Deel dit artikel

met de theorie van de ‘big bang’ of oerknal gaf de leuvense hoogleraar georges lemaître in 1931 een nieuwe wending aan de kosmologie. de oerknal luidde volgens hem het begin in van tijd en ruimte, en dus van het heelal. hoewel zijn theorie niet meteen enthousiast werd onthaald – sommige natuurkundigen vonden de idee dat het heelal een begin heeft verontrustend – wordt ze nu beschouwd als een briljante wetenschappelijke prestatie.

De late doorbraak van de oerknal

Edward Adriaensens en Thomas Hertog

Weinig wetenschappelijke begrippen spreken zo tot de algemene verbeelding als de ‘big bang’ of de ‘oerknal’. Ze vatten in één woord de theorie van de Leuvense hoogleraar Georges Lemaître samen, waarmee hij in 1931 de kosmologie een nieuwe wending gaf. Voor het eerst was er sprake van een gebeurtenis die het begin van tijd en ruimte, en dus van het heelal inluidde. We staan er echter nauwelijks bij stil dat de term ‘oerknal’ niet is bedacht door Lemaître zelf, maar door zijn tegenstander Fred Hoyle, die hem als metafoor gebruikte om Lemaîtres theorie te ontkrachten. Voor sommigen is het wellicht ook een verrassing dat de bigbangtheorie enkele decennia ouder is dan het begrip, en dat het na het eerste gebruik ervan nog enkele tientallen jaren heeft geduurd voor het begrip ingang vond in de populaire cultuur. Een buste van George Lemaître bevindt zich sinds kort op de binnenkoer van het Premonstreitcollege in Leuven, waar hij jarenlang heeft gewerkt. Een tweede beeld werd aangebracht tegen de muur van het Lemaître-auditorium op de Place des Sciences in Louvain-la-Neuve. De inhuldigingen vormden de afsluiting van het herdenkingsjaar ‘Georges Lemaître’. Dat begon in 2016 op zijn vijftigste sterfdag en eindigde met de negentigste verjaardag van zijn eerste belangrijke kosmologische publicatie, die de aanloop vormde tot het beroemde artikel waarin hij zei dat het universum is ontstaan uit een oerknal. De plechtigheid in Leuven ging bovendien gepaard met de verzustering tussen de twee universiteitssteden die de erfenis van Lemaître beheren, en die volgens velen al te lang op zich heeft laten wachten. Op het einde van zijn leven moest Lemaître nog meemaken dat het vertrek van de Franstalige afdeling van de universiteit onafwendbaar was geworden. Vijftig jaar later werd hij het symbool van verzoening tussen de stad waar hij de kosmologie een nieuwe weg had ingestuurd en de stad waar zijn taalgenoten uit het niets een nieuwe universiteit hadden moeten bouwen.

Georges Lemaître was een priester die zich als jonge wetenschapper na de Eerste Wereldoorlog in een omgeving bevond die steeds meer gedomineerd werd door een materialistisch wereldbeeld. In die dagen was de kosmologie een betrekkelijk nieuwe tak van de natuurwetenschap, die ontstaan was uit de relativiteitstheorie van Albert Einstein. Voordien werden vragen over het ontstaan van het heelal beheerst door religieuze en filosofische overwegingen. Lemaître hield zich daar verre van, maar vond de gangbare wetenschappelijke kosmologieën, met name het statische universum van Einstein zonder begin, onbevredigend. Afgaande op nieuwe waarnemingen probeerde hij de relativiteitstheorie te verzoenen met het denkbeeld van een uitdijend universum. De Rus Alexander Friedmann had het wiskundige bewijs voor de mogelijkheid van zo’n universum geleverd, maar Lemaître was de eerste die stelde dat het heelal zich ook echt zo gedraagt. Met de vraag hoe het uitdijende universum er in het allereerste begin uitzag ging Lemaître nog een stap verder. In 1931 formuleerde hij het antwoord op die vraag met de stelling dat er een moment moet zijn geweest waarop er geen gisteren was, geen ruimte en tijd: niets. Ons heelal is plotseling ontstaan uit de zeer snelle expansie van een oeratoom dat reeds alle massa en energie bevatte die nu in het heelal aanwezig zijn.

