Georges Lemaître: O Átomo Primitivo na Origem do Cosmos

Breve biografia de Georges Lemaître

Georges Lemaître nasceu em 17 de julho de 1894 em Charleroi, Bélgica. Após estudar engenharia, voltou-se para a matemática e a física enquanto entrava para as ordens religiosas: foi ordenado padre católico em 1923. Apaixonado por cosmologia relativística, partiu para estudar com Arthur Eddington (1882-1944) em Cambridge, depois em Harvard e no MIT, onde obteve um doutorado em física.

Em 1927, Lemaître publicou um artigo em francês no qual derivou uma solução dinâmica das equações de Einstein, sugerindo que o Universo está em expansão. Ele relacionou essa dinâmica com as observações do desvio para o vermelho das galáxias. Em 1931, ele levou a ideia adiante introduzindo a hipótese de um "átomo primitivo", o primeiro modelo físico de um universo em expansão a partir de um estado inicial denso e quente.

Contrariamente a uma ideia recebida, Lemaître não via nenhuma contradição entre ciência e fé: ele insistia na distinção fundamental entre o domínio da física e o da metafísica, recusando qualquer apropriação teológica de seus modelos cosmológicos. Membro da Academia Pontifícia de Ciências, tornou-se seu presidente em 1960. Ele morreu em 20 de junho de 1966 em Lovaina, alguns dias após ter conhecimento da descoberta da radiação cósmica de fundo que validaria sua visão inicial.

Gênese do universo: O átomo primitivo

Em 1931, o cônego belga Georges Lemaître (1894–1966) propôs uma ideia audaciosa: o Universo teria surgido de um "Átomo Primitivo", um estado inicial extremamente denso e quente, cuja desintegração teria marcado o início do espaço, do tempo e da matéria. Esta hipótese deu um sentido físico à expansão do Universo, cujas bases matemáticas já haviam sido estabelecidas em 1922 pelo físico russo Alexander Friedmann (1888-1925). Ao contrário de Friedmann, que permanecia no plano teórico, Lemaître relacionou a expansão cósmica e as observações (desvio para o vermelho) e postulou um começo. Em uma época em que Albert Einstein (1879-1955) ainda privilegiava um cosmo estático, Lemaître introduziu uma visão dinâmica que prefigurava o futuro modelo do Big Bang.

Lemaître baseou-se nas equações de Einstein, particularmente nas soluções de universo em expansão derivadas por Friedmann. Mas onde Friedmann se limitava à matemática, Lemaître ousou uma interpretação física: ele postulou que toda a matéria do Universo estava concentrada em um único ponto inicial, um "átomo", cuja desintegração produziu o espaço, o tempo e a matéria. Este conceito, ao mesmo tempo científico e profundamente filosófico, insere-se numa visão unificada das leis da natureza.

Oposições e confirmações

A ideia foi inicialmente marginalizada, mesmo por Einstein, que considerava a proposta "abominável". No entanto, as observações da época, nomeadamente o desvio para o vermelho das galáxias descoberto por Hubble, iam no sentido de um universo em expansão. Em 1965 (um ano antes da morte de Lemaître), a descoberta da radiação de 3 K do fundo cósmico de micro-ondas por Arno Allan Penzias (1933-2024) e Robert Woodrow Wilson (1936-) constituiu uma confirmação brilhante desta hipótese. Esta radiação fóssil é interpretada como o eco térmico da explosão inicial postulada por Lemaître.

O átomo primitivo e a singularidade

O "átomo primitivo" de Lemaître é hoje interpretado como uma singularidade cosmológica, um ponto de densidade e curvatura do espaço-tempo infinitas no quadro da relatividade geral. Este cenário extremo corresponde ao momento \( t = 0 \) na solução dita Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), que descreve um universo homogêneo, isotrópico e em expansão ou contração. A métrica FLRW implica que o fator de escala \( a(t) \rightarrow 0 \) quando \( t \rightarrow 0 \), o que faz divergir a densidade de energia \( \rho(t) \sim \frac{1}{a(t)^3} \) e a temperatura \( T(t) \sim \frac{1}{a(t)} \).

Mas esta singularidade não significa necessariamente um ponto físico real: ela traduz antes uma incompletude da teoria. A relatividade geral, embora extremamente precisa em grande escala, não leva em conta os efeitos quânticos. Ora, em escalas inferiores ao comprimento de Planck (\( \ell_P \sim 1{,}6 \times 10^{-35} \, \mathrm{m} \)) e em tempos inferiores ao tempo de Planck (\( t_P \sim 5{,}4 \times 10^{-44} \, \mathrm{s} \)), torna-se imperativo descrever a gravitação em termos quânticos.

Teorias como a gravitação quântica em loop ou a teoria das cordas sugerem que a singularidade poderia ser substituída por uma transição quântica ou uma fase quântica pré-Big Bang, ou mesmo um ricochete cósmico ("bounce"). Nestes modelos, o universo não emerge de um ponto sem espaço nem tempo, mas de um estado quântico anterior onde as noções clássicas deixam de ser relevantes. Assim, o "átomo primitivo" permanece uma metáfora fundadora, mas seu conteúdo físico evolui com os avanços teóricos e observacionais.

Evolução dos modelos da época

Antes de Lemaître, a cosmologia baseava-se frequentemente em postulados metafísicos ou na eternidade do cosmo (modelo estacionário). Depois dele, os modelos cosmológicos integram a noção de tempo cósmico e de evolução.

N.B.: No modelo de Lemaître, o espaço-tempo não existia antes do átomo primitivo. A própria noção de "antes" perde o seu sentido: o tempo começa com a expansão.

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