Georges Lemaître: vader van de Big Bang Theory

Georges Lemaître (1894-1966) was aanvankelijk bestemd voor het ingenieursvak. Maar in november 1918, thuis van het front, wendde hij zich tot wiskunde en natuurkunde. Dankzij hen en zijn grote talent was hij in dertig jaar in staat om de relativiteitstheorie van Einstein (1915) en de waarnemingen van de grootste astrofysici van de jaren twintig te begrijpen en vooral convergenties tot stand te brengen. Ze deelden allemaal dezelfde vragen: waar is het universum van gemaakt? Hoe moeten we ruimte en tijd begrijpen? In 1927 en 1931 stelde Georges Lemaître twee hypothesen die de kosmologie in de war brachten: het universum breidt zich uit en zijn geboorte is de vrucht van de eerste explosie van een concentratie van energie. De hedendaagse kosmologie heeft Lemaître's fundamentele intuïties bewaard en bevestigd wat hij in theorie poneerde. Een "primitief atoom" bracht het universum voort.

Korte biografie

LEMAITRE (Georges - Henri - Joseph - Edouard, Mgr), astronoom, kosmoloog en professor aan de Katholieke Universiteit Leuven, werd geboren in Charleroi (België) op 17 juli 1894 en overleed te Leuven op 20 juni 1966. Hij was pas 9 toen hij zijn dubbele roeping als priester en wetenschapper al voelde. Na zijn middelbare school aan de jezuïeten ging hij op 17 jarige leeftijd naar de ingenieursschool van de Katholieke Universiteit Leuven. In 1914 onderbrak hij zijn studie en diende vrijwillig in het Belgische leger. Aan het einde van de oorlog kreeg hij de "Croix de guerre avec palmes" (oorlogskruis met palmen).

 

Hij begon toen natuurkunde en wiskunde te studeren en ging ook de sacerdotale status in. Hij promoveerde in 1920 op een proefschrift over "L'approximation des fonctions de plusieurs variables réelles" (Benadering van functies van vele reële variabelen) onder leiding van prof. Charles de la Vallée Poussin.

 

Het oorlogsdrama had een diepe impact op zijn leven: hij ging naar het Malines seminarie en werd in 1923 tot priester gewijd. Maar noch de oorlog, zijn studies, noch zijn roeping droogden zijn nieuwsgierigheid op: al in 1920 bestudeerde hij de relativiteitstheorie en assimileerde deze goed. In 1923 bezocht hij de Universiteit van Cambridge in Engeland, waar hij een beurs van de Belgische overheid en een beurs van het Committee for Relief in Belgium van de Belgian American Educational Foundation kreeg.

Daar ontmoette hij de astronoom - relativist Arthur Stanley Eddington, die hem initieerde tot moderne stellaire astronomie en numerieke methoden. Het volgende jaar heeft hij doorgebracht aan het Harvard College Observatory of Cambridge (USA) met Harlow Shapley, die bekend stond om zijn werk aan nebulaire hemellichamen. Aan het MIT promoveerde hij in de wetenschap. Hij was CRB fellow in de jaren 1924-1925. In 1925 werd hij benoemd tot "chargé de cours" aan de Universiteit van Leuven. Hij begon te werken aan het thema dat hem de internationale bekendheid zou brengen. In 1927 publiceerde hij een artikel in de "Annales de la Société scientifique de Bruxelles" : "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques" (Een homogeen universum met constante massa en toenemende straal die de radiale snelheid van extragalactische nevels verklaart). Daar presenteerde hij het zeer nieuwe concept van de fysische expansie van het universum.

