Heisenberg - " Fizyka a filozofia" - Sasanka - 08.10.2004 - Forum dyskusyjne gry filmy gra sprzęt fotografia PC online

08.10.2004

23:02

[3]

mortan_battlehammer [ Legend ]

Sasanka --- > znalazłem to, zaraz sie sciagnie to wkelje na forum bo akurat nie moge wysłac mailem ani gadu :)

IV. NARODZINY NAUKI O ATOMACH A TEORIA KWANTÓW

Pojęcie atomu jest bez porównania starsze od nauki nowożytnej, która powstała w XVII stuleciu. Pojęcie to wywodzi się z antycznej filozofii greckiej. Było ono centralnym pojęciem materializmu Leukipposa i Demokryta. Współczesne interpretacje zjawisk mikroświata niewiele mają wspólnego z prawdziwie materialistyczną filozofią. Można właściwie powiedzieć, że fizyka atomowa sprowadziła naukę z drogi materializmu, którą kroczyła ona w dziewiętnastym stuleciu. Z tego względu interesujące jest porównanie pojęcia atomu występującego w filozofii greckiej z funkcją i sensem tego pojęcia w fizyce współczesnej.
Idea najmniejszych, niepodzielnych, ostatecznych cegiełek materii pojawiła się po raz pierwszy w początkowym okresie rozwoju filozofii greckiej, w związku z kształtowaniem się pojęć materii, bytu i stawania się. Za pierwszego przedstawiciela tego okresu dziejów filozofii należy uznać Talesa (VI wiek p. n. e.), założyciela szkoły milezyjskiej, który, jak pisze Arystoteles, twierdził, że woda jest materialną osnową wszystkich rzeczy. Mimo że wypowiedź ta może nam się wydać dziwna, zawiera ona, jak podkreślał Nietzsche, trzy podstawowe idee filozoficzne: po pierwsze - ideę materialnej osnowy wszystkich rzeczy; po drugie - postulat, wedle którego odpowiedź na pytanie: “Co jest tą osnową" - powinna być sformułowana na podstawie racjonalnych przesłanek, bez odwoływania się do mitów lub mistyki; po trzecie - przekonanie, że wszystko można ostatecznie sprowadzić do jednej podstawowej zasady. W wypowiedzi Talesa po raz pierwszy znalazła wyraz koncepcja prasubstancji, której przemijającymi formami są wszystkie inne rzeczy. “Substancja" z pewnością nie była wówczas pojmowana jako coś czysto materialnego, słowo to nie miało tego sensu, który zazwyczaj przypisujemy mu dzisiaj. Z substancją tą immanentnie miało być związane życie, a Arystoteles przypisuje Talesowi również następująca wypowiedź: “Wszystko pełne jest bogów" . Łatwo się domyślić, że odpowiedź Talesa na pytanie: ,,Co jest materialną osnową wszystkich rzeczy?" - została sformułowana przede wszystkim na podstawie obserwacji zjawisk meteorologicznych. Spośród wszystkich znanych nam substancji woda może