Ksiądz, który szukał "dnia bez wczoraj" – Georges Lemaître

Ewolucję wszechświata można porównać do pokazu fajerwerków, który właśnie się zakończył: widać jeszcze czerwone smugi, popioły i dym. Stojąc na zimnym żużlu, widzimy, jak powoli gasną słońca i próbujemy przypomnieć sobie dawny blask początku światów.
George Lemaître

Istnieje pewien szczególny rodzaj odkryć, których znaczenie wymyka się poza ramy czystej nauki. Przeciekają one do sfery światopoglądowej, nabierają znaczenia filozoficznego i w końcu wymuszają zmianę w sposobie myślenia. Pięćset lat temu takiego wyłomu dokonał Mikołaj Kopernik. Usuwając Ziemię z centrum Układu Słonecznego, astronom zasugerował jednocześnie jej dumnym mieszkańcom, że być może wcale nie są tak uprzywilejowani, jak zwykli o sobie sądzić.

W wieku XX doszło do czegoś podobnego, kiedy odkryliśmy, że wszechświat nieustannie się rozszerza. Znów obserwacja astronomiczna pociągnęła za sobą przewrót filozoficzny. Skoro bowiem przestrzeń kosmiczna pęcznieje, to kiedyś musiała być znacznie ciaśniejsza. Wszechświat przestał być postrzegany jako statyczny, zatem mógł mieć jakiś początek. A skoro dopuszczamy myśl o początku, to w naturalny sposób stawiamy pytanie o przyczynę. Stąd już bardzo blisko do miejsca, gdzie mur graniczny, rozdzielający terytoria nauki i religii zamienia się w niski, niepilnowany płotek. Nic dziwnego, że wielu uległo pokusie, aby go przeskoczyć.

Zrządzeniem losu osobą, która rozpoczęła tę emocjonującą rewolucję i ośmieliła się bronić tezy o fizycznym początku wszechświata, był naukowiec i zarazem teolog. Nazywał się Georges Lemaître.

Z okopu do seminarium

Lemaître przyszedł na świat dokładnie 130 lat temu w Charleroi na południe od Brukseli. Podobno już jako dziewięciolatek czuł powołanie do stanu kapłańskiego, czego konsekwentnie się trzymał. Rodzice nie mieli zamiaru odradzać synowi kształcenia w seminarium, jednak namawiali go, aby zabezpieczył swoją przyszłość i najpierw ukończył studia inżynierskie. Stanęło na tym, że chłopak połączył przyjemne z pożytecznym. Kiedy dostał się na Katolicki Uniwersytet Lowański, rozpoczął równolegle naukę na Wydziale Górniczym oraz Filozoficznym.

Studia przerwał wybuch I wojny światowej. Jak wiemy z lekcji historii, Niemcy nie za bardzo przejmowali się belgijską deklaracją neutralności, planując uderzenie na Paryż właśnie z terytorium Beneluksu. Nasz bohater wraz ze swoim bratem Jacquesem trafili na front – najpierw do piechoty, a po kilku miesiącach do 3. Pułku Artylerii. Na szczęście dla dziejów nauki wieczory spędzane w okopach pod Yser nie zawsze były emocjonujące, więc Georges znajdował czas na lekturę i pielęgnowanie swoich pasji. (Nawiasem mówiąc, nie on jedyny. Gdzieś po drugiej stronie frontu, w bliźniaczej sytuacji znajdował się zdolny niemiecki fizyk Karl Schwarzschild, który kreślił w koszarach opis przedziwnego obiektu, nazwanego później czarną dziurą).

Lemaître powrócił z frontu cały i zdrowy (w odróżnieniu od Schwarzschilda…), przywożąc nawet medal Croix de Guerre. Kiedy stało się to tylko możliwe, wznowił swoją edukację z zamiarem obrony doktoratu. Wciąż marzył o zgłębianiu teologii – w tym celu wstąpił do seminarium w Mechelen – ale studia inżynierskie porzucił na rzecz badań z zakresu matematyki i fizyki teoretycznej. Do tej zmiany zainteresowań skłoniły go trzy magiczne literki: OTW.

Pokrzywiony wszechświat

W tym samym czasie, gdy w Europie trwała wojenna zawierucha, Albert Einstein kończył swoje koronne dzieło. Jego ogólna teoria względności wprowadzała nową wizję czasoprzestrzeni, która nie była już bierną sceną dla zdarzeń fizycznych: sama stanowiła realny, aktywny i elastyczny konstrukt. Ulegała zakrzywieniu pod wpływem nacisku masy, a jej geometria dyktowała masie, jak ta powinna się poruszać. Doszło tym samym do zredefiniowania newtonowskiego rozumienia zjawiska grawitacji, ale implikacje OTW sięgały znacznie, znacznie dalej.

