una energía del vacío
cuántico: la mecánica cuántica dicta que, incluso en un espacio vacío,
aparezcan y desaparezcan sin cesar pares de partículas y antipartículas (si no,
el valor de todos los parámetros físicos se conocería con una precisión
perfecta -serían todos nulos-, lo que contradice el principio de
indeterminación de Heisenberg).
Se ha establecido hace poco que es muy probable que la constante cosmológica no
sea nula. Por lo demás, Lemaitre insistió en que, si se modifica su valor, se
modifica la edad del universo. Veía en ello un argumento adicional para
conservarla. En efecto, si la evolución del universo no está gobernada más que
por la gravitación, basta la constante de Hubble para determinar su edad. Sin
embargo, con el valor de la constante de Hubble de que se disponía en los años
treinta, esa edad resultaba siempre inferior a la del sistema solar; había que
corregir tal anomalía. Ya en 1931, basándose en un límite superior de la
constante
cosmológica, Lemaitre cifró en diez mil millones de años la edad del universo
(un buen orden de magnitud incluso hoy en día).
La ciencia ha abandonado su hipótesis del átomo primitivo y su presentación de
la síntesis de los elementos químicos por desintegraciones sucesivas. Además,
la geometría espacial del universo parece ser euclídea y no esférica, como
Lemaitre la concebía siempre. No obstante, diversas observaciones recientes
sobre las supernovas lejanas parecen abonar la idea de que el valor de la
constante cosmológica no es nulo, sino positivo, y, por consiguiente, que la
evolución del universo se caracteriza por las tres fases propuestas por
Lemaitré.
El problema de las singularidades
A principios de los años treinta se admitía que había galaxias fuera de la
nuestra y que el universo se expandía; se deducían de ello modelos del cosmos
en evolución permanente, en el curso quizá de una duración finita. Esta idea
sigue, sin embargo, chocando con las preferencias filosóficas de numerosos
físicos. No sólo les obliga a aceptar que el universo tuvo un comienzo, sino, también,
que ese comienzo consistió en un estado de densidad infinita, en una
singularidad donde las leyes de la física pierden todo su sentido.
En enero de 1933 Einstein, que acababa de abandonar Alemania por los Estados
Unidos, se encuentra con Lemaitre en el Instituto de Tecnología de California.
Le pregunta si se podían eliminar las singularidades que aparecían en la
historia del "universo fénix", un modelo que establecía que el
universo se expande a partir de una singularidad, alcanza un tamaño máximo y
vuelve a caer en una nueva singularidad antes de recomenzar un nuevo ciclo de
expansión y contracción. Como todos los modelos concebidos por los astrónomos,
es homogéneo e isótropo (sus propiedades son las mismas en todos los puntos del
espacio y en todas direcciones). Según Einstein, esa isotropía podría ser la
causa de que apareciesen singularidades. Si se admitiese una ligera anisotropía
del universo (que estuviera en expansión en dos de las direcciones del espacio
y en contracción en la tercera, por ejemplo), quizá no se desplomaría sobre sí
mismo (no "se colapsaría", con el barbarismo al uso) y se evitaría la
singularidad. Lemaitre probó rápidamente, con la ayuda de un caso particular,
que la singularidad no desaparecería, ni siquiera aunque el universo no fuese
isótropo. El paso por un estado de radio "nulo" parece realmente
obligado para la mayoría de los modelos del universo. Este "experimento
matemático" prefigura los teoremas sobre las singularidades de Roger
Penrose y Stephen Hawking que demostraron, con métodos globales, que aparecen,
de manera inevitable, singularidades físicas en muchos de los modelos posibles
del espaciotiempo.
Los rayos cósmicos
Según Lemaitre, una de las consecuencias de la hipótesis del átomo primitivo
era la existencia de partículas cargadas de gran energía producidas en las
primeras desintegraciones de ese átomo. Tras un encuentro con Robert Millikan,
Lemaitre se convenció de que esas partículas eran precisamente los rayos
cósmicos que se captan a grandes alturas y cuya naturaleza y origen precisos se
ignoraban todavía en los años treinta. La detección y el estudio de los rayos
cósmicos presentaban para él una importancia crucial, pues éstos eran, según
sus propias palabras, "jeroglíficos" que había que descifrar si se
quería conocer los primerísimos instantes del universo.
Lemaitre y Manuel Sandoval Vallarta, compañero suyo en el Instituto de
Tecnología de Massachusetts, se pusieron a estudiar las propiedades de las
trayectorias de los rayos cósmicos. Varios observadores habían mostrado que la
intensidad de la radiación cósmica variaba con la latitud geomagnética (la
latitud medida no a partir del polo geográfico de la Tierra, sino del
magnético). Fiados de su hipótesis según la cual esos rayos eran partículas
dotadas de carga procedentes de la desintegración del átomo primitivo, Lemaitre
y Sandoval se aplicaron al cálculo de la interacción entre tales partículas y
el campo magnético terrestre para explicar, sobre todo, el "efecto de
latitud".
