L’Àtom Primigeni

A la xerrada anterior vam deixar Edwin Hubble i Georges Lemaître amb la polèmica del descobriment de l’expansió de l’univers. Hubble el publicà el 1929 i s’emportà la fama. Lemaître havia publicat el descobriment 2 anys abans, però en una revista belga en francès i fins el 1931 no el va publicar en anglès i no complet. Amb aquest descobriment havia, ja en el primer terç del segle XX, una visió de l’univers que s’havia començat a conformar des de finals del XVIII amb les observacions de Herschel i que, en línies generals, era l’actual: un univers format per galàxies que s’estan allunyant unes de les altres i en una de les quals vivim nosaltres.

Ara, recularem uns pocs anys per veure com era el model teòric en el que s’emmarcava aquest descobriment i fent-ho ens tornarem a trobar amb en Georges Lemaître. Recordem que, en xerrades anteriors, havíem parlat del model d’univers de Newton de la gravitació universal que era el que es mantenia fins el començament del segle XX.

Imatge d’Albert Einstein del Museu de la Ciència de Londres. Foto JL. Diez.

La figura cabdal per la que hem de començar és, com tothom deu suposar, Albert Einstein. No parlarem però de la figura d’Einstein, de sobra coneguda, sinó dels aspectes de la seva obra que fan referència al model cosmològic, que són d’altra banda importantíssims. En primer lloc hem de citar el seu article de 1905, “Sobre l’electrodinàmica dels cossos en moviment”, publicat en alemany a la revista Annalen der Physik (1), en el que explica la teoria de la Relativitat Especial. El que ens interessa sobretot és que, a partir d’Einstein, el temps i l’espai deixen de ser absoluts, tal com eren en l’anomenada física clàssica, la de Newton. Ja no són el marc en el que el produeixen els esdeveniments, sinó que formen part dels mateixos esdeveniments (2). Els principis de la física clàssica mantinguts des de Newton han canviat radicalment: la velocitat de la llum és ara constant, independent del sistema de referència utilitzat per a la seva mesura i el temps i l’espai han deixat de ser absoluts, són ara relatius al sistema de referència.
El propi Einstein s’encarregaria d’aplicar aquests canvis al model d’univers. El 1916 publica l’article sobre la “Relativitat General” una teoria geomètrica de la gravitació universal, que substitueix la de Newton i que posa les bases teòriques del nou model d’univers (3). Les anomenades equacions d’Einstein de la Relativitat General relacionen les propietats de l’espai i el temps, el que podríem entendre com coordenades i durada, amb el contingut de matèria, a través de dues constants universals que són la de la gravitació universal de Newton i la velocitat de la llum.(4)

Les equacions donades inicialment per Einstein portaven a un univers en expansió com a conseqüència de l’acció gravitatòria de la matèria, però aleshores no s’havia descobert encara l’expansió de l’univers (Hubble, any 1929). Einstein pensava més aviat en un univers estàtic, homogeni i amb simetria esfèrica i per això va introduir una modificació a les equacions, la constant cosmològica, que contrarestés l’efecte d’expansió (5). Quan es va descobrir l’expansió, Einstein va arribar a declarar que aquesta modificació va ser “el pitjor error de la seva carrera”, però el cas que la constant cosmològica s’ha prestat a diferents interpretacions al llarg de tot el segle XX.

La teoria de la Relativitat d’Einstein va ser rebuda amb un cert escepticisme en el món de la Física, fins al punt que, el premi Nobel que li va ser concedit el 1921, va ser per la llei de l’efecte fotoelèctric, descobriment important però no comparable a la teoria de la Relativitat publicat el mateix any 1905, mesos abans que aquesta. Una comprovació experimental de la teoria de la Relativitat va ser feta l’any 1919 per Arthur Eddington (6), astrofísic anglès. Segons la Relativitat General, la matèria corba l’espai-temps, de forma que, quan la llum passa al costat d’una objecte massiu, una estrella per exemple, segueix una trajectòria corba, com si se sentís atreta per l’estrella.  En l’observació de l’eclipse solar del 29 de maig a l’illa del Príncipe (Sao Tomé i Príncipe, Àfrica), Eddington va comprovar la curvatura de la llum de les estrelles llunyanes quan passava a prop del Sol. Les mesures van ser discutides posteriorment per la seva poca precisió i per haver descartat algunes dades i agafat altres, però el cas és que, en aquell moment, van suposar el reconeixement públic de la teoria d’Einstein. Arthur Eddington va ser, recordem, qui va reconèixer el descobriment de l’expansió de l’univers de Georges Lemaître publicat a una revista belga i el va ajudar a publicar-lo en anglès.