Einstein otworzył puszkę Pandory, która okazała się wypełniona po brzegi czarnymi dziurami, osobliwościami, tunelami czasoprzestrzennymi, falami grawitacyjnymi i wreszcie nowatorskimi modelami opisującymi geometrię wszechświata. Właśnie to ostatnie zagadnienie najmocniej pociągało Georgesa. I nie tylko jego.

Opuśćmy na moment Belgię i przenieśmy się o kilka tysięcy kilometrów na wschód. Chociaż Lemaître nie zdawał sobie z tego sprawy, w Petersburgu niewiele od niego starszy Aleksandr Friedman połknął identycznego bakcyla. Rosjanin był z zawodu meteorologiem, ale kiedy tylko usłyszał o ogólnej teorii względności, gruntownie ją przestudiował i zapragnął użyć jej równań do opisu wszechświata jako całości.

W efekcie Friedman sporządził szereg matematycznych modeli wszechświata, o odmiennych geometriach i zachowujących się na różne sposoby, zależnie od przyjętej gęstości zawartej w nich materii. Były wśród nich modele zamknięte, które po tymczasowym wzroście ulegały grawitacji i zaczynały się kurczyć, aż do wielkiego kolapsu. Były też warianty otwarte, zakładające rozrost przestrzeni, która przyśpieszałaby przez wieczność. Gdzieś pomiędzy nimi znalazło się miejsce dla wszechświata o geometrii płaskiej. Jego ekspansja stawałaby się z czasem coraz wolniejsza, choć nigdy nie wyhamowałaby do zera.

Podobne wykresy znajdziecie obecnie w każdym podręczniku kosmologii. Poszczególne krzywe wskazują na zmianę rozmiaru różnych modeli wszechświata, w zależności od całkowitej gęstości materii (parametr Ω). Pierwsze wykresy tego rodzaju naszkicował Aleksandr Friedman, a kilka lat później niezależnie od niego Lemaître.

Była to czysta, nieskrępowana teoria. Friedman nie wskazywał, który model jest poprawny, a jedynie na co zezwalają równania OTW zależnie od okoliczności. Interesujący jest przy tym jeden szczegół: młody meteorolog nie przewidywał scenariusza, w którym teoria Einsteina opisywałaby wszechświat statyczny, zdolny do zachowania stałej struktury i rozmiarów przez wieczność. W każdym razie nie bez dorzucania do równań sztucznych członów, które miałyby podtrzymywać to wszystko w delikatnym stanie równowagi.

W tym samym roku 1923, kiedy Friedman opublikował swoją hipotezę, Lemaître przyjął święcenia kapłańskie, po czym ruszył w świat. Pierwszym przystankiem było Cambridge, gdzie kleryk odbył kluczowy dla swojej kariery naukowej staż pod okiem samego sir Arthura Eddingtona. Nie mógł trafić lepiej, ponieważ to Anglik przeprowadził pierwszy test potwierdzający założenia OTW, napisał podręcznik Space, Time and Gravitation i cieszył się reputacją największego znawcy teorii względności na zachód od Renu.

Georges Lemaître i jego brytyjski mentor, sir Arthur Eddington w 1938 roku.

W czasie kolejnych dwóch lat Georges zbierał szlify za oceanem. Najpierw w kanadyjskim Obserwatorium Dominion; następnie w amerykańskim Obserwatorium Harvarda u Harlowa Shapleya (pierwszego astronoma, który ustalił pozycję Układu Słonecznego względem środka galaktyki); w końcu na MIT. W Massachusetts ukończył upragniony doktorat, broniąc pracy Pole grawitacyjne w ciekłej sferze o jednorodnej niezmienniczej gęstości w ujęciu teorii względności.

Po niezwykle owocnych wojażach 30-latek powrócił do ojczyzny, z miejsca obejmując stanowisko adiunkta w swoim ukochanym Leuven.

One uciekają!

Świeżo upieczony wykładowca natychmiast zabrał się do pracy, wykorzystując cały znany sobie arsenał matematyczny do sporządzenia nowego modelu kosmologicznego. W odróżnieniu od Aleksandra Friedmana (zmarłego przedwcześnie na dur brzuszny), Lemaître’owi zależało przy tym nie tylko na rozważaniu różnych teoretycznie dostępnych scenariuszy. Fizyk pragnął przede wszystkim ustalić, który z matematycznych modeli najwierniej opisuje rzeczywistość.

Miał na czym pracować, ponieważ właśnie w tym okresie Vesto Slipher, a potem Edwin Hubble dostarczali dowodów na to, że światło odległych obiektów wykazuje przesunięcie ku czerwonej części widma. Były to pierwsze poszlaki sugerujące, że galaktyki zdają się oddalać od Ziemi.

Światło emitowane przez zbliżający się obiekt będzie ulegało skróceniu fali – przesunięciu ku fioletowi. Wydłużenie fali i przesunięcie ku czerwieni oznacza, że obiekt się oddala.

Georges miał sposobność poznać wyniki tych badań bardzo dokładnie, ponieważ tuż przed wyjazdem z USA osobiście poznał Hubble’a i wysłuchał jego wiekopomnego referatu. Dane zaprezentowane podczas odczytu wywarły na Belgu tak duże wrażenie, że jeszcze tej samej nocy nakreślił wstępny szkic przyszłego artykułu. Tekst ten po uzupełnieniu i doszlifowaniu został opublikowany w 1927 roku pod tytułem Wszechświat jednorodny o stałej masie i zwiększającym się promieniu, wyjaśniającym prędkości radialne mgławic pozagalaktycznych.

Gdy użyjemy takich współrzędnych i odpowiadającego im podziału na przestrzeń i czas, aby zachować jednorodność wszechświata, pole nie będzie już statyczne; wszechświat będzie miał taką postać jak u Einsteina, ale już nie ze stałym promieniem, lecz zmieniającym się z czasem zgodnie z odpowiednim prawem.
Georges Lemaître

Zaryzykuję stwierdzenie, że mówimy o jednej z najważniejszych, a zarazem najmniej docenionych publikacji w dziejach badań kosmosu. Lemaître przedstawił model opisujący geometrię rozszerzającego się wszechświata – całkowicie niezależnie od Friedmana – w którym galaktyki odsuwają się wzajemnie od siebie, za sprawą pęczniejącej pomiędzy nimi przestrzeni. Odwołując się do efektu Dopplera, zaproponował on formułę, wedle której prędkość oddalania się galaktyki („prędkość radialna” ujawniającą się w przesunięciu ku czerwieni) pozostaje proporcjonalna do jej odległości względem obserwatora. Krótko mówiąc, im dalsza galaktyka (bardziej „czerwona”), tym szybciej nam ucieka.

Oryginalna, francuskojęzyczna praca Lemaître’a *Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques*, która ukazała się w 1927 roku.

Jeżeli czytaliście cokolwiek o kosmologii, prawdopodobnie rozpoznaliście w powyższym zdaniu treść prawa Hubble’a. W istocie amerykański astronom wyartykułował tę samą zależność dwa lata po swoim europejskim koledze, przy okazji publikacji analizującej widma kolejnych 24 galaktyk. Dlaczego więc trzy czwarte podręczników posługuje się pojęciem prawa Hubble’a, a nie prawa Lemaître’a (dopiero od niedawna mówi się o prawie Hubble’a-Lemaître’a)? Cóż, główny powód był prozaiczny. Artykuł Belga zadebiutował w szerzej nieznanych Rocznikach Naukowego Towarzystwa Brukselskiego i przez ładnych kilka lat pozostawał zupełnie niezauważony.

Do zmarginalizowania osiągnięć duchownego przyczynił się też niechcący… Arthur Eddington. Zaraz po napisaniu swojej popisowej pracy, zadowolony Georges wysłał świeży egzemplarz swojemu mentorowi, ale nawet on nie zwrócił na nią szczególnej uwagi. „Dobrze pamiętam, gdy zawstydzony profesor pokazał mi list od Lemaître’a” – wspominał inny podopieczny Eddingtona, George McVittie – „Przyznał, że chociaż widział jego publikację z 1927 roku, całkiem o niej zapomniał, aż do tej chwili”.

Dopiero słysząc o wielkim sukcesie Hubble’a, zakłopotany Anglik próbował wszystko naprawić. Napisał do Nature z prośbą o zwrócenie uwagi na wkład Belga, a nawet przetłumaczył tekst i wysłał go do Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Niestety było już trochę za późno, aby te działania mogły wywrzeć szerszy skutek. Kto wie? Może gdyby nie tamto zaniedbanie i słaby refleks Eddingtona, 600 kilometrów nad naszymi głowami śmigałby dzisiaj Kosmiczny Teleskop Lemaître’a?

Pierwotny atom

Mimo braku należnego uznania, umysł teoretyka parł już ku kolejnej przełomowej idei. Tym razem Lemaître zamierzał sprawdzić, co matematyka, ogólna teoria względności, mechanika kwantowa (kolejna nowinka!) i dostępne obserwacje astronomiczne są w stanie powiedzieć o przeszłości wszechświata.

Kiedy Lemaître pisał swoją pracę z 1927 roku, nie posiadał jeszcze konkretnego zdania na ten temat. Z obecnej perspektywy może brzmieć to dość dziwnie, bo skoro wszechświat rośnie, to naturalne wydaje się założenie, że w przeszłości był mały i gorący. Jednak to nie takie proste. Mówimy o pokoleniu, które nigdy nie miało powodu do kwestionowania nieskończoności i wieczności wszechświata. Myśl o tym, że wszystko, co nas otacza – materia, energia, przestrzeń i czas – mogłyby zostać zmiażdżone do jednego punktu, albo w ogóle nie istnieć, stanowiła (nadal stanowi) intelektualne i mentalne wyzwanie.

Pomysł, że mógł być jakiś początek wszystkiego, wydawał szalony do tego stopnia, że jeszcze długo po odkryciu Hubble’a, większość uczonych kurczowo trzymała się wizji wiecznego wszechświata. Jedni (początkowo w tym sam Lemaître) spekulowali, że wszechświat był statyczny, ale w pewnym momencie coś wytrąciło go z równowagi, inicjując widoczną ekspansję. Inni po prostu odrzucali dopplerowską interpretację przesunięcia ku czerwieni, a co za tym idzie samo zjawisko ucieczki galaktyk. Jeszcze inni twierdzili, że przestrzeń może i rośnie, ale posiada zdolność do kreowania nowej materii, podtrzymując gęstość wszechświata na stałym poziomie.

Georges Lemaître i Albert Einstein — Lemaître spotkał Einsteina kilkukrotnie (tu w Caltechu w 1933). Ich relacja była dość trudna. Twórca teorii względności od początku należał do grona uczonych przywiązanych do tradycyjnej wizji statycznego wszechświata, więc w pierwszym odruchu krytykował zarówno prace Friedmana, jak i Lemaître’a. „Pańska matematyka jest piękna, ale fizyka okropna” – pisał w liście do duchownego.

W końcu to Eddington odważył się głośno oznajmić to, co podpowiadała najprostsza logika. W tekście opublikowanym w 1931 przez Nature stwierdził on, że jeśli prześledzimy kosmiczną ewolucję zachodzącą wstecz, zauważymy, że galaktyki zamiast uciekać, będą się do siebie zbliżać. W takim układzie nieuniknione zdaje się zetknięcie całej materii w jednym punkcie. Eddington od razu jednak zaznaczył, jakby nie chcąc narażać się konserwatywnym kolegom, że uważa ten model za „całkowicie odrażający”.

Już po kilku tygodniach oficjalnie odpowiedział mu Lemaître, publikując tekst pt. Początek wszechświata z punktu widzenia teorii kwantowej. Zaczął zresztą od stwierdzenia, że „moment początku jest dostatecznie odległy od obecnego porządku natury, aby nie był odrażający”. Po tym, nie wdając się w zbędne szczegóły, przedstawił własną, pionierską propozycję „warunków początkowych, z których aktualny wszechświat mógł się rozwinąć na mocy znanych praw fizycznych i mechanicznych”. Warunki te prezentowały się następująco:

Wszechświat mógł się zacząć od stanu, w którym całkowita energia była skoncentrowana w jednym kwancie, w jednym pakiecie energii, którego nie można sobie wyobrazić inaczej, jak tylko w postaci jądra atomowego. (…) Bez wątpienia nie można mu przypisywać promienia równego dokładnie zeru, lecz promień równy jakieś kilka minut świetlnych, czyli, mówiąc astronomicznie, promień zaniedbywalnie mały w porównaniu z aktualnymi rozmiarami wszechświata.
Georges Lemaître

Fragment notki *The beginning of the world from the point of view of quantum theory*, w której Lemaître odpowiedział na artykuł Eddingtona z 1931 roku.

