Geschiedenis van de wetenschappen in België. 1815-2000

[p. 131]

8 De algemene relativiteit en de kosmologie
Dominique Lambert

De kosmologie werd pas echt een discipline van de fysica na de opkomst van de algemene relativiteitstheorie, d.i. de relativistische zwaartekracht-theorie. Daarvoor had men immers niet echt een theorie om de kosmos op grote schaal noch de evolutie ervan in de tijd voor te stellen en te karakteriseren. In 1917 verkreeg Albert Einstein (1879-1955) vanuit zijn vergelijkingen van het zwaarteveld een oplossing die overeenkwam met een statisch (de relatieve afstand tussen twee punten van deze ruimte varieert niet), homogeen (constante dichtheid van materie) heelal met een bolgeometrie (als je een lichtstraal voor je uitzendt en lang genoeg wacht, valt ze op je rug!). Datzelfde jaar vond de Nederlandse astronoom Willem de Sitter (1872-1934) een oplossing van Einsteins vergelijkingen die overeenstemde met een kosmos zonder materie die evenwel vanuit een bepaald standpunt kon worden geïnterpreteerd als een uitdijend heelal. In 1922 en vervolgens in 1924 stelde de Rus Alexander Friedmann (1888-1925) vast dat er in realiteit een groot aantal oplossingen van Einsteins vergelijkingen zijn, corresponderend met sferische (ruimtelijk gesloten) of hyperbolische (ruimtelijk open) heelallen die inkrimpen of uitdijen. Hij zou evenwel niet de gelegenheid hebben om deze heelalmodellen te toetsen aan astronomische waarnemingen. Bovendien stelde Einstein de idee van een niet-statisch heelal geenszins op prijs.

Geschikte observatiegegevens om uit de heelalmodellen er één te selecteren, werden pas echt beschikbaar vanaf 1924-1925, wanneer het werk van Edwin Powell Hubble (1889-1953) een interessant kosmologisch fenomeen aan het licht bracht: de uitdijing van verafgelegen sterrenstelsels in alle richtingen aan een snelheid die proportioneel is aan hun verwijdering. Onmiddellijk kwam het probleem van een theoretische verklaring van dit fenomeen aan de orde. Moest het worden geïnterpreteerd als een beweging van sterrenstelsels in een statisch heelal of moest men er een aanwijzing in zien van de expansie van het heelal zelf? Arthur Eddington (1882-1944) en ook Edwin Hubble dachten er eerst aan het uitdijend karakter van het de Sitter-heelal te gebruiken, hoewel dit problematisch bleef vermits het geen massa bevatte!

Door de nabijheid van Nederland, waar met Johannes Droste, Adriaan Daniël Fokker, Hendrik Anthony Kramers, Hendrik Antoon Lorentz, Jan Arnoldus Schouten en uiteraard Willem de Sitter een briljante school in de relativiteit tot ontwikkeling kwam, was België goed geplaatst om de einsteiniaanse revolutie open tegemoet te treden. Vanaf het begin van de jaren '20 werd de algemene relativiteit grondig bestudeerd door Théophile De Donder (1872-1957). Hij was een oud-leerling van Henri Poincaré en professor aan de Université libre de Bruxelles. Hij redigeerde in 1922 het magistrale werk La gravifique einsteinienne. Hij trachtte de algemene relativiteit te vertalen in de taal van de variatieprincipes. De Donders invloed op de geschiedenis van de algemene relativiteit en van de kosmologie in België was bepalend.

Vanaf 1920 bestudeerde hij samen met Henri Vanderlinden (1892-1983), astronoom aan de Koninklijke Sterrenwacht van België, oplossingen van de Einstein-vergelijkingen die overeenstemden met een bolsymmetrische (maar niet noodzakelijk homogene) ruimte, en de vergelijkingen van het zwaarteveld in aanwezigheid van een bron van elektromagnetisch veld. Wat later trachtte De Donders leerling Maurice Nuyens (1901-1970), zich baserend op een werk van Henry Janne (1909-?) van de universiteit van Luik, deze studie van een niet-homogeen bolsymmetrisch heelal, die in 1933-1934 zou leiden tot het zgn. Tolman-Lemaître-model, te

[p. 132]

vervolledigen. Het dient gezegd dat dit soort heelal toentertijd in de mode was, en men vindt het ook terug bij Eddington. Léon Rosenfeld (afgestudeerd aan de universiteit van Luik) redigeerde onder leiding van Théophile De Donder trouwens een werk over de uitbreiding van de algemene relativiteit naar een vijfdimensionale ruimte-tijd (heelal van Kaluza-Klein).

