EL CO-CREADOR DEL "BIG-BANG"

José Rafael Revenga
Mayo 03, 2010

El circunspecto acompañante -en el centro de la foto- de uno de los íconos personales más reconocido es el canónigo belga Georges Edouard Lemaitre (1894-1966), quizás uno de los innovadores en cosmología más desconocido. Albert Einstein se encuentra con Lemaitre en el V Congreso Internacional Solvay de Física el cual tuvo lugar en octubre de 1927 en el Parque Leopoldo en Bruselas, Bélgica sobre el amplio y novedoso tema “Electrones y Fotones.” El otro personaje –a la izquierda- es el físico estadounidense Robert A. Millikan, premio Nobel en 1923 por su medición de la carga del electrón.

EL CONGRESO DE LA FÍSICA: SOLVAY  1927

Fue una reunión excepcional atendida por 27 titanes de la nueva física post-newtoniana de los cuales 17 ya eran, o pronto lo serían, Premios Nobel. Estaban presentes luminarias legendarias, presididas por Hendrik Antoon  Lorentz, tales como Werner K. Heisenberg, Wolfgang Pauli, Niels Bohr, Erwin Schródinger, Max Born, Paul A.M. Dirac, Louis de Broglie, Paul Langevin, Marie de Curie, Max Planck, y obviamente en el centro Einstein. Ya Einstein había asistido a la primera de estas conferencias, que marcan época  en la historia de la física, en 1911 en donde conoció a Henri Poincaré. Además de los ya mencionados, Einstein participó en los Congresos de 1913 y 1930. En 1921 le fue adjudicado el Premio Nobel no por su teoría de la relatividad sino por su formulación de la ley del efecto fotoeléctrico en 1905 la cual efectivamente da pleno curso al concepto que la luz se transmite en pequeños paquetes individuales denominados “quantum”  según la terminología de Planck o “fotón.”

                                            

EL ÁTOMO PRIMITIVO

Si bien Lemaitre no asistió a dicha reunión, él tenía todas las credenciales para conversar e intercambiar criterios con el famoso físico. De allí el encuentro de ambos. Ya para la fecha del Congreso en 1927 el sacerdote había publicado su propuesta revolucionaria la cual sostenía que un “átomo primitivo”, primigenio o primordial e infinitamente denso, explota por una causa misteriosa no replicable y de tal manera da lugar al cosmos emergente. Lemaitre da un paso más allá de su formulación de las condiciones iniciales para postular la realidad de un “universo en expansión”, es decir una especie de creación continua. En realidad, representaba para aquel entonces  casi una herejía científica.

El trabajo de Lemaitre (“Un Universo homogéneo de masa constante y de radio creciente…”) aparece en el primer número de los “Anales de la Sociedad científica de Bruselas” a principios de 1927. Lemaitre  refuta  la teoría d´Éinstein, la cual establece una repartición homogénea de la materia y de la energía en un espacio ultra-esférico y estático procede a formular una ley según la cual la cual la velocidad de escape de las   nebulosas extra-galácticas está vinculada directamente a su lejanía de nosotros: mientras más lejos se encuentra una galaxia de un observador colocado en cualquier punto del universo, más rápidamente se distanciará de él. 

Las credenciales de Lemaitre le otorgaban pleno derecho de membrecía en tan excepcional grupo de científicos. En 1922 publica un trabaja titulado “La Physique d´Einstein”. Se trata de una exposición más original que las entonces ya bien conocidas de Arthur Eddington y Hermann Weyl al enfatizar que la teoría de la relatividad restringida es un caso particular de la Teoría General. Para la fecha del Congreso, Lemaitre era el autor renombrado de un trabajo (1927) sobre los modelos relativistas del Universo los cuales lo habían llevado a considerar un universo en expansión a partir de un punto “0”.

EDWIN  HUBBLE Y SU TELESCOPIO EN PALOMAR

La teoría de Lemaitre recibe confirmación experimental  cuando en 1929 Edwin Hubble desde el telescopio de 48 pulgadas instalado en el Monte Palomar, California, descubre por vía de observaciones que efectivamente las distancias a las galaxias más lejanas son proporcionales a su velocidad de alejamiento de nuestro punto de observación. Por consiguiente, si las distancias inter-galácticas aumentan hoy en día, es de suponer que en el pasado todas ellas se encontraban más cerca las unas de las otras hasta un punto de densidad máxima o singularidad única.

En su juventud Lemaitre cursa estudios de ingeniera pero los interrumpe a causa de la Primera Guerra Mundial Al regresar a  la Universidad  de Lovaina se  dedica a  estudiar matemáticas y recibe su doctorado en 1920. Se ordena como sacerdote en 1923. Ya para ese momento era profesor en el Instituto de Astronomía y Geofísica en la Universidad Católica de  Louvain  al cual permaneció vinculado toda su vida. En 1925 se encarga del curso de Metodología Matemática de la Facultad de Ciencias después de haber visitado durante los dos años previos a los más ilustres matemáticos en Inglaterra y en los Estados Unidos. A partir de 1926 da dos horas semanales en el segundo semestre del doctorado del Instituto Superior de Filosofía.

Eran años de intensa especulación y debate. Se discutía cómo  las teorías matemáticas de la física podían encontrar su corroboración en la medición de resultados experimentales. Alfred North Whitehead, co-redactor con Bertrand Russell de “Principia Mathematica” (1910-1913)  publica “El Principio de la Relatividad” en 1922 como alternativa a la interpretación de Einstein. Así mismo, Hermann Weyl, Hans Reichenbach, Henri Bergson, Arthur Eddington y José Ortega y Gasset exploran la teoría de la relatividad.  Todo lo cual da lugar a la inserción definitiva   de la ciencia como factor esencial en la interpretación del mundo a lo cual contribuye la obra de Whitehead “Science and the Modern World” (1925). 

En 1927 Eddington, dedicado a formular modelos cosmológicos en base la Teoría General de Eintein, se entera del trabajo de Lemaitre quien postula un universo en contracción o expansión en contra de Einstein que hace esfuerzos por adecuar las mediciones  experimentales a su teoría de un universo estático. Al mismo tiempo, Eddington  conoce los resultados [1929] de Edwin Hubble sobre la recesión de las nébulas espirales como evidencia de un espacio-tiempo curvilíneo. Eddington, entusiasta de la teoría de un universo en expansión, nunca acepto la teoría de un momento singular de su creación.

A su vez, Hubble formalizará sus mediciones en la llamada “ley de Hubble” la cual indica que la velocidad recesional de cualquier objeto es igual a su lejanía de la plataforma de observación multiplicada por la “constante de Hubble” la cual resulta de mediciones muy precisas. En base a ella se ha podido calcular con aproximación creciente que el “big-bang” tuvo lugar hace algo mas de 13.500 millones de años.

LA CONTRIBUCIÓN DE LEMAITRE

En cuanto matemático, Lemaitre brinda varias soluciones a las conocidas ecuaciones de Einstein las cuales son el fundamento geométrico de todos los ensayos posteriores para describir la estructura y la evolución del universo. Como cosmólogo, fue el primero en explicitar una relación entre los diferentes modelos del universo en expansión de acuerdo a la teoría relativista de la gravedad de Einstein y la observación empírica del desplazamiento hacia las frecuencias “rojas” del espectro de la luz emitida por las galaxias. 



De tal manera, fue el primer científico en dar el salto de las concepciones geométricas basadas en las teorías de Einstein  al desarrollo de una explicación genética de los procesos físicos responsables por la evolución del universo desde unos estados iniciales “superdensos” a la distribución actual de la materia observada hoy en día por los astrónomos. Ya para 1931 Lemaitre tiene una idea clara sobre lo que el denomina “la hipótesis del átomo primitivo.” A partir de esa fecha todos sus trabajos científicos están dedicados a estudiar los descubrimientos astronómicos y los procesos físicos que apoyan dicha hipótesis.


“EL HOMBRE PUEDE ACCEDER A LA COMPRENSIÓN DEL COSMOS”


Lemaitre resume su convicción central   en la siguiente afirmación: “Sin duda comenzamos a entrever que el problema del Universo es accesible a la ciencia humana.” En la actualidad ese pensamiento no evoca mayor sorpresa pero en aquel entonces representaba una osada tesis para la gran mayoría quienes veían en el dato revelado o en los mitos la única explicación de la cosmogénesis.
En 1950 se le invita a dar una conferencia de divulgación en el Instituto Católico de París. Así comienzan sus audaces palabras frente a un auditorio curioso en las cuales desafía el paradigma del “subconsciente institucional” petrificado desde la condena a Galileo Galilei.