 

Einstein, hoewel hij de wiskundige theorie van Lemaître goedkeurde, weigerde eerst het idee van een uitdijend universum te accepteren. Hij zag het als onveranderlijk, maar zou dit later herkennen als de grootste fout van zijn leven. Lemaître maakte zich geen zorgen over eer, noch vond hij het nuttig om zijn ideeën te verspreiden en zijn artikel breder te publiceren. In feite concentreerde hij zich al op een nieuwe uitdaging: het oplossen van het probleem van het begin van het universum. In datzelfde jaar (1927) ging hij terug naar MIT en presenteerde zijn proefschrift over "The gravitational field in a fluid sphere of uniform invariant density according to the theory of relativity". Hij behaalde de graad van "Doctor in de wijsbegeerte" aan het MIT en werd nadien benoemd tot gewoon hoogleraar aan de Université catholique de Louvain.

In 1931 publiceerde zijn voormalige meester Eddington een Engelse vertaling van zijn artikel uit 1927 met een lange opmerking. Lemaître werd daarna uitgenodigd in Londen om deel te nemen aan een bijeenkomst van de British Association over de relatie tussen het fysieke universum en het leven van de geest. Daar stelde hij voor het eerst het idee voor van een enkelvoud begin van het uitdijende Universum. Dit idee werd uitgelegd in een memorandum gepubliceerd in de Monthly Notices van de Royal Astronomical Society. Dit voorstel leverde een sterke reactie op van de wetenschappelijke gemeenschap van die tijd. Eddington vond dit een weerzinwekkende hypothese. Op 9 mei 1931 beantwoordt Lemaître Eddington in een brief gepubliceerd in 'Nature' door zijn ideeën te presenteren die later leidden tot het concept van het "oeratoom". Wat Einstein betreft, vond hij dit een verdacht idee omdat het volgens hem te veel het christelijke dogma van de schepping suggereerde en niet vanuit fysiek oogpunt moest worden verdedigd. Het debat tussen kosmologie en religie werd polemisch en duurde tientallen jaren. In dit debat scheidde Lemaître onophoudelijk wetenschap en geloof. Lemaître ontmoette Einstein meermaals: in 1927 in Brussel tijdens een Natuurkundecongres van "Solvay", in 1931 en 1933 in het Athenaeum van Pasadena (California Institute of Technology), in 1932 in België opnieuw tijdens een cyclus van conferenties in Brussel, en een laatste keer in 1935 in Princeton.

 

In 1933, het jaar dat hij werkte aan de theorie van het groeiende universum (gepubliceerd in de Annales de la Société scientifique de Bruxelles), was Lemaître op het hoogtepunt van zijn roem. Amerikaanse kranten noemden hem "de beroemde Belgische wetenschapper" en hij werd beschouwd als de leider van de nieuwe kosmologische fysica. Op 17 maart 1934 ontving Lemaître de Francquiprijs, de hoogste Belgische wetenschappelijke onderscheiding, die koning Leopold III hem gaf. Albert Einstein en de academici Charles de la Vallée Poussin en A. de Hemptinne stelden zijn naam voor deze beroemde prijs voor. De internationale jury van de Francqui Prize bestond ook uit Eddington, Langevin, de Donder en Dehalu. Een ander onderscheid dat de Belgische regering reserveert voor uitzonderlijke wetenschappers werd hem in 1950 toegekend als de "Prix décennal des sciences appliquées pour la période 1933- 1942" (decadalprijs voor toegepaste wetenschappen voor de periode 1933-1942). In 1936 werd hij verkozen tot lid van de Pauselijke Wetenschapsacademie, waar hij van 1960 tot aan zijn dood een actieve rol speelde als voorzitter. In 1960 werd hij ook prelaat. In 1946 publiceerde hij zijn boek over de " Hypothèse de l'Atome Primitif " bij de Editions du Griffon in Neuchâtel (Zwitserland). Dit boek, voorafgegaan door de filosoof Ferdinand Gonseth, werd in hetzelfde jaar in het Spaans en in 1950 in het Engels vertaald. Tijdens dit decennium verliet hij geleidelijk het onderwijs dat ten einde kwam toen hij emeritus werd in 1964.

 

Tegen het einde van zijn leven wijdde hij zijn tijd steeds meer aan numerieke berekeningen. In feite was hij een opmerkelijke rekenaar, algebraloog en rekenkundige. Al in 1930 gebruikte hij de meest krachtige rekenmachines van die tijd, zoals de Mercedes. In 1958 introduceerde hij een Burroughs E101 aan de universiteit als eerste elektronische computer. Lemaître was zeer geïnteresseerd in de ontwikkeling van computers, en nog meer in de problemen van programmeertalen en het schrijven van programma's. Toen ik ouder werd, nam deze interesse grotere proporties in tot het punt waarop hij hem bijna volledig absorbeert! Hij was sociaal, toegewijd aan zijn studenten en medewerkers, maar bleef een geïsoleerd onderzoeker en men vindt slechts weinig correspondentie of wetenschappelijke uitwisseling met zijn buitenlandse collega's. Als deze onmiskenbare voorloper van de moderne kosmologie in de schaduw blijft van grote 3 namen uit de XXe eeuw (zoals Einstein, Eddington, Hubble en Gamov in het bijzonder) is dit waarschijnlijk te wijten aan het feit dat hij een priester was (Fred Hoyle, die de naam "Big Bang" heeft bedacht, heeft hem dit nooit vergeven!) en aan de dubbelzinnigheid van de persoon , tegelijkertijd bescheiden en vol van zichzelf. Bescheiden omdat hij eer verachtte en nooit roem zocht. Maar vol van zichzelf in zijn manier om, althans in privékringen, zijn capaciteiten van wiskundige en de originaliteit van zijn ideeën te bevestigen. Dit weerhield hem er niet van om een open, eerlijk, vrolijk en optimistisch karakter te tonen, altijd met een opmerkelijke flexibele geest.

 

  1. Een samenvatting van Lemaître's werk

 

Georges Lemaître (1894-1966) is een van de grote namen van de moderne kosmologie. Als vriend van Einstein was hij de eerste in 1927 die de rode verschuiving van het spectrum van sterrenstelsels uitlegde die Edwin Hubble waarnam als gevolg van de uitbreiding van het universum. Met behulp van een bolvormig model van universum met een exponentiële expansie (tegenwoordig wordt dit model "Eddington-Lemaître Universe" genoemd), ontleende hij een correcte uitdrukking van de zogenaamde Hubble-wet (die Hubble pas in 1929 publiceerde) die stelt dat de ontsnappingssnelheid van verre sterrenstelsels evenredig is met hun afstanden. Lemaître studeerde eerst techniek, maar na de Eerste Wereldoorlog richtte hij zich op natuurkunde en wiskunde. Zijn "licentierapport", dat hij schreef onder leiding van Charles de la ValléePoussin, was gewijd aan de benadering van functies van vele reële variabelen. Tijdens zijn drie jaar in het seminarie (1920-23) mocht hij relativiteit blijven studeren (en vooral de synthese ervan bestuderen van Théophile De Donder, professor aan de U.L.B, de Universiteit van Brussel). Hij werd tot priester gewijd door kardinaal Mercier.

 

In 1924, toen hij een beurs ontving, ging hij naar Cambridge (G.B.) om astrofysica te studeren en werd daar de leerling van Eddington. Hij ging naar het MIT (VS) en naar het Harvard College Observatory. Toen hij terugkeerde naar de Universiteit van Leuven, werd hij gepromoveerd tot professor. In die tijd was hij een specialist in algemene relativiteit geworden en had hij het geluk op de hoogte te zijn van de recente observatiegegevens over de sterrenstelsels, wat hem ertoe bracht zijn briljante artikel uit 1927 te schrijven. In het begin van de jaren dertig verdedigde hij een explosieve visie op het begin van het universum die hij later zijn "Oeratoomhypothese" noemde. Dit anticipeerde op de inmiddels goed geteste oerknaltheorie. Zijn interesse in de kwestie van het begin van het universum had niets te maken met enige filosofische of theologische motivatie. In feite was het een directe reactie op een bewering van zijn voormalige meester Eddington die zijn afkeer uitdrukte van het idee van een begin van het universum. Lemaître toonde aan dat dit idee correct kan worden behandeld met alleen bronnen van fysica (zonder tussenkomst van filosofie of theologie), met name thermodynamica en de kwantumtheorie. In deze context is het natuurlijke begin van het universum een toestand met minimale entropie waar alle materie-energie is geconcentreerd in een uniek kwantum. Dit concept wordt niet meer tot op de dag van vandaag toegelaten. Natuurkundigen verklaren niet langer de samenstelling van verschillende atoomkernen door de desintegratie van een superatoom, maar door de progressieve condensatie van een eerste "soep" van elementair deeltje: quarks en leptonen. Lemaître's hypothese stelde hem echter in staat om een voorspelling te doen die werd geverifieerd door observaties kort voordat hij stierf. Deze voorspelling die Lemaître voor het eerst deed, is het bestaan van een fossiele straling die het "explosieve" karakter van het begin van het universum aantoont. Lemaître dacht dat de fossielen de kosmische stralen zouden kunnen zijn (geladen deeltjes afkomstig van de oeratoomdesintegratie). Vandaag weten we dat het eerder een elektromagnetische reststraling is die ontsnapt is uit de oerknal met een temperatuur van 3 K (d.w.z. -270 °C). Lemaître beschouwde de kosmische stralen als een kosmologisch belang en dit moedigde hem aan om hun trajecten nauwkeurig te bestuderen. Het probleem van het berekenen van deze trajecten, het Störmer-probleem genoemd, vereist numerieke technieken en een grote rekenkracht. Met de hulp van zijn medewerkers en studenten (waaronder Manuel Sandoval Vallarta, Odon Godart, Tchang Yong-Li, René de Vogelaere, Lucien Bossy, ...), droeg Lemaître bij aan het nauwkeurig karakteriseren van de families van banen gevolgd door de kosmische stralen en de Störmer-kegel waarin de kosmische stralen die de aarde raken geconcentreerd zijn. Deze werken droegen bij tot een verklaring van de waarnemingen van de intensiteitsvariatie van kosmische stralen als functie van de positie van de aardse waarnemer. Voor de Leuvense kosmoloog wordt de oeratoomhypothese geassocieerd met een bolvormig universum-model met drie karakteristieke expansieperioden (een vertraagd expansiebe begin) met de initiële singulariteit, een plateaufase waarin het universum vergelijkbaar is met het statische universum van Einstein en ten slotte een versnelde expansiefase). Een dergelijk gedrag van het universum wordt beschreven door de introductie van een kosmologische constante in de Einstein-vergelijkingen. In tegenstelling tot Einstein was Lemaître erg gehecht aan deze constante. Hij dacht dat de fundamentele rechtvaardiging daarvoor uit de kwantumtheorie zou kunnen komen (tot op de dag van vandaag weten we dat het kan worden geïnterpreteerd als energie van de kwantumleegte). Hij kwalificeerde dit universum als "aarzelend" en gebruikte het om zijn ideeën over de vorming van zulke grote kosmische structuren als de sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels te verklaren. Voor Lemaître werden deze gevormd door de condensatie van materie uit het desintegrerende oeratoom tijdens de quasistatische fase waarin het universum op het Einstein-universum leek. De beschrijving