A partir de la publicació de la teoria de la Relativitat General, entre els anys 1920 i 1930, diversos físics van treballar per establir un nou model cosmològic com a solució de les equacions d’Einstein. Ens fixarem particularment en dos: Alexander Friedmann i en Georges Lemaître.

Alexander Friedmann, astrofísic, (29.06.1888, Sant Petersburg, 16.09.1925, Leningrad) es va graduar a la universitat de Sant Petersburg el 1910 i va començar a treballar com a professor a l’Institut de Mines de la mateixa ciutat. Va lluitar a la Primera Guerra Mundial i en acabar, va ser professor de la universitat de Perm a partir de 1918. El 1924 va publicar la solució general a les equacions d’Einstein per un univers homogeni i isòtrop (mateixes propietats en totes direccions) en funció de la densitat mitjana de matèria: a partir d’un valor crític de densitat de matèria, si aquesta és menor, l’univers s’expansiona indefinidament, l’espai és infinit i si és més gran l’univers és tancat, encara que il·limitat (no té límits, com la superfície d’una esfera) (7). Cal remarcar que aquesta solució va ser donada abans no es conegués que l’univers s’estava expandint (Hubble, 1929). Quan Hubble va publicar el seu descobriment, la solució de Friedmann va adquirir el valor d’una predicció.

Georges Lemaître, astrofísic i sacerdot catòlic (1894, Charleroi, 1966, Leuven, Bèlgica) (8). Va estudiar enginyeria a la universitat catòlica de Lovaina, va lluitar a la Primera Guerra Mundial i després de la guerra va estudiar física i matemàtiques, obtenint el doctorat el 1920. Es va ordenar sacerdot el 1923 i va anar a la universitat de Cambridge a iniciar-se a la nova astronomia amb Arthur Eddington. El 1925 va tornar a Bèlgica, sent professor de física a la universitat de Lovaina. El 1927 va publicar la seva teoria de l’expansió de l’univers a la revista belga Anals de la Societat Científica de Brussel·les, tal com es va explicar a la xerrada anterior. El 1931 va ser convidat a viatjar a Londres per participar en unes xerrades sobre ciència i espiritualitat, on va parlar de “l’àtom primigeni” o “l’ou còsmic” explotant en el moment de la creació. Aquesta interpretació no va agradar als seus col·legues científics, com Eddington o el propi Einstein, amb el que es va trobar en diferents ocasions.

Georges Lemaître. Imatge de Wikimedia Commons.

El 1933 Lemaître va resumir la seva teoria de l’expansió de l’univers a la revista científica belga “Annals de la Societat Científica de Brussel·les” i els diaris de tot el món el van qualificar com el lider de la nova cosmologia. El 1936 va ser elegit membre de l’Acadèmia Pontifícia de Ciències. El 1951, el Papa Pius XII declarà que la teoria de Lemaître significava la validació científica del creacionisme, fet que va contrariar Lemaître, que va convèncer al Papa de la conveniència de no relacionar creacionisme i cosmologia. Lemaître sempre va ser un devot catòlic però sempre va estar en contra de mesclar ciència i religió.

Acabem amb una reflexió sobre el descobriment del Big Bang: Einstein proporciona el 1916 les equacions que actualitzaven el concepte de gravitació de Newton. Friedmann, Lemaître i altres apliquen les equacions d’Einstein per a obtenir un model d’univers. Quan Hubble i el propi Lemaître posen de manifest l’expansió de l’univers es produeix la trobada entre el model i les observacions. Una vegada més es pot plantejar la pregunta: què és primer o més important per el desenvolupament científic, la teoria o la pràctica (observació / experimentació)? La resposta és forçosament oberta: sense la teoria no es valoren moltes vegades els descobriments experimentals i són aquests els que permeten valorar o rebutjar la teoria.

Fonts d’informació:
(1) http://en.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein
(2) http://unavistacircular.files.wordpress.com/2012/12/ms_claserel_presrelespecial.pdf
(3) http://unavistacircular.files.wordpress.com/2012/12/ms_claserel_presrelgeneral.pdf
(4) http://www.ice.csic.es/files/upload_files/File/cosmocaixa_feb07/Lobo-cosmo-curso_14-ii-2007.pdf
(5) http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_constant.html
(6) http://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Eddington
(7) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988.
(8) http://en.wikipedia.org/wiki/Georges_Lema%C3%AEtre

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles· del 25 d’abril de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia, física. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari