|
| |
| |
| |
Georges Lemaître en Albert Einstein te Pasadena. Californië. Leuven, Archief KULeuven ▪
| |
| |
| |
7 Georges Lemaître, een boegbeeld van de kosmologie
Helge Kragh
Georges-Henri-Joseph-Edouard Lemaître, geboren in Charleroi op 17 juli 1894, was de grondlegger van de moderne fysische kosmologie. Hij ontdekte onafhankelijk het uitdijend heelal, en was de eerste die een ‘big bang’-model van het universum voorstelde, dit wil zeggen een model waarin het universum een eindige leeftijd heeft en is ontstaan door een ‘explosie’ in het verre verleden.
Reeds op jonge leeftijd voelde Lemaître zich aangetrokken tot de exacte wetenschappen, maar na drie jaar ingenieursstudies aan de Katholieke Universiteit van Leuven moest hij zijn academische carrière onderbreken omwille van de Eerste Wereldoorlog. Hij deed dienst in het Belgische leger van 1914 tot 1919, en koos dan voor wis- en natuurkunde, waarin hij in 1920 afstudeerde. Tezelfdertijd studeerde hij theologie aan het Sint-Rombouts-college, een katholiek seminarie; hij werd tot priester gewijd in 1923. Gedurende zijn hele leven zou Lemaître een dubbele loopbaan hebben, zowel die van wetenschapper als die van priester in de kerkelijke hiërarchie. In 1936 werd hij lid van de nieuwe Pauselijke Academie voor Wetenschappen, waarvan hij in 1960 het voorzitterschap kreeg toegewezen.
De jonge Lemaître was gefascineerd door Einsteins algemene relativiteitstheorie die in de vroege twintiger jaren nog grotendeels onbekend was voor de Leuvense fysici en die slechts door enkele Belgische natuurkundigen ernstig werd bestudeerd, in het bijzonder door Théophile De Donder (1872-1957) aan de Université libre de Bruxelles. Bijgevolg stond Lemaître er alleen voor om dit moeilijke onderwerp onder de knie te krijgen. In 1922 schreef hij over het onderwerp een 131 bladzijden tellend manuscript La physique d'Einstein, dat echter pas veel later, in 1996, zou worden gepubliceerd. Wilde hij bijdragen tot het onderzoek van de relativiteitstheorie - in die tijd beschouwd als een esoterisch en duister wiskundig onderwerp - dan moest Lemaître over de grenzen van België kijken. In 1923 verwierf hij fondsen van de Belgische regering en van de Amerikaanse Commission for Relief in Belgium (CRB) die hem toelieten naar Engeland en de Verenigde Staten te gaan. Aan de universiteit van Cambridge werd hij onderzoeksstudent onder Arthur Eddington (1882-1944), een van de grootste autoriteiten ter wereld inzake algemene relativiteit. Eddington was erg onder de indruk van zijn student en in 1924, nadat Lemaître het Engelse Cambridge had ingeruild voor het Amerikaanse, liet de Britse relativist in vertrouwen aan De Donder weten dat hij Lemaître ‘een uiterst briljant student’ vond, ‘ongelooflijk snel en scherpzinnig, en wiskundig zeer begaafd’.