De school van De Donder had een beslissende invloed op de jonge Georges Lemaître, een invloed die tot nu toe ruim onderschat is gebleven. Het was mede door de raadgevingen van zijn professor Maurice Alliaume dat hij in belangrijke mate heeft bijgedragen tot de introductie van de relativiteit in Leuven, en door de besprekingen in Revue des Questions scientifiques dat hij, tussen 1920 en 1923, kennis kreeg van bijna alle referenties betreffende de beperkte en de algemene relativiteit. Het staat vast dat Lemaître La gravifique en ook enkele werken van Vanderlinden langdurig bestudeerde alvorens in 1923-1924 bij Eddington te gaan werken. Het is dus niet verwonderlijk dat Lemaîtres proefschrift aan het MIT handelde over een statisch (niet-homogeen) bolsymmetrisch gravitatieveld. Tussen de bijzondere gevallen van dit model bevinden zich het Einstein-heelal (massief en statisch) en het de Sitter-heelal (zonder massa maar in expan-

Model van het universum van Lemaître volgens zijn leerling Odon Godart. In: Ciel et Terre, LXXXIII, 1967. Brussel, Académie royale de Belgique. ▪
ont eu une influence prépondérante sur loeuvre de Lemaîte, n'ont pas osé s' aventurer sur un terrain jugé trop glissant.

sie). Dit bracht de jonge priester op het idee van een soort ‘interpolatie’ van de twee heelallen. In 1927, in zijn fundamenteel kosmologisch artikel, gaf hij een dynamische vorm van deze ‘interpolatie’ in het kader van de homogene en isotrope heelalmodellen. Deze ‘interpolatie’, een heelal met constante massa, bolvormig, asymptotisch exponentieel uitdijend, in het verleden naar een Einstein-heelal, in de toekomst naar een de Sitter-heelal, gekenmerkt door een zero-dichtheid van de materie, was voor Lemaître het uitgelezen kader voor een verklaring van de door Hubble waargenomen roodverschuiving van het spectrum van verafgelegen sterrenstelsels.

In het begin van de jaren '30, na de formulering van zijn ‘oeratoom’-hypothese (zie de bijdrage van Helge Kragh) en na onderzoek van de mogelijkheid van de vorming van sterrenstelsels met behulp van zijn niet-homogeen bolsymmetrisch model, wendde Lemaître zich geleidelijk naar de eigenlijke kosmologie. Vanaf dan ging de kosmologie een andere richting uit. Immers, de algemene relativiteit kon niet volstaan om de totstandkoming van en de overvloed aan elementen in de kosmos te verklaren. De kosmologie moest dus de methoden van de kernfysica integreren. Lemaître was niet voorbereid om de ontwikkeling van dit soort fysica, waarin bijvoorbeeld Gamow, Meyer en Teller zouden uitblinken, te volgen. Zij waren de eersten om expliciet een theorie op te stellen die betekenis gaf aan de ‘oeratoom’-hypothese van Lemaître (die nooit enige vergelijking heeft opgesteld die dit ‘atoom’ effectief beschrijft).

Na de oorlog lieten de meeste kosmologen de ideeën van een ‘explosief’ begin van het heelal, zoals Lemaître en nadien Gamow en zijn school hadden voorzien, gedurende meer dan tien jaar links liggen. Immers, voor een groot aantal fysici, onder wie Einstein maar ook Eddington, leek de initiële singulariteit, vandaag big bang genoemd, eerder naar de metafysica dan naar de fysica te verwijzen. Hermann Bondi (^o1919), Fred Hoyle (^o1915) en Thomas Gold (^o1920) lanceerden het zgn. model van continue schepping van materie, het stationaire heelal, waarbij het universum op ieder moment en op alle plaatsen van de ruimte

[p. 133]

De voor- en tegenstanders van de steady-state-theory ontmoetten elkaar op het Solvay-congres van 1958. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles. ▪

dezelfde kenmerken vertoont (daarop slaat de formulering ‘perfect kosmologisch principe’). Aangezien men de expansie van het heelal niet kon ontkennen en dit op ieder moment dezelfde kenmerken moest vertonen, moest men dus een continue schepping van materie introduceren. Deze theorie werd pas volledig opgegeven na de ontdekking van de dieptestraling door Arno Penzias (^o1933) en Robert Woodrow Wilson (^o1936) in 1964, waarvan de natuurlijke verklaring te vinden was in de big bang-theorie.

België ontving na de oorlog, dankzij de Solvay-congressen (1948-1959) en de bijeenkomsten aan de universiteit van Luik, zowel de verdedigers van de big bang-theorie als de aanhangers van de ‘steady-state-theory’. Er is evenwel nooit interactie geweest tussen al deze wetenschappers en Lemaître. Er is dus nooit, en dat kan men betreuren, een echte Belgische school in de kosmologie rond zijn figuur geweest, terwijl rond De Donder wel degelijk een Belgische school in de algemene relativiteit is gevormd.

Op het einde van de jaren '50 kende de belangstelling voor de algemene relativiteit een opleving bij de Belgische theoretische natuurkundigen en mathematici. In juni 1959 organiseerde Jules Géhéniau (1909-1991), met de steun van het Belgisch Centrum voor Wiskundig Onderzoek (BCWO), aan de Université libre de Bruxelles een colloquium over - onder meer - de oplossingen van de

[p. 134]

Einstein-Maxwell-vergelijkingen, Einsteins unitaire veldtheorie, de toepassing van de technieken van de groepentheorie op de algemene relativiteit. Jacques Tits, later professor aan het Collège de France, hield er een exposé over ‘Les espaces isotropes de la relativité’. Nogmaals, en vreemd genoeg, kwam Lemaître niet aan het woord op dit colloquium, terwijl hij toch vrij regelmatig aan de activiteiten van het BCWO deelnam.

In de volgende jaren verrichten tal van Belgische universiteiten essentieel theoretisch onderzoek over de heelalmodellen; de theorie van de elementaire deeltjes werd geïntegreerd en steeds meer werd gebruikgemaakt van de informatica.