Así comienza:

“Cuando uno busca  representarse el Universo en su totalidad, es decir toda la materia existente tan lejos que ella se extienda en el espacio y tan lejos que ella se haya prolongado en el pasado, parece que uno se propone un problema que supera esencialmente las posibilidades de la ciencia y la capacidad del espíritu humano.”

“Yo quisiera mostrarles esta tarde como pueden ser dejadas a un lado las dificultades de principio que también  parecen convertir este estudio en algo ilusorio. La imagen que les presentaré del Universo sin duda no puede ser definitiva, quizás pueda ella darles sin embargo, un ejemplo de una solución racional coherente de ese problema aparentemente insoluble y quizás también las variadas y convergentes confirmaciones experimentales que en el presente le aportan los hechos experimentales y así  las hará parecer verosímiles.”

EL NÚCLEO DEL PENSAMIENTO DE LEMAITRE

En ella expone sus pensamientos centrales: 1) el concepto del infinito escapa a nuestras posibilidades intelectuales pero los avances de la geometría pos-Riemanniana nos permite evadir el concepto de la infinidad espacial; 2) las hipótesis de Einstein nos facultan para no tener que lidiar científicamente con el infinito temporal al introducir el concepto de “singularidad inicial” la cual es el comienzo natural ya que postula que no tiene ningún sentido científico procurar ir a etapas anteriores de la evolución del universo; 3) la dinámica de la evolución del universo puede ser descrita por el conjunto de ecuaciones derivadas en 1922 y 1924  por el ruso Alexander  Friedmann sobre la curvatura negativa del espacio. La “constante cosmológica” es una consecuencia de ellas; 4)  la cosmología científica da lugar a consecuencias observables. Un claro ejemplo se encuentra en la hipótesis de la expansión del universo observable vía el desplazamiento hacia las bandas rojas de las galaxias más lejanas. 

Lemaitre insiste que su concepción del “Átomo primitivo” tiene que manifestarse por medio de procesos observables de desintegración: los núcleos de los átomos existentes hoy y los fragmentos del Átomo que escaparon a su incorporación en la “materia ordinaria.” Lemaitre dedica el resto de su vida a la búsqueda de la constatación empírica de esa radiación primordial. Poco antes de fallecer en 1966, Lemaitre se entera de las mediciones de la radiación cósmica de trasfondo presente uniformemente  en el universo e interpretada como la comprobación empírica de su concepción del  nacimiento explosivo de la Realidad.

Lemaitre no se limita a la génesis del Universo a partir de un momento inicial. Amplía sus consideraciones a la dinámica total del mismo:

“Esas concepciones teóricas han encontrado una cierta base experimental en el fenómeno conocido bajo el nombre de expansión del espacio o expansión del Universo."

 “Si el espacio con un radio creciente está relleno de una manera más o menos uniforme por las galaxias… entonces todas esas nebulosas distribuidas uniformemente en ese espacio deben separarse progresivamente las unas de las otras… Todas las distancias entre ellas aumentan en la  misma proporción y por ende, las nebulosas se encuentran animadas las unas respecto a la otra de una velocidad proporcional a su distancia…Esa velocidad de alejamiento se manifiesta por el efecto Doppler-Fizeau [identificado en 1842], es decir por el desplazamiento de los rayos espectrales hacia el rojo proporcionalmente a dicha velocidad.”

 Lemaitre finaliza su conferencia haciendo una referencia a lo que habría de convertirse algunas décadas más tarde como piedra angular de la cosmología contemporánea:

“Queda claro que una teoría completa, perfecta (si alguna vez llegase a existir), debería permitir calcular el valor de la constante cosmológica y el de la constante gravitacional. Una teoría similar ha sido propuesta por Eddington y ha sido expuesta en un libro póstumo, Él la denomina una “teoría fundamental.” [Fundamental Theory, 1948]

“Mismo los físicos, tales como Einstein, que no se han sumado a la teoría de Eddington, reconocen que la constante de la gravitación, y por extensión todas las constantes determinadas empíricamente por la física, no son sino relaciones que deben tener una significación física y ser susceptibles de ser calculadas por una teoría adecuada.”

 UN GRAN COSMÓLOGO OLVIDADO

Tanto la persona como la obra pionera de Georges Lemaitre no han gozado de los reconocimientos que se merece como co-creador del “big-bang” por parte de sus colegas profesionales ni del público amplio. La Universidad de Louvain y un pequeñó grupo de estudiosos belgas sí lo han honrado con algunas publicaciones. Entres ellas, un volumen conmemorativo del centenario de su nacimiento publicado en 1996 y editado por Jean-Francois Stoffel: “Mgr. Georges Lemaitre, savant et croyant”.

Vale la pena tener en cuenta el estudio de O. Godart, “Adaptation de la cosmologie de Lemaitre aux observations et theories actuelles”(1969). Y no olvidar la obra del propio Lemaitre “L´hypothese de látome primitif” publicada originalmente en 1946 y en segunda edición en 1972 acompañada por el informe que presentó en el Congreso Internacional  Solvay de Física en 1958. En octubre de 1983 el Instituto de Astronomía y Geofísica de la Universidad Católica de Louvain organizó un simposio en ocasión del cincuenta aniversario de la publicación inicial del estudio de Lemaitre sobre la expansión del Universo. Lemaitre fue presidente de la Academia Pontifica de Ciencias desde 1960 hasta 1966.

Lemaitre conocíó el apodo “Big-Bang” dado a su teoría del “átomo primitivo” por el cosmólogo Fred Hoyle quien con la intención de popularizar las diferencias entre la concepción estática y la explosiva-dinámica, en un programa de radio de divulgación científica en 1949, acuñó el ¨steady-state” y el “big-bang” para describir las dos opciones del modelo cosmológico.

La Iglesia ha mostrado una  discreta lejanía en relación al científico Lemaitre. El motivo seguramente estriba en su temor de pensar que una teoría científica pudiera servir para validar un dogma teológico. Algunos consideran que este escollo es fácilmente salvable si la Iglesia reconociera la autonomía del pensar científico el cual de por sí no debería ser antinómico en relación a otras verdades. Por ejemplo, Pío XII al inaugurar la sesión de la Academia Pontificia de Ciencias el 22 de noviembre de 1951 declaró que la teoría del “big-bang” era acorde con el postulado teológico de la Creación.

¿Y AHORA?

Este año celebramos  el 20 aniversario del Hubble Space Telescope en órbita terrestre el cual ha revolucionado los límites de la observación de las galaxias al  comenzar a penetrar los secretos de los “huecos negros” y la “energía oscura”. Lo que antes era invisible para el ojo humano ahora podemos maravillarnos frente a más de 570.000 fotos asombrosas. El velo del misterio del Cosmos poco a poco recede.

Por otra parte, el 30 de marzo de este mismo año, el Large Hadron Collider (LHC), el acelerador de partículas de mayor energía, ha podido replicar con éxito las condiciones casi-iniciales del “big-bang” recreando una colisión de partículas con una energía de 7 billones de electro-voltios.

Para asombro de los cosmólogos, en  mayo del 2009, las instalaciones del Centro de Astrofísica  Jodrell  Bank en Inglaterra detectan una misteriosa señal de radio proveniente de la galaxia M82 a unos escasos 12 millones de años luz. Después de un año de intenso rastreo de la señal,  los científicos han concluido: “No sabemos lo que es”. 

En verdad, nunca antes se había recibido una señal con características similares. La velocidad aparente del extraño cuerpo es cuatro veces superior a la velocidad de la luz. Además,  su intensidad no disminuye después de un año de registros y no emite en la longitud de onda de los rayos X. En búsqueda de una respuesta hay una red de veinte radiotelescopios dispersos en el mundo procesando datos de la desconocida radiofuente.

Por último, está al aire la miniserie de televisión “Into  the Universe” cuyo  protagonista es el célebre autor Stephen Hawking. El cosmólogo explora tres grandes temas: la naturaleza del Universo, la posibilidad de trasladarnos millones de años hacia el futuro y las consecuencias de posibles contactos con alienígenas.

¡ Nuestras mentes van  a sufrir un “big-bang”!