De briljante en scherpzinnige Belg was dan al op de hoogte van de nieuwe kosmologische theorieën die voortsproten uit Einsteins oorspronkelijk werk van 1917 en Willem de Sitters alternatieve theorie uit datzelfde jaar. Reeds in 1924, toen Lemaître de Atlantische Oceaan overstak, voelde hij zich aangetrokken tot de kosmologie en de astrofysica, en zijn interesse voor deze domeinen werd nog gevoelig versterkt tijdens de jaren van zijn postgraduaat in de Verenigde Staten, waar hij zich van wiskundig natuurkundige ontpopte tot theoretisch astrofysicus. Zo was hij eind 1924 aanwezig op het beroemde congres in Washington, waar Edwin Hubble (1889-1953) de ontdekking van Cepheïden in spiraalsterrenstelsels bekendmaakte, en hij begreep vlug dat het nieuwe concept van een ‘eilanduniversum’ gevolgen zou hebben voor de bestaande relativistische theorieën van de kosmologie. Lemaîtres denken resulteerde in een belangrijk - maar toentertijd amper opgemerkt - artikel uit 1925 waarin hij concludeerde dat noch Einsteins noch de Sitters wereldmodellen correcte beschrijvingen van
| |
| |
Autograaf van La physique d'Einstein, geschreven in 1922, gepubliceerd in 1996. Louvain-la Neuve. Université catholique de Louvain, Archives Lemaître ▪
het universum konden zijn. Maar hoe moest die beschrijving er dan wel uitzien? Lemaître vond de oplossing in 1927, nadat hij naar België was teruggekeerd en was benoemd aan de universiteit van Leuven. Zonder te weten dat de Russische fysicus Alexander Friedmann (1888-1925) het probleem vijf jaar eerder had opgelost, analyseerde Lemaître in een briljant artikel de oplossingen van Einsteins kosmologische veldvergelijkingen en ontwierp hij de fundamentele bewegingsvergelijkingen, later bekend geworden als de Friedmann-Lemaîtrevergelijkingen. (De vergelijkingen van Lemaître, die rekening hielden met de stralingsdruk, waren overigens iets algemener dan die van Friedmann.) In tegenstelling tot de Russische fysicus streefde Lemaître naar een realistisch model en relateerde hij zijn theorie aan de waargenomen recessie van de sterrenstelsels. Zijn model was een poging een fysisch realistische kosmologie te ontwikkelen, eerder dan een louter wiskundige oefening in algemene relativiteit. Hij concludeerde dat het universum uitdijt en hij leidde het lineaire verband af tussen recessiesnelheid en afstand dat gewoonlijk met Hubble wordt geassocieerd. Twee jaar eerder dan Hubble concludeerde hij dat ‘de recessiesnelheid van extragalactische nevels een kosmisch effect is van de uitdijing van het heelal’ en hij berekende zelfs dat de (toen nog niet zo genoemde) Hubbleconstante in goede overeenstemming was met de door Hubble in 1929 uit de waarnemingen berekende waarde.
Het artikel in Annales de la Société scientifique de Bruxelles is een klassieker in de kosmologie, maar in de late jaren 1920 maakte het helemaal geen indruk. Integendeel, het werd volstrekt genegeerd door fysici en astronomen, die nog niet klaar
| |
| |
Artikel waarin Georges Lemaître het eerste big bang-model suggereerde. gepubliceerd in Nature. 9 mei 1931. Brussel. Académie royale de Belgique ▪
| |
| |
waren om een uitdijend heelal te accepteren. De meeste wetenschappers wisten eenvoudigweg niet dat het artikel bestond aangezien het was gepubliceerd in een relatief obscuur Belgisch tijdschrift, en het hielp niet dat het herdrukt werd in de nog obscuurdere Publications du Laboratoire d'Astronomie et de Géodésie de l'Université de Louvain. Einstein, die Lemaîtres theorie kende, vond in 1927 de idee van een uitdijend heelal ‘abominabel’. Eddington, aan wie Lemaître een overdruk had bezorgd, las het artikel niet of vergat het. De ommekeer kwam in 1930, nadat Hubbles waarnemingen een bewijs hadden geleverd voor een uitdijend heelal. De theoretische astronomen werden daardoor gedwongen te aanvaarden dat het universum niet statisch is. Sterk gesteund door Eddington en de Sitter werd Lemaîtres theorie nu beschouwd als een omwenteling in de kosmologie. De auteur werd op slag een wetenschappelijke beroemdheid. Met de (her)ontdekking van de theorie uit 1927 onderging de kosmologie een onomkeerbare paradigmawisseling: het universum is niet statisch maar in een toestand van expansie; miljarden jaren vroeger zag het er heel anders uit dan nu.
