Lemaître nasceu em Charleroi, na Bélgica, em 1894. Era o mais velho de quatro filhos. Seu pai, Joseph Lemaître, era um próspero tecelão industrial e sua mãe se chamava Marguerite Lannoy Lemaître. Depois da educação clássica no Colégio Jesuíta do Sagrado Coração, ele ingressou na Universidade Católica da Lovaina para estudar engenharia civil aos 17 anos. Em 1914 foi obrigado a interromper os estudos para servir como oficial de artilharia no exército belga por causa da I Guerra Mundial. Com o fim das hostilidades, recebeu a Medalha da Cruz de Guerra da Bélgica, com honras.
Após a guerra, Lemaître estudou matemática e física, e começou a estudar para se tornar padre, porém não com a Companhia de Jesus. Em 1920, obteve o doutorado com a tese l'Approximation des fonctions de plusieurs variables réelles (Aproximação de funções de várias variáveis reais), escrita sob a orientação de Charles de la Vallée-Poussin. Lemaître foi ordenado padre da Igreja Católica em 22 de setembro de 1923 pelo cardeal Désiré-Joseph Mercier.
Em 1923, tornou-se pesquisador associado em astronomia pela Universidade de Cambridge, passando um ano no St Edmund's College, no mesmo campus. Trabalhou ao lado de Arthur Eddington, um Quaker devoto e físico que o introduziu à moderna cosmologia, à análise numérica e astronomia estelar. O ano seguinte, Lemaître passou no Harvard College Observatory, em Cambridge Massachusetts, trabalhando com Harlow Shapley, que tinha acabado de ser reconhecido por seu trabalho com as nebulosas, e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, onde se inscreveu no programa de doutorado em ciências.



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