Ons heelal is plotseling ontstaan uit de zeer snelle expansie van een oeratoom dat reeds alle massa en energie bevatte die nu in het heelal aanwezig zijn

Met deze hypothese stelde Lemaître zich bloot aan de kritiek dat zijn geloof invloed had op zijn wetenschappelijke activiteiten. Immers, wat was de allereerste oorzaak van een universum dat uit het niets was ontstaan? Waar kwam dat oeratoom vandaan? Hoe begon het vuurwerk waaruit het universum ontstond? Lemaître argumenteerde dat dergelijke vragen buiten het bereik van de natuurkunde liggen. Voor de oerknal bestond de wereld gewoon niet, tijd en ruimte waren afwezig. ‘Ik heb te veel respect voor God om over hem wetenschappelijke veronderstellingen te doen’, zo vatte hij zijn positie samen. Maar uit zijn geschriften kunnen we opmaken dat de priester Lemaître God wel degelijk een rol had toebedacht in het ontstaan van het universum, zij het die van een afwezige, teruggetrokken God en niet die van een actieve schepper die zich bemoeit met de dagelijkse gang van zaken in zijn schepping. De wetenschapper Lemaître liet zo het mysterie van de schepping onaangeroerd.

Toch kon de nieuwe theorie van de oerknal niet op diezelfde snelle en brede instemming rekenen waarmee de natuurkundige gemeenschap vier jaar eerder Lemaîtres theorie over de uitzetting van het heelal had onthaald. De meeste natuurkundigen vonden het een verontrustende gedachte dat de wereld een begin had. Mede op grond van de metafysische en religieuze dimensie zag ook Einstein aanvankelijk weinig in de nieuwe theorie. Ondanks verzekeringen van het tegendeel van Lemaître proefde Einstein in de theorie te veel ‘schepping’. Het bleef niet bij de eerste tegenslag. Op grond van nauwkeurige waarnemingen formuleerde de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble in 1929 zijn beroemde wet: hoe groter de onderlinge afstand, hoe groter de relatieve snelheid waarmee de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen. Twee jaar eerder had Lemaître diezelfde constante wiskundig afgeleid uit zijn theorie over de expansie van het heelal. Mede omdat hij in de Engelse vertaling van het oorspronkelijk Franstalige artikel zijn berekeningen over de constante had weggelaten, ging Hubble met de eer lopen. En dit terwijl de Amerikaanse geleerde in het begin niet eens goed het verband leek te beseffen tussen de constante en de uitdijing van het heelal.

De ‘steady state’-theorie wierp zich enkele decennialang op als een serieuze rivaal voor de oerknaltheorie van Lemaître

Na 1933 maakte de kosmologie lange tijd pas op de plaats, tot in 1948 enkele natuurkundigen onafhankelijk van elkaar een theorie ontvouwden die bekendheid verwierf als de ‘steady state’-theorie. Deze theorie wierp zich enkele decennialang op als een serieuze rivaal voor de oerknaltheorie van Lemaître. Volgens de ‘steady staters’, van wie de Cambridge hoogleraar Fred Hoyle de grootste bekendheid genoot, was het heelal eeuwigdurend en zette het constant uit. De densiteit van de ruimte bleef echter constant omdat er tussen de sterrenstelsels voortdurend nieuwe materie ontstond. Die opvatting botste radicaal met de theorie van Lemaître dat het heelal op een welbepaald ogenblik was ontstaan in een soort uitbarsting waarin ook alle materie werd gevormd. Terwijl Lemaître in Cambridge vijfentwintig jaar voordien onder Arthur Eddington zijn kosmologische vorming had genoten, werd de Engelse universiteitsstad onder leiding van Eddingtons opvolger Hoyle nu plots het centrum van verzet tegen Lemaîtres theorie. De meningen over de invloed van ‘steady state’ in de wereld van de kosmologie lopen nogal uiteen, maar de impact ervan volstond om de theorie van Lemaître als achterhaald te doen overkomen.