Lemaîtres theorie uit 1927 - vaak aangeduid als het Lemaître-Eddington-model - beschreef het universum vertrekkend vanuit een statisch Einstein-universum en was dus een uitdijend model van oneindige leeftijd. Reeds in 1931 maakte Lemaître een andere grote conceptuele innovatie, namelijk de introductie van een universum met een begin in de tijd. Het korte artikel in Nature van 9 mei 1931, waarin hij het allereerste big bang-model suggereerde, is een van de meest opmerkelijke artikels uit de hele wetenschapsgeschiedenis. Geïnspireerd door de kwantumtheorie speculeerde Lemaître dat ‘wij het begin van het universum zouden kunnen opvatten in de vorm van een enkel atoom, waarvan het atoomgewicht de totale massa van het universum is ... [en dat] zou uiteenvallen in steeds kleinere atomen door een soort superradioactief proces’. Hij was er zich zeer goed van bewust dat de idee van een begin van de wereld religieuze associaties zou kunnen oproepen, en hij was eerst ook van plan om aan zijn artikel een korte paragraaf over dit aspect toe te voegen. Echter, de verwijzing naar God in zijn typoscript van maart 1931 kwam niet terecht in de gepubliceerde versie. Bij nader inzien besloot Lemaître dat het onverstandig was God te introduceren in zijn uitdrukkelijk als wetenschappelijk voorgestelde suggestie.
Het is niet precies bekend hoe Lemaître tot de hypothese van het oeratoom-universum kwam, maar radioactiviteit en de onzekerheidsrelaties uit de kwantummechanica schijnen zijn belangrijkste inspiratiebronnen te zijn geweest. Hij was onder de indruk van het feit dat de halveringstijden van uranium en thorium vergelijkbaar waren met de Hubbletijd (het omgekeerde van de Hubbleconstante) en hij geloofde dat dit erop zou kunnen wijzen dat ons huidig universum het bijna uitgedoofde resultaat is van een vorig superradioactief universum. Maar als de wereld een begin had, hoe kon dit dan wetenschappelijk verklaard worden? Immers, verklaringen refereren naar voorafgaande beginvoorwaarden, en er kon niets vroeger zijn dan de oorsprong op t = 0. Lemaître besefte dat dit filosofische probleem uitging van een deterministisch wereldbeeld en dat het probleem zich niet zou stellen in een niet-deterministisch kwantumsysteem. Hij drukte deze visie uit op volgende elegante wijze: ‘Het is duidelijk dat het beginkwantum in zichzelf niet de hele oorzaak van de evolutie kan bevatten; maar conform het onzekerheidsprincipe ... moet het hele verhaal van de wereld niet neergeschreven zijn in het eerste kwantum zoals een lied op de schijf van een fonograaf. Alle materie van de wereld moet bij het begin aanwezig zijn geweest, maar het verhaal dat zij te vertellen heeft, kan stap voor stap worden geschreven’.
De ‘vuurwerk-’ of ‘oeratoomtheorie’ werd omgezet van een poëtische visie in een wiskundig geformuleerde kosmologie in de jaren 1931-1934, wanneer Lemaître grotendeels alleen stond in de verdediging van de idee van een in het verleden gecreëerd universum. Het model veronderstelde als startpunt een klein oeruniversum met grote dichtheid eerder dan een echte singulariteit in de ruimte-tijd. Met behulp van de kosmologische constante geïntroduceerd door Einstein in 1917 suggereerde Lemaître een onbepaalde zgn. ‘stagnatiefase’ waarin kosmische materie condenseerde en sterrenstelsels wer-
| |
| |
Georges Lemaître en Manuel Vallarta (beiden links op de foto). Louvain-la-Neuve. Université catholique de Louvain, Archives Lemaître ▪
den gevormd. De stagnatiefase liet bovendien toe het veelbesproken tijdschaalprobleem te omzeilen, waarbij een universum jonger is dan zijn onderdelen. Terwijl de meeste kosmologen Einstein volgden in het opgeven van de kosmologische constante, bleef Lemaître geloven dat een niet-nulconstante een essentieel onderdeel was van de relativistische kosmologie. Vele jaren na Lemaîtres dood zou de kosmologische constante, nu geïnterpreteerd als een negatieve vacuümdichtheid, opnieuw aan belang winnen in het kosmologisch onderzoek. Interessant om weten is dat deze interpretatie reeds door Lemaître was aangegeven in 1933, maar op dat moment kreeg ze geen aandacht.