van dit condensatieproces werd uitgewerkt door een model van inhomogene Universe (later Lemaître-Tolman-Bondi model genoemd), dat Lemaître al had bestudeerd voor zijn proefschrift gepresenteerd aan mit. Tot in de jaren 50 bleef Lemaître berekeningen maken op modellen van sterrenstelsels en clusters. De gesprekken tussen Lemaître en Einstein waren zeer productief. Na een van deze, slaagde de Leuvense kosmoloog erin om aan te tonen dat een anisotropie van het Universum singulariteiten die in de "Phoenix" modellen verschijnen niet kan evacueren (waar initiële en laatste singulariteiten elkaar opvolgen). Hij was dus de voorloper van singulariteitsstellingen (Penrose en Hawking) waar de onherleidbaarheid hiervan onder bepaalde voorwaarden wordt bewezen. De hartstocht van Lemaître voor numerieke berekening deed zich in hem een buitengewone wiskundige vruchtbaarheid voor (helaas niet altijd weerspiegeld in zijn publicaties). Zoals opgemerkt door zijn voormalige leerling en medewerker André Deprit, was Lemaître een van de uitvinders van de moderne Fast Fourier Transform-techniek. Lemaître was zijn tijd op het gebied van machine computing ver vooruit. Al in de jaren dertig bij MIT gebruikte hij de door Bush geperfectioneerde machine om het Störmer-probleem op te lossen. Het was een analoge machine, in staat om numeriek op te lossen en oplossingen te tekenen van systemen van differentiaalvergelijkingen. Later in Leuven gebruikte Lemaître ook elektromechanische machines om bijvoorbeeld de frequenties en trillingsmodi van het molecuul monodeutero-ethyleen te bepalen, tijdens een samenwerkingsproject met Marc de Hemptinne en Charles Manneback onder leiding van Hugh S.Taylor, de beroemde Princeton-chemicus. In 1958 introduceerde en programmeerde Lemaître de eerste computer van de UCL (een Burroughs E101) en kan in zekere zin worden beschouwd als een van de eerste Europese programmeurs. Lemaître publiceerde ook artikelen over een veralgemening van de quaternionische vorm gegeven door Eddington over de Dirac-vergelijking die het relativistische elektron beschrijft. In feite is het een vergelijking die invariant blijft onder de werking van de gebonden spingroep geassocieerd met de pseudo orthogonale groep SO(3,3). Deze studie en de zorgvuldige lezing van Elie Cartan-werken brachten hem ertoe geïnteresseerd te zijn in de theorie van spinners, zowel vanuit het wiskundige als vanuit het historische oogpunt. Als man van grote cultuur onderscheidde Lemaître zich door originele ideeën over het werk van Molière (hij wilde bewijzen dat dit werk werd geproduceerd door twee auteurs en hij maakte vele conferenties met belangrijke titels :"Een paar Molières", "Molière, een dubbele ster", ...). Hij introduceerde ook een vervanging van cijfers en rekenmethoden die op de basisscholen worden gebruikt. De "nieuwe cijfers" van Lemaître (gebaseerd op een systeem dat decimale en binaire systemen mengt) is in België ontwikkeld door Papy, de specialist in lesgeven met zogenaamde "moderne wiskunde". Lemaître's centrale idee was om rekenmethoden te ontwikkelen die de rol van het korte en lange termijn geheugen verminderen. Voor Lemaître zijn deze methoden niets anders dan die welke in machines worden gebruikt! Hij was een priester die sterk gehecht was aan zijn geloof en aan de kerk (hij was lid van een sacerdotale broederschap "De vrienden van Jezus" waar priesters hun geloften van religieus leven afgingen en betrokken waren om hun roeping radicaal te leven). Lemaître probeerde altijd de wetenschappelijke benadering methodisch te scheiden van de theologische. Voor hem was er geen manier om de aanvankelijke singulariteit (het natuurlijke begin) te verwarren met de schepping in theologische zin. Toen hij in 1960 president werd van de Pauselijke Academie van Wetenschappen, verdedigde hij nauwgezet de autonomie van de "twee manieren" zoals hij ze graag noemde: die van de wetenschap en die van de Openbaring. Al in 1952 bemiddelde hij met succes met paus Pie XII, zodat hij in zijn officiële toespraken de theologische notie van de schepping niet langer zou binden aan zijn oeratoomhypothese. Lemaître gaf het universum een geschiedenis en brak het onveranderlijke beeld dat voor hem heerste.

