Georges Lemaître: El Átomo Primigenio en el Origen del Cosmos

Breve biografía de Georges Lemaître

Georges Lemaître nació el 17 de julio de 1894 en Charleroi, Bélgica. Después de estudiar ingeniería, se orientó hacia las matemáticas y la física mientras ingresaba en las órdenes religiosas: fue ordenado sacerdote católico en 1923. Apasionado por la cosmología relativista, partió a estudiar con Arthur Eddington (1882-1944) en Cambridge, luego en Harvard y en el MIT, donde obtuvo un doctorado en física.

En 1927, Lemaître publicó un artículo en francés en el que derivó una solución dinámica de las ecuaciones de Einstein, sugiriendo que el Universo está en expansión. Relacionó esta dinámica con las observaciones del desplazamiento al rojo de las galaxias. En 1931, llevó la idea más lejos introduciendo la hipótesis de un "átomo primigenio", el primer modelo físico de un universo en expansión surgido de un estado inicial denso y caliente.

Contrariamente a una idea recibida, Lemaître no veía ninguna contradicción entre ciencia y fe: insistía en la distinción fundamental entre el dominio de la física y el de la metafísica, rechazando cualquier recuperación teológica de sus modelos cosmológicos. Miembro de la Academia Pontificia de las Ciencias, se convirtió en su presidente en 1960. Murió el 20 de junio de 1966 en Lovaina, unos días después de haber sabido del descubrimiento de la radiación de fondo cósmico que validaría su visión inicial.

Génesis del universo: El átomo primigenio

En 1931, el canónigo belga Georges Lemaître (1894–1966) propuso una idea audaz: el Universo habría surgido de un "Átomo Primigenio", un estado inicial extremadamente denso y caliente, cuya desintegración habría marcado el comienzo del espacio, el tiempo y la materia. Esta hipótesis dio un sentido físico a la expansión del Universo, cuyas bases matemáticas ya habían sido establecidas en 1922 por el físico ruso Alexander Friedmann (1888-1925). A diferencia de Friedmann, que se quedaba en el plano teórico, Lemaître relacionó la expansión cósmica y las observaciones (desplazamiento al rojo), y postuló un comienzo. En una época en la que Albert Einstein (1879-1955) aún privilegiaba un cosmos estático, Lemaître introdujo una visión dinámica que prefiguraba el futuro modelo del Big Bang.

Lemaître se basó en las ecuaciones de Einstein, en particular en las soluciones de universo en expansión derivadas por Friedmann. Pero donde Friedmann se limitaba a lo matemático, Lemaître se atrevió a una interpretación física: postuló que toda la materia del Universo estaba concentrada en un solo punto inicial, un "átomo", cuya desintegración produjo el espacio, el tiempo y la materia. Este concepto, a la vez científico y profundamente filosófico, se inscribe en una visión unificada de las leyes de la naturaleza.

Oposiciones y confirmaciones

La idea fue inicialmente marginada, incluso por el propio Einstein, quien consideraba la propuesta "abominable". Sin embargo, las observaciones de la época, en particular el desplazamiento al rojo de las galaxias descubierto por Hubble, apuntaban hacia un universo en expansión. En 1965 (un año antes de la muerte de Lemaître), el descubrimiento de la radiación de 3 K del fondo cósmico de microondas por Arno Allan Penzias (1933-2024) y Robert Woodrow Wilson (1936-) constituyó una confirmación espectacular de esta hipótesis. Esta radiación fósil se interpreta como el eco térmico de la explosión inicial postulada por Lemaître.

El átomo primigenio y la singularidad

El "átomo primigenio" de Lemaître se interpreta hoy como una singularidad cosmológica, un punto de densidad y curvatura del espacio-tiempo infinitas en el marco de la relatividad general. Este escenario extremo corresponde al momento \( t = 0 \) en la solución llamada Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), que describe un universo homogéneo, isótropo y en expansión o contracción. La métrica FLRW implica que el factor de escala \( a(t) \rightarrow 0 \) cuando \( t \rightarrow 0 \), lo que hace diverger la densidad de energía \( \rho(t) \sim \frac{1}{a(t)^3} \) y la temperatura \( T(t) \sim \frac{1}{a(t)} \).

Pero esta singularidad no significa necesariamente un punto físico real: más bien traduce una incompletitud de la teoría. La relatividad general, aunque extremadamente precisa a gran escala, no tiene en cuenta los efectos cuánticos. Sin embargo, a escalas inferiores a la longitud de Planck (\( \ell_P \sim 1{,}6 \times 10^{-35} \, \mathrm{m} \)) y a tiempos inferiores al tiempo de Planck (\( t_P \sim 5{,}4 \times 10^{-44} \, \mathrm{s} \)), se vuelve imperativo describir la gravedad en términos cuánticos.

Teorías como la gravedad cuántica de bucles o la teoría de cuerdas sugieren que la singularidad podría ser reemplazada por una transición cuántica o una fase cuántica pre-Big Bang, o incluso un rebote cósmico ("bounce"). En estos modelos, el universo no emerge de un punto sin espacio ni tiempo, sino de un estado cuántico anterior donde las nociones clásicas dejan de ser relevantes. Así, el "átomo primigenio" sigue siendo una metáfora fundadora, pero su contenido físico evoluciona con los avances teóricos y observacionales.

Evolución de los modelos de la época

Antes de Lemaître, la cosmología se basaba a menudo en postulados metafísicos o en la eternidad del cosmos (modelo estacionario). Después de él, los modelos cosmológicos integran la noción de tiempo cósmico y de evolución.

N.B.: En el modelo de Lemaître, el espacio-tiempo no existía antes del átomo primigenio. La propia noción de "antes" pierde su sentido: el tiempo comienza con la expansión.

Fuentes: Nature – The Primeval Atom, G. Lemaître (1931), AIP – Historia oral de G. Lemaître, arXiv – Georges Lemaître and the Foundations of Big Bang Cosmology.