Maar was het door Lemaître gesuggereerde explosie-universum meer dan een ‘briljant uitgedacht jeu d'esprit’, zoals Ernest Barnes, bisschop van Birmingham opmerkte? Was er enig bewijs voor de oerknal? Lemaître dacht van wel en hij beschouwde de kosmische straling als ‘de as en de rook van een helder maar zeer snel vuurwerk’, dit wil zeggen als restanten van het uiteenvallen van het oeratoom waaruit de sterren ooit zijn gevormd. Indien dit het geval was dan zouden kosmische stralen moeten bestaan uit geladen deeltjes met energieën die de expansie van het universum reflecteerden. Of, zoals hij het in 1949 stelde, ‘materie is niets anders dan gecondenseerde kosmische stralen’. Samen met de Mexicaanse fysicus Manuel Vallarta werkte hij dit idee verder uit in een reeks gecompliceerde berekeningen van de energie en de baan van geladen deeltjes in het aardmagnetisch veld. In 1933 concludeerden Lemaître en Vallarta dat hun werk ‘enige experimentele ondersteuning gaf aan de theorie van de superradioactieve oorsprong van de kosmische straling’, maar ze slaagden er niet in de meerderheid van de fysici en astronomen die sceptisch stonden tegenover de oeratoomtheorie te overtuigen. Het begin van de wereld was een revolutionair concept dat moeilijk te aanvaarden was. Wetenschappers hadden tijd nodig om aan het idee te wennen. De algemene visie was dat Lemaîtres theorie eerder een wiskundige mogelijkheid was dan een realistisch model van hoe het universum zich had ontwikkeld. Zoals de Amerikaanse kosmoloog Richard Tolman (1881-1948) in 1934 zei: ‘De ontdekking van modellen die de expansie laten starten vanuit een singuliere toestand met een volume gelijk aan nul mag niet worden verward met een bewijs dat het huidige universum ontstond op een eindig tijdstip
| |
| |
Frontispice van L'hypothèse de l'atome primitif. Essai de cosmogonie (1946). Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Archives Lemaître ▪
in het verleden’. De geleidelijke aanvaarding omstreeks 1940 van de idee van een big bang-universum werd niet veroorzaakt door Lemaîtres theorie, maar vooral door pogingen om het voorkomen en de relatieve verdeling van chemische elementen te begrijpen in termen van nucleaire processen in het vroege universum.
In een artikel uit 1933 onderzocht Lemaître anisotrope kosmologische modellen om te achterhalen of ze verenigbaar waren met een niet-singulaire begintoestand, waardoor het nul volume en oneindige dichtheid op t = 0 vermeden konden worden. Hij kwam tot de bevinding dat dit niet het geval was en dat, onder bepaalde voorwaarden, de initiële singulariteit onvermijdelijk was. Lemaîtres conclusie was een voorloper van het later zeer bekende singulariteitstheorema, geformuleerd in de jaren 1960 door Stephen Hawking (o1942) en anderen, en ze was ook een vroege bijdrage tot de theorie van de zwarte gaten. Echter, ondanks zijn wiskundige resultaten geloofde Lemaître niet in de fysische realiteit van singulariteiten. Hij suggereerde dat kwantumeffecten bij extreem hoge dichtheden de initiële kosmische singulariteit, die leek te volgen uit de algemene relativiteitstheorie, op een of andere manier zouden verhinderen.
Rond het midden van de jaren 1930 had Lemaître zijn kosmologisch onderzoeksprogramma grotendeels voltooid, en hij hield eraan vast gedurende de rest van zijn leven. De decennia na 1935 waren wetenschappelijk heel wat minder vruchtbaar dan het decennium tussen 1925 en 1935, wanneer hij zijn reputatie vestigde als origineel kosmologisch vernieuwer. Lemaîtres voorstelling van de kosmologie kreeg uitgebreid aandacht met de publicatie in 1946 van zijn L'hypothèse de l'atome primitif, dat in verschillende talen werd vertaald en dat de oeratoomhypothese ruimere bekendheid gaf. Maar noch dit boek, noch Lemaitres andere naoorlogse publicaties over kosmologie bevatten nieuwe ontwikkelingen. In 1947 woonde hij in Brussel een symposium bij over Théories nouvelles de relativité, waarbij de Britse kosmoloog Edward Milne (1896-1950) een lezing gaf over zijn onorthodoxe versie van de big bang-theorie. Lemaître maakte duidelijk dat hij Milnes theorie niet kon aanvaarden omdat hij ze arbitrair en kunstmatig vond - Lemaître was altijd een orthodox relativist en verwierp theorieën die niet waren gebaseerd op Einsteins algemene relativiteitstheorie. In 1958 hield hij een lezing op het Solvay-congres, gewijd aan La structure et l'évolution de l'Univers, waarin hij een overzicht gaf van zijn theorie maar volstrekt voorbij ging aan de vooruitgang die zich sinds 1933 in de kosmologie had voorgedaan. En drie jaar later, op een conferentie te Santa Barbara in de Verenigde Staten, presenteerde hij opnieuw een model dat in essentie hetzelfde was als dat wat hij dertig jaar eerder had voorgesteld. In het algemeen ontweek Lemaître na 1945 de wetenschappelijke schijnwerpers. Terwijl hij in de jaren dertig een onvermoeibaar reiziger was geweest, verkoos hij nu een rustig leven in België en ging hij nog maar zelden naar het buitenland. Toen hem bijvoorbeeld in 1951
de post van ‘visiting professor’ aan het Institute for Advanced Studies te Dublin werd aangeboden, weigerde hij.
| |
| |
Hoewel Lemaître de basis legde van de evolutionaire kosmologie met zijn werken van 1927 en 1931, kwam de echte doorbraak van de big bang-theorie er pas in 1948 met het ‘hete big bang-model’, ontwikkeld door George Gamow (1904-1968) en zijn medewerkers Ralph Alpher en Robert Herman. De nieuwe ontwikkeling was op meerdere wijzen consistent met Lemaîtres verwachtingen uit de jaren dertig, maar toch koos hij ervoor de nieuwe big bang-theorie te negeren en deed hij geen pogingen om in contact te komen met Gamow. Lemaîtres terughoudendheid en gebrek aan interesse hadden waarschijnlijk te maken met zijn beperkte vertrouwdheid met de kernfysica en ook met zijn algemene visie hoe een theorie van het heelal er zou moeten uitzien. Gamows kosmologie was gebaseerd op kern- en deeltjesfysica, een veld waarvoor Lemaître noch belangstelling toonde, noch over de nodige kennis beschikte, en dat hij beschouwde als theoretisch onvolgroeid in vergelijking met de mooie algemene relativiteitstheorie. Ook gaf hij geen blijk van interesse in de controverse tijdens de jaren 1950 tussen de big bang-theorie en de nieuwe steady-state-theorie, hoewel het geen twijfel lijdt dat hij de steady-state-theorie verafschuwde. Toen het Institut d'Astrophysique van de universiteit van Luik in 1953 een grote conferentie organiseerde over kernastrofysica waaraan verschillende kosmologen van de nieuwe generatie deelnamen, was Lemaître van de partij. Wanneer Gamows big bang-theorie in 1965 nieuw leven werd ingeblazen met de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling en door de interpretatie ervan door Robert Dicke en James Peebles, was dit niet alleen voor Gamow, maar ook voor de oude Lemaître een overwinning. Hij werd op de hoogte gebracht van de nieuwe ontwikkelingen kort voor zijn dood op 20 juni 1966.
Als priester en wetenschapper was Lemaître zich volledig bewust van het potentiële conflict - ofwel de harmonie - tussen het christelijke dogma van een door God geschapen wereld en de wetenschappelijke theorie van een universum dat zowat tien miljard jaar geleden werd gevormd. Lemaître hoedde er zich echter voor, in tegenstelling tot sommige andere christelijke kosmologen, om wetenschap en theologie met elkaar te verwarren en een van beide te gebruiken als legitimatie van de ander. Zo lette hij er bijvoorbeeld op dat hij een onderscheid maakte tussen het ‘begin’ en de ‘schepping’ van de wereld, en hij sprak nooit over de initiële big bang in termen van laatstgenoemd concept. Hij geloofde dat wetenschap en theologie twee van elkaar gescheiden velden zijn en dat de big bang-kosmologie de christelijke notie van Gods schepping van de wereld bevestigde noch weerlegde. Dit onderstreepte hij in zijn toespraak uit 1958 voor het Solvay-congres, waar hij zei dat de big bang-theorie ‘volledig buiten ieder metafysisch of religieus vraagstuk blijft’. In het uitstekende herdenkingsartikel over Lemaître, geschreven voor de Pauselijke Academie der Wetenschappen in 1968, brengt Dirac een gesprek met hem over de kosmische evolutie in herinnering: ‘omdat ik me aangemoedigd voelde door de grootsheid van het beeld dat hij ons had geschonken, zei ik hem dat volgens mij de kosmologie de tak van de wetenschap is die het dichtst bij de godsdienst ligt’. Maar Lemaître ging niet akkoord met Dirac: ‘Na enkele overpeinzingen suggereerde hij de psychologie als nauwst bij de godsdienst aansluitende tak’.