 

  1. Enkele documenten over Lemaître
     

    •  Boeken over Lemaître
       

• L'Académie Pontificale des Sciences en mémoire de son second président Georges Lemaître. A l'occasion du cinquième anniversaire de sa mort, 1972, Pontificiae Academia Scientiarum Varia, 292p.

• The Big-Bang and Georges Lemaître, 1984. (A. Berger, éd.), D. Reidel Publ. Company, Dordrecht, Holland, 420 p.

• Cosmology of Lemaître, 1985 (O. Godart et M. Heller, eds), Pachart ed., Tucson, 204 p.

• Georges Lemaître, le Père du Big Bang, 1994 (V. De Rath, éd.), Editions Labor, Bruxelles, ISBN 2-8040-1025-2, 156 p.

• Georges Lemaître et l'Académie Royale de Belgique. Œuvres choisies et notice bibliographique. 1995 (Académie Royale de Belgique), 219 p.

• Mgr. G. Lemaître savant et croyant. Actes du colloque commémoratif du centième anniversaire de sa naissance, Louvain-la-Neuve, le 4 novembre 1994, 1996 (J.-Fr. Stoffel), Reminescence 3, Centre Interfacultaire d'étude en histoire des sciences, univ. catholique de Louvain, 371 p. 6

• Essais de cosmologie précédés de l'invention du Big Bang, 1997 (J.-P. Luminet et A. Grib, éds.), Editions du Seuil, 337 p.

• Un Atome d'Univers. La vie et l'œuvre de Georges Lemaître. Le père du Big Bang. 2000 (Dominique Lambert), Ed. Racine, 372 pp.

• L'invention du Big Bang, (Jean-Pierre Luminet), Seuil 2004, ISBN 2-02-061148-1, 267 p.

• The Day Without Yesterday - Lemaître, Einstein, and the Birth of Modern Cosmology, (Farrell, John) - Thunder's Mouth Press 2005 - New York, ISBN 1- 56025-660-5, 262 p.

• The Day Without Yesterday - Lemaître, Einstein, and the Birth of Modern Cosmology, (Farrell, John) - Japanese translation by Nikkei Business Publications Inc 2006, ISBN 4-8222-8288-0, 285 pp.

• L'itinéraire spirituel de Georges Lemaître. Suivi de " Univers et atome " (inédit de G. Lemaître). 2007 (Dominique Lambert), n°16, Editions Lessius, 222p.

• Charles Darwin et Georges Lemaître, une improbable, mais passionnante rencontre. 2008 (Dominique Lambert et Jacques Reisse), Classe des Sciences, Académie royale de Belgique, ISBN 978-2-8031-0252-5, 288 p.

• Droga Duchowa Georgesa Lemaître’a. Translation in Polish of « L'itinéraire spirituel de Georges Lemaître. Includes a translation in Polish of " Univers et atome " (G. Lemaître, unpublished). 2011 (Dominique Lambert), Biblioteka Religioni et Litteris, 210pp.

• Georges Lemaître : Life, Science and Legacy 2012, (Rodney D. Holder & Simon Mitton, editors), Springer, 201 pp.
• The Atom of the Universe. The Life and Work of Georges Lemaître, 4 juin 2014 (Dominique Lambert), Copernicus Center Press, English version of the biography « Un Atome d’Univers » par D. Lambert.

• Learning the Physics of Einstein with Georges Lemaître Before the Big Bang Theory (Lemaître, Georges; Editors: Govaerts, Jan, Stoffel, Jean-François (Eds.)), ISBN 978-3-030-22030-3 (koop het boek hier)

 

  • Film/Vidéo over Lemaître
     

• Georges Lemaître. Le Maître du Big Bang, réalisation : J.-M. Dehon, scenario : J.-L. Léonard, VHS, duration 57 minutes, To Do Today Productions, R.T.B.F. Charleroi, 1994.

EPS Historic Site 2019 - Holy Spirit College, Leuven (Belgium)