Carl Stórmer, de la Universidad de Oslo, había ya abordado un problema similar
en 1907. Estudiaba la interacción entre las partículas dotadas de carga,
emitidas por el Sol, y el campo magnético terrestre a fin de obtener una teoría
completa de las auroras boreales. Se debe la producción de estos fenómenos
luminosos a las partículas cargadas emitidas por el Sol. Al acercarse a la
Tierra adoptan éstas una trayectoria helicoidal a lo largo de las líneas del
campo magnético terrestre y se canalizan hacia los polos. Cuando penetran en la
atmósfera, ionizan los átomos de nitrógeno y de oxígeno del aire, que, a su
paso, se desexcitan con emisión de luz.
Presuponiendo que los rayos cósmicos -partículas mucho más energéticas que las
del viento solar- provienen de todas las direcciones del espacio (y no sólo del
Sol), Lemaitre y Sandoval completaron el enfoque de Stórmer y estudiaron sus
trayectorias en el campo magnético terrestre. Con la ayuda de un ordenador
analógico -la "máquina de Bush"- capaz de integrar sistemas de ecuaciones
diferenciales y de dar representaciones gráficas de las soluciones, lograron
representar y estudiar en el Instituto de Tecnología de Massachusetts millares
de trayectorias de rayos cósmicos. Gracias a este trabajo Lemaitre y Sandoval
Vallarta confirmaron que la cantidad de rayos cósmicos recibida sobre la Tierra
tenía que variar con la latitud geomagnética. Además, establecieron que las
partículas que constituyen los rayos cósmicos eran, sobre todo, partículas
dotadas de carga positiva.
En su investigación de esos "jeroglíficos", vestigios de los inicios
"explosivos" del universo, Lemaitre fue uno de los primeros físicos
que propusieron la existencia de una radiación fósil que podría dar una base
experimental a la cosmología. Qué duda cabe de que la radiación fósil, que se
detectó en los años sesenta, es de naturaleza muy diferente de la propuesta por
Lemaitre; hoy se considera, además, que los rayos cósmicos son partículas de
gran energía -protones y núcleos atómicos ligeros-, producidas mucho más tarde
en la historia del universo, especialmente por las supernovas. Con todo,
ciertas partículas con una energía del orden de 1019 electronvolt no pueden
producirse de esa forma; algunos físicos piensan que provienen de la
desintegración de partículas exóticas de masa elevada, creadas en los
primerísimos instantes del universo. En 1998 un defensor de esta teoría,
Michael Hillas, de la Universidad de Leeds, concluía así uno de sus artículos:
"Bien puede que Lemaitre no estuviese ni mucho menos equivocado."
Lemaitre sentía pasión por el cálculo numérico y las máquinas de cómputo. En
Lovaina adquirió toda una serie de máquinas de cómputo mecánicas, luego
electromecánicas. En 1958 trajo a la Universidad Católica el primer ordenador
que hubo en ella, un Burroughs E101, con el que efectuó cálculos relativos a
los modelos de cúmulos de galaxias desarrollados en los años cuarenta y
cincuenta a raíz de sus trabajos sobre las condiciones de materia en el
universa en expansión.
De la matemática a la cosmología
Pionero de la cosmología, Lemaitre fue igualmente, como muchos de los teóricos
de la física clásica, un matemático de primera fila que aportó soluciones
originales a ciertos problemas de la mecánica celeste (el problema de los tres
cuerpos) o incluso del cálculo numérico (la transformada de Fourier rápida). En
su época, otros, más interesados por los prometedores territorios de la
mecánica cuántica, se alejaron de ese tipo de problemas, mientras que los
matemáticos preferían ceñirse a las estructuras abstractas a la-manera
Bourbaki. En los medios matemáticos de los años cincuenta pasaba por un
marginal. Su pasión por los ordenadores, por el cálculo numérico y la
experimentación matemática era, sin embargo, muy moderna, tal y como sus ideas
sobre la historia del universo, que defendió a veces contra el mismo Einstein.
El reciente descubrimiento de la importancia de la constante cosmológica
confirma su intuición y constituye, quizás, el mayor desafío lanzado a los
físicos para el siglo que empieza.
Bibliografía complementaria
COSMOLOGY OF LEMAÍTRE. O. Godart y M. Heller, en History of Astronomy Series,
vol. 3. Pachart Publishing House, Tucson, 1985.
COSMOLOGY AND CONTROVERSY. THE HISTORICAL DEVELOPMENT OF TWO THEORIES OF THE
UNIVERSE. H. Kragh. Princeton University Press, 1996.
ESSAI DE
COSMOLOGIE. A. Friedman y G. Lemaitre.
Precedido de L"invention du Big Bang, de J. P. Luminet (textos escogidos,
presentados, traducidos y anotados por J. P. Luminet y A. Grib). Éditions du Seuil,
Collections Sources du Savoir; 1997.
UN ATOME D"UNIVERS. LA VIE ET L"OEUVRE DE GEORGES LEMApITRE. D.
Lambert. Éditions Racine/Éditions Lessius, 2000.
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(*) Dominique Lambert, autor de este trabajo es doctor en ciencias físicas y en
filosofía por la Universidad Católica de Lovaina, imparte clases de filosofía e
historia de la ciencia en el Instituto Superior de Notre-Dame de la Paix, en
Namur.
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utilizarla por motivos de lucro.