Als epistemologisch optimist geloofde Lemaître dat God de mens intellectuele gaven had geschonken om het hem mogelijk te maken ieder aspect van het universum te ontdekken. Het universum ontsnapt niet aan de menselijke mogelijkheden, zei hij vaak, wat verre van een triviale opmerking was in een tijd dat vele filosofen en wetenschappers betwijfelden of de kosmologie ooit een volwaardige wetenschap zou worden. Lemaîtres geloof in twee afzonderlijke begripsniveaus, een wetenschappelijk en een religieus, impliceerde niet dat hij de kosmologie irrelevant vond voor het religieuze denken. Hij geloofde dat religieuze en filosofische waarden belangrijk, ja zelfs essentieel, waren voor de wetenschapper op een breder ethisch niveau, maar zij zouden nooit mogen tussenkomen in zijn methoden of conclusies. Zoals hij het in 1934 stelde: ‘Een grondig zoeken naar de waarheid vereist het onderzoek van de ziel evenzeer als het onderzoek van spectra’.
Hoewel zijn wortels in België lagen, vond veel van Lemaîtres innoverend werk plaats buiten zijn
| |
| |
geboorteland, hetzij in Engeland, hetzij in de Verenigde Staten. In de jaren twintig en dertig had hij veel in het buitenland vertoefd, en hij had nauwe betrekkingen aangeknoopt met eminente fysici en astronomen, onder wie Einstein, Dirac, Schrödinger, Hubble, Shapley, Eddington, Tolman en Russell. Hij creëerde geen Belgische kosmologieschool, maar via zijn medewerkers en studenten drukte hij toch een langdurige stempel op de Belgische wetenschap. In het domein van de kosmologie was hij grotendeels een eenzaat, en maar zelden werkte hij samen met andere wetenschappers of aanvaardde hij doctoraatsstudenten. Zijn eerste doctoraatsstudent was J. Wouters, die in de vroege jaren 1930 een dissertatie voltooide waarin hij in detail het stagnatieproces onderzocht waarop Lemaîtres big bang-model rustte. Het was vooral in andere domeinen van de astrofysica en de theoretische fysica dat Lemaître zijn studenten aanmoedigde. In het bijzonder zijn kosmische stralingberekeningen met Vallarta resulteerden in onderwerpen voor verschillende doctoraatsstudenten aan de universiteit van Leuven, zoals Louis Bouckaert, Alphonse Descamps, Odon Godart en Lucien Bossy. Andere studenten of medewerkers van Lemaître waren: André Deprit, Jacques Demaret, André Berger, Paul Pâquet, Jacques Steyaert, René De Vogelaere en Jacques Henrard. Buiten Leuven kregen Lemaîtres kosmologische theorieën lange tijd zeer weinig aandacht. Het centrum van de Belgische astrofysica was het internationaal vermaarde Institut d'Astrophysique (oorspronkelijk Institut d'Astronomie et de Géodésie) van de universiteit van Luik, maar de Luikse astrofysici toonden geen belangstelling voor kosmologische vraagstukken. Enkel in 1966, na Lemaîtres dood, verwees een van de Luikse publicaties naar de big bang-theorie van de kosmoloog uit Leuven. In een overzichtsartikel gewijd aan de productie van kosmisch helium
vermeldde Paul Ledoux, een toonaangevend Luiks astrofysicus, ‘de erg originele ... hypothese van het oeratoom door onze eminente en betreurde collega, wijlen Mgr Lemaître’.
|
|
Auteursrechtelijk beschermd