Georges Lemaître : L’Atome Primitif à l’origine du Cosmos

Brève biographie de Georges Lemaître

Georges Lemaître naît le 17 juillet 1894 à Charleroi, en Belgique. Après des études d’ingénieur, il s’oriente vers les mathématiques et la physique tout en entrant dans les ordres : il est ordonné prêtre catholique en 1923. Passionné par la cosmologie relativiste, il part étudier auprès d'Arthur Eddington (1882-1944) à Cambridge, puis à Harvard et au MIT, où il obtient un doctorat en physique.

En 1927, Lemaître publie un article en français dans lequel il dérive une solution dynamique des équations d’Einstein, suggérant que l’Univers est en expansion. Il relie cette dynamique aux observations du décalage vers le rouge des galaxies. En 1931, il pousse plus loin l’idée en introduisant l’hypothèse d’un "atome primitif", premier modèle physique d’un univers en expansion issu d’un état initial dense et chaud.

Contrairement à une idée reçue, Lemaître ne voyait aucune contradiction entre science et foi : il insistait sur la distinction fondamentale entre le domaine de la physique et celui de la métaphysique, refusant toute récupération théologique de ses modèles cosmologiques. Membre de l’Académie pontificale des sciences, il en devient président en 1960. Il meurt le 20 juin 1966 à Louvain, quelques jours après avoir appris la découverte du fond diffus cosmologique qui validera sa vision initiale.

Genèse de l’univers : L'atome primitif

En 1931, le chanoine belge Georges Lemaître (1894–1966) propose une idée audacieuse : l’Univers aurait émergé d’un "Atome primitif", un état initial extrêmement dense et chaud, dont la désintégration aurait marqué le début de l’espace, du temps et de la matière. Cette hypothèse donne un sens physique à l’expansion de l’Univers, dont les bases mathématiques avaient déjà été posées en 1922 par physicien russe, Alexandre Friedmann (1888-1925). Contrairement à Friedmann, qui restait sur le plan théorique, Lemaître relie expansion cosmique et observations (décalage vers le rouge), et postule un commencement. À une époque où Albert Einstein (1879-1955) privilégiait encore un cosmos statique, Lemaître introduit une vision dynamique qui préfigure le futur modèle du Big Bang.

Lemaître s’appuie sur les équations d’Einstein, en particulier sur les solutions d’univers en expansion dérivées par Friedmann. Mais là où Friedmann se limitait à la mathématique, Lemaître ose une interprétation physique : il postule que toute la matière de l’Univers était concentrée dans un seul point initial, un "atome", dont la désintégration a produit l’espace, le temps et la matière. Ce concept, à la fois scientifique et profondément philosophique, s’inscrit dans une vision unifiée des lois de la nature.

Oppositions et confirmations

L’idée fut d’abord marginalisée, y compris par Einstein lui-même, qui jugeait la proposition "abominable". Pourtant, les observations de l’époque, notamment le décalage vers le rouge des galaxies découvert par Hubble, allaient dans le sens d’un univers en expansion. En 1965 (un an avant la mort de Lemaître), la découverte du rayonnement à 3 K du fond diffus cosmologique par Arno Allan Penzias (1933-2024) et Robert Woodrow Wilson (1936-) constitue une confirmation éclatante de cette hypothèse. Ce rayonnement fossile est interprété comme l’écho thermique de l’explosion initiale postulée par Lemaître.

L’atome primitif et la singularité

L’« atome primitif » de Lemaître est aujourd’hui interprété comme une singularité cosmologique, un point de densité et de courbure de l’espace-temps infinies dans le cadre de la relativité générale. Ce scénario extrême correspond au moment \( t = 0 \) dans la solution dite de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), qui décrit un univers homogène, isotrope et en expansion ou contraction. La métrique FLRW implique que le facteur d’échelle \( a(t) \rightarrow 0 \) lorsque \( t \rightarrow 0 \), ce qui fait diverger la densité d’énergie \( \rho(t) \sim \frac{1}{a(t)^3} \) et la température \( T(t) \sim \frac{1}{a(t)} \).

Mais cette singularité ne signifie pas nécessairement un point physique réel : elle traduit plutôt une incomplétude de la théorie. La relativité générale, bien qu’extrêmement précise à grande échelle, ne prend pas en compte les effets quantiques. Or, à des échelles inférieures à la longueur de Planck (\( \ell_P \sim 1{,}6 \times 10^{-35} \,\mathrm{m} \)) et à des temps inférieurs au temps de Planck (\( t_P \sim 5{,}4 \times 10^{-44} \,\mathrm{s} \)), il devient impératif de décrire la gravitation en termes quantiques.

Des théories comme la gravitation quantique à boucles ou la théorie des cordes suggèrent que la singularité pourrait être remplacée par une transition ou une phase quantique pré-Big Bang, voire un rebond cosmique ("bounce"). Dans ces modèles, l’univers n’émerge pas d’un point sans espace ni temps, mais d’un état quantique précédent où les notions classiques cessent d’être pertinentes. Ainsi, l’« atome primitif » reste une métaphore fondatrice, mais son contenu physique évolue avec les avancées théoriques et observationnelles.

Évolution des modèles de l’époque

Avant Lemaître, la cosmologie reposait souvent sur des postulats métaphysiques ou sur l’éternité du cosmos (modèle stationnaire). Après lui, les modèles cosmologiques intègrent la notion de temps cosmique et d’évolution.

N.B. : Dans le modèle de Lemaître, l’espace-temps n’existait pas avant l’atome primitif. La notion même de "avant" perd son sens : le temps commence avec l’expansion.

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