Figure 1: Photo de Georges Lemaître en cours. Cette photo est
tirée de [1].
Figure 1: Photo de Georges Lemaître en cours. Cette photo est
tirée de [1].
Moins connu que ses contemporains Einstein ou Hubble, Georges Lemaître
a été très tôt un familier des jeunes théories
relativistes et quantiques pour devenir le fondateur de la cosmologie moderne.
Dans un premier temps, nous exposerons brièvement sa biographie
et nous présenterons ensuite ses principaux travaux scientifiques.
Georges Lemaître est né le 17 juillet 1894 à Charleroi
(Belgique). En 1914, il interrompt ses études d'ingénieur
à l'université de Louvain et s'engage dans l'armée.
A son retour de la guerre, il change de discipline et étudie alors la physique et les mathématiques. Il excelle d'ailleurs dans cette dernière matière puisqu'il soutient en 1920 un doctorat de mathématiques intitulé: "Sur l'approximation des fonctions à plusieurs variables". Dès cette époque, il manifeste une grande ouverture d'esprit dont il fera preuve toute sa vie: il obtient parallèlement à ses études de mathématiques un diplôme de philosophie.
Il décide alors de devenir prêtre, entre au séminaire de Malines et prépare, seul, en même temps une thèse sur la relativité et la gravitation dont la théorie vient juste d'être établie par Einstein. Il devient prêtre en 1923 et obtient une bourse du gouvernement belge.
Il va profiter de cette manne financière pour étudier à l'étranger. Il part tout d'abord pendant un an à Cambridge (en Angleterre) où il travaille avec l'astrophysicien Arthur Eddington sur l'astronomie stellaire. Cette rencontre sera très importante pour la suite de ses recherches, notamment pour la mise en place de ses modèles d'univers dynamiques. Ensuite il va aux États-Unis et soutient deux ans plus tard au M.I.T.1 une thèse sur les champs gravitationnels des fluides.
En 1925, il repart à Louvain et est nommé professeur en 1927, poste qu'il occupera jusqu'à son départ en retraite en 1964. Il reviendra de ce séjour à l'étranger avec tous les éléments nécessaires à la mise en place de ses théories, surtout pour son modèle d'univers (dit) hésitant et celui d'atome primitif. Pendant cette période, il jonglera entre ses cours, des séjours de recherches à l'étranger (M.I.T., Harvard, ...) et de nombreux prix scientifiques et récompenses. On peut en particulier citer : membre de l'Académie des Sciences Belge en 1941 et membre de l'Académie Pontificale des Sciences à sa création en 1940 (il en sera le président de 1960 jusqu'en 1966).
Il meurt le 20 juin 1966 peu après avoir pris connaissance de
la découverte du rayonnement du fond cosmologique à 2,7 K,
preuve de ses intuitions sur la naissance de l'univers.
Ces intuitions n'ont d'ailleurs pas toujours été très
bien accueillies dans le monde scientifique. Par exemple, en 1927, lorsqu'il
relie le "redshift"2
avec la théorie de l'expansion de l'univers. Puis lorsqu'il développe
à la suite de Friedmann, entre 1927 et 1931, son idée d'atome
primitif3.
Il s'attira la désapprobation d'Einstein: "Vos mathématiques
sont superbes, mais votre physique abominable". En effet, pour Einstein
les seules solutions possibles aux équations de la relativité
générale devaient correspondre à un univers statique,
tandis que Lemaître décrivait un univers dynamique.
Sa grande culture mathématique lui a permis d'étudier, notamment, deux sujets très difficiles: les trous noirs et la topologie de l'univers. Son étude sur les trous noirs prouve d'ailleurs sa clairvoyance et son génie mathématique. Elle intervient après un débat âpre rouvert par Schwarzschild. Bien que déjà prévu par Laplace et Michell à la fin du XVIIIe siècle dans le cadre de la mécanique newtonienne, Scharwzschild montra à l'aide de la relativité générale que le champ gravitationnel statique engendré par une masse sphérique sans rotation dans le vide présentait des singularités4 à un certain rayon critique5. Les physiciens de l'époque rejetèrent cette idée, par exemple Eddington décrira ce rayon comme étant "un cercle magique à l'intérieur duquel aucune mesure ne peut nous conduire", sauf un: Lemaître. En effet, dès 1933, il écrivait "La singularité du champ de Schwarzschild est une singularité fictive" [2]et proposa un système de coordonnées où les quantités infinies disparaissent. Hélas, cette publication passa inaperçue et il fallu attendre les années 1960 pour que l'on redécouvre la non-singularité de Schwarzschild: c'est-à-dire trente ans après la découverte de Lemaître (à ce sujet, on peut lire [5])!
Un autre sujet sur lequel s'est investi Lemaître concerne la topologie de l'univers. Les équations de la relativité générale décrivent les propriétés locales de l'univers mais pas sa structure générale, c'est-à-dire sa topologie: à une métrique locale donnée il peut correspondre une infinité d'univers de structure distincte. Tandis qu'Einstein et de Sitter en 1917 décrivait un espace-temps statique solution des équations de la relativité générale, Friedmann en 1922 et Lemaître en 1927 trouvaient indépendamment des solutions non-statiques. Ils comparairent la densité de l'univers r à une densité critique rcritique et aboutirent selon les différents cas à des espaces sphérique, euclidien ou hyperbolique c'est-à-dire fermé, plat ou ouvert. Mais comme le souligna Lemaître en 1958, il subsiste encore une indétermination sur le fait que l'univers soit à volume fini ou infini: "Il est vrai qu'un espace localement hyperbolique n'est pas nécessairement ouvert. Il est possible de construire de tels espaces ayant un volume fini. Cela est même vrai pour l'espace Euclidien." [3]
En simplifiant, la détermination de r (et donc de la topologie de l'univers) permettrait de connaître l'évolution future de l'univers depuis le Big Bang:
Enfin, n'oublions pas que Lemaître était un religieux. Parallèlement à ses recherches, Lemaître en tant que prêtre a toujours été un acteur de la communauté catholique qui l'entourait lors de ses déplacements par exemple en célébrant la messe. Contrairement au domaine scientifique où il est peu connu, Lemaître a gravi les échelons de la hiérarchie religieuse (à la fin de sa vie, il était devenu Monseigneur Lemaître). Bien qu'étant très actif dans l'église catholique, il n'a jamais fait de prosélytisme: par exemple, il ne faisait pas intervenir de dieu créateur dans le cadre de l'atome primitif. En conclusion, pour résumer la vision qu'avait Lemaître entre science et religion, on peut citer la réponse qu'il avait donnée au sujet de la création du monde qui aurait, selon la Bible, duré six jours alors que dans son modèle, l'univers avait plusieurs millards d'années: "Il n'y a pas de raison d'abandonner la Bible parce que nous pensons maintenant que cela a peut-être pris dix milliards d'années pour aboutir à ce que nous croyons être l'univers. La Genèse essaye simplement de nous apprendre qu'un jour par semaine doit être voué au repos, à la prière nécessaire à notre salut." (citation tirée de [1])
2le décalage du spectre des galaxies vers le rouge a été observé par les américains V. Slipher, E. Hubble et leurs collaborateurs
3communément appelé Big Bang depuis Gamow
4certaines composantes de l'espace-temps deviennent infinies
5r = 2GM/c2 avec M masse, G constante de gravitation et c vitesse de la lumière