Pomysł jądra atomowego o promieniu kilku minut świetlnych (kilkunastu milionów kilometrów) i naiwne sprowadzanie wszystkiego do zjawiska promieniotwórczości, to oczywiście znak tamtej epoki. Okresu, kiedy nie znano nawet neutronu, nie mówiąc już o kwarkach i innych dziwactwach modelu standardowego. Jednak pomijając szczegóły, autor dokonał wyłomu, który ukształtował całą współczesną kosmologię. Oto katolicki duchowny zaprezentował światu pierwszą spójną hipotezę zakładającą, że wszechświat miał początek. Gwałtowny początek, którego efektem jest widoczna ekspansja przestrzeni. A wszystko to w śmiesznie krótkiej, zaledwie kilkuakapitowej notce.

W kuluarach sceptyczni fizycy zaczęli określać nową koncepcję szyderczym mianem wielkiego wybuchu. Pojęcie to wkrótce spopularyzował astronom Fred Hoyle, używając go podczas wywiadu dla radia BBC.

Ojcze Święty, nie…

Przez trzy kolejne dekady propozycja Belga dzieliła już nie tylko naukowców, ale też filozofów i teologów. Na dobrą sprawę, każdy interpretował wielki wybuch, jak chciał, naginając go do swoich poglądów. Część wierzących uznała (i nadal uznaje, zwłaszcza w kręgach kreacjonistycznych), że naturalistyczny opis narodzin wszechświata, nie wskazując palcem na udział Stwórcy, sam w sobie stanowi bezpardonowy atak na religię. Na dokładnie przeciwnym biegunie stanął papież, który przyjął tezę Lemaître’a – od 1940 roku członka Papieskiej Akademii Nauk – z aż przesadną gorliwością:

Wydaje się, że współczesnej nauce udało się jednym krokiem wstecz poprzez tysiąclecia doświadczyć tej wzniosłej chwili pierwotnego fiat lux (niech się stanie światłość), gdy razem z materią dokonała się eksplozja z niczego morza światła i promieniowania, gdy pierwiastki dzieląc się, formowały miliony galaktyk. Tak oto, z dokładnością charakterystyczną dla dowodów fizycznych, nauka potwierdziła powstanie wszechświata, a dzięki dobrze uzasadnionemu rozumowaniu określiła epokę jego powstania z rąk Stwórcy. Wyciągamy stąd wniosek, że stworzenie miało miejsce. Stwierdzamy „a zatem jest Stwórca. Bóg istnieje”!
Pius XII

Co na to wszystko Lemaître? Nic. Zignorował narastający spór, stwierdzając, że w jego pojęciu „teoria ta zupełnie nie dotyczy jakichkolwiek zagadnień metafizycznych czy religijnych”. Zdanie to jest niezwykle cenne, właśnie dlatego, że zostało sformułowane przez osobę duchowną.

Lemaître przedstawił teorię wielkiego wybuchu papieżowi Piusowi XII podczas audiencji w 1951 roku.

Jako wytrawny naukowiec Lemaître rozumiał doskonale dwie rzeczy. Po pierwsze, nawet najlepiej udokumentowana koncepcja, może kiedyś zostać obalona. Jeśli więc uznamy wielki wybuch za triumf Biblii, to ewentualne obalenie wielkiego wybuchu, uczciwie rzecz biorąc, zostanie uznane za błąd Księgi Rodzaju. Po drugie natomiast, żadna filozoficzna dysputa nie ma najmniejszego wpływu na prawdziwość lub fałszywość rozważanej tezy. Bez względu na to czy jesteś ateistą, czy księdzem, w fizyce na końcu liczy się tylko to, co jesteśmy w stanie potwierdzić badaniami.

Georges Lemaître czekał na potwierdzenie swoich pomysłów do samego końca. Młodsze pokolenie kosmologów postawiło tezę, że jeśli wielki wybuch istotnie miał miejsce, to całą przestrzeń powinno wypełniać echo, w postaci reliktowego promieniowania termicznego. Wreszcie w 1965 roku na łamach Astrophysical Journal pojawił się artykuł obwieszczający, że dwóch radioastronomów z New Jersey zarejestrowało delikatny, mikrofalowy szum o temperaturze kilku stopni powyżej zera absolutnego.

Wspaniałe wieści dotarły do 70-letniego Lemaître’a w szpitalu, gdzie odpoczywał po pierwszym zawale serca. Zmarł kilka miesięcy później. Spełniony, bo miał rację.