Terwijl de ‘steady state’-theorie op het eind van de jaren 1940 furore maakte, kreeg de oerknaltheorie van Lemaître tezelfdertijd een nieuwe impuls door het werk van de Amerikaanse geleerden George Gamow en Ralph Alpher. Zij schreven de overvloedige aanwezigheid van waterstof en helium in het heelal toe aan de kernreacties die volgens hen tijdens de big bang hadden plaatsgevonden. Waterstof en helium vormen samen 99 procent van alle materie. De aanwezigheid van de zwaardere elementen werd trouwens later verklaard door Hoyle. Gamow en zijn medewerkers berekenden ook dat de oerknal in het heelal waarneembare microgolven met een zeer lage temperatuur had achtergelaten. Met deze precieze berekening bevestigde Gamow Lemaîtres voorspelling uit 1933 dat er in het heelal een fossiele straling van de oerknal aanwezig moest zijn. Met uitzondering misschien van Fred Hoyle hadden weinigen belangstelling opgebracht voor dit onderdeel van Lemaîtres oerknaltheorie. Hoyle beweerde echter dat alleen steady state waarneembaar was omdat dit proces nog steeds gaande was. Ook de stelling van Gamow bleef vrijwel onopgemerkt, tot in 1964 per toeval de kosmische achtergrondstraling (CMB) werd ontdekt. De ontdekking van de CMB was het eerste, doorslaggevende empirische bewijs voor de oerknaltheorie en gaf de ‘steady state’-hypothese tegelijkertijd de genadeslag. Toch kregen alleen de ontdekkers van de CMB de Nobelprijs.

De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling was het eerste, doorslaggevende empirische bewijs voor de oerknaltheorie en gaf de ‘steady state’-hypothese de genadeslag

De Engelse wetenschapper Simon Singh noemt Gamow de vader van de bigbangkosmologie. Hij zette de revolutionaire inzichten van Lemaître om in een geavanceerde theorie die de basis vormde voor de latere ontwikkelingen in de kosmologie. Eigenaardig genoeg voelde Lemaître weinig affiniteit met zijn bondgenoot, de nogal boerse Gamow. Daarentegen schoot hij goed op met Hoyle, die de polemiek weliswaar niet schuwde maar die verder ‘every inch an Englishman’ was. Uit zijn tijd in Cambridge had Lemaître een grote liefde voor de Engelse omgangsvormen overgehouden. Zijn dispuut met Hoyle beschouwde hij als een noodzakelijk onderdeel van het academische debat. De afgang van de steady state-theorie betekent overigens niet dat Hoyle geen wezenlijke bijdrage heeft geleverd aan de kosmologie. Zijn inzichten over de chemische cyclus van sterren worden algemeen aanvaard. Hoyle ontdekte ook de nucleosynthese, het omzetten van elementen zwaarder dan helium en waterstof in sterren en met name de aanmaak van elementen zwaarder dan ijzer. Die laatste worden in supernova-explosies van stervende zware sterren gevormd en de ruimte in geslingerd. Hoyle toonde bovendien aan hoe door het triple-alfaproces koolstof werd gevormd uit helium: bouwsteen voor het leven. Hoyles theorie verdrong daarmee de opvatting volgens de oorspronkelijke theorie van Lemaître dat alle elementen tijdens de oerknal waren gevormd. Hoyle heeft zijn verzet tegen de oerknal nooit opgegeven, maar in zijn pogingen om zijn afwijzing te onderbouwen heeft hij ironisch genoeg bijgedragen aan een verbetering van Lemaîtres theorie.

Toen Lemaître in 1966 stierf moest zijn comeback nog beginnen. Tot in de jaren 1980 zou Lemaître in de Angelsaksische wetenschappelijke literatuur grotendeels worden genegeerd. Dat was twintig jaar nadat de eerste waarnemingen waren gedaan die het dispuut tussen oerknal- en ‘steady state’-theorie in het voordeel van de oerknal hadden beslecht. De metafoor ‘big bang’ had toen al ingang gevonden in de algemene taal. Hoyle had die in 1949 voor het eerst gebruikt om zijn afwijzing van Lemaîtres model zo goed mogelijk in de verf te zetten.

