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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 la
fotografía:Millikan, Lemaître y Einstein)
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.
______________________
Nota a pie de
fotos (en las páginas de la revista):
3. POR UN MODELO
donde el universo es eterno apostaba Einstein. En este
recuadro el tamaño -finito- del universo es constante. Como
este universo tiende a desplomarse sobre sí mismo, porque las
masas se atraen por el efecto de la gravitación, Einstein
propuso la existencia de una segunda fuerza, de repulsión, que
incluyó en sus ecuaciones en forma de una "constante
cosmológica". A principios de los años treinta Lemaître mostró
que el equilibrio así obtenido era
inestable.
_______________________
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.
____________________________________
(*) 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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Esta edición
digital tiene fines exclusivamente educativos. No se permite
utilizarla por motivos de lucro. | |