Lemaître opende de weg naar het onderzoek van de oorsprong van tijd en ruimte, en van het eenvoudige maar kenbare begin van de kosmos tot het onmetelijke en complexe, dynamische heelal waarin wij leven

Inmiddels wordt Lemaîtres oerknaltheorie, aanvankelijk weinig meer dan een hypothese zonder onderbouwing vanuit waarneming of experiment, beschouwd als een briljante wetenschappelijke prestatie. Sommigen bestempelen het als de grootste bijdrage aan de moderne kosmologie. Lemaître ontwikkelde een nieuwe kosmologie op basis van de relativiteitstheorie en opende daarmee de weg naar het onderzoek van de oorsprong van tijd en ruimte en van het eenvoudige maar kenbare begin van de kosmos tot het onmetelijke en complexe, dynamische heelal waarin wij leven. De voorbije halve eeuw heeft een stroom aan waarnemingen, zoals de versnelde expansie van het heelal veroorzaakt door donkere energie, geleid tot een nieuwe consensus. De bigbangtheorie heet nu het Lambda-CDM-model en beschrijft de evolutie van het heelal vanaf het ogenblik vlak na de oerknal 13,7 miljard jaar geleden tot nu. Het model vertrekt vanuit een abstracte, tijdloze ‘kwantumtoestand’ van het heelal die de rol speelt van Lemaîtres ‘oeratoom’ van waaruit tijd en ruimte zich als het ware kristalliseren en vorm krijgen in een prille fase van ultrasnelle kosmische expansie. Minuscule onregelmatigheden in het kwantumvacuüm tijdens die fase legden reeds de kiemen voor de latere vorming van sterren en sterrenstelsels. Dit proces is nog steeds aan de gang: sterren en sterrenstelsels ontstaan en sterven nog steeds, al is het heelal wat dat betreft intussen reeds voorbij zijn hoogtepunt. Maar hoe succesvol het model ook is, het verklaart niet alles. De aard van de donkere materie, die de vorming van melkwegstelsels inluidt, en van de donkere energie, die verantwoordelijk wordt geacht voor de versnelde expansie van het heelal, plaatsen de kosmologen nog steeds voor grote raadsels.

Intussen buigt de kosmologie zich ook over vraagstukken die het voorstellingsvermogen van de leek ver te boven gaan en die ook in de wetenschappelijke gemeenschap voor veel polemiek zorgen. Reeds in 1931 opperde Lemaître op basis van de kwantumtheorie de mogelijkheid dat er meer dan één universum is. Zijn leermeester in Cambridge, Arthur Eddington, zei dat onze wereld vanuit het perspectief van de kwantumtheorie weinig meer is dan een illusie. Op het einde van de jaren 1940 formuleerde Richard Feynman een interpretatie van de kwantumleer die grote invloed had op de kosmologie. Feynman zei dat we het traject van een kwantumpartikel tussen twee punten niet kunnen kennen omdat het tegelijkertijd verschillende wegen volgt. De toepassing van die opvatting in de kosmologie leidde tot het begrip multiversum waarin het heelal vele wegen volgt. De kwantumtoestand van het heelal beschrijft niet alleen ‘onze’ oerknal maar omvat een verzameling van verschillende ‘werelden’, elk met zijn eigen evolutie. Hoe logisch en wiskundig verantwoord zulke redeneringen ook zijn, ze voeren de kosmologie ver weg van de klassieke empirische wetenschap. Wetenschapsfilosofen hebben een hele kluif aan deze evolutie. Zal de multiversumhypothese zich verder ontwikkelen tot een volwaardig wetenschappelijk model dat men met de traditionele combinatie van wiskundige en empirische methoden kan onderbouwen of falsifiëren? De oerknalheorie van Lemaître leert ons dat het soms decennialang duurt vooraleer een hypothese bevestigd wordt. Het zoeken gaat voort.

Inhuldiging van de beelden van Georges Lemaître in het Premonstreitcollege in Leuven en het Lemaître-auditorium in Louvain-la-Neuve.

Edward Adriaensens is oud-redacteur VRT nieuws.
Thomas Hertog is als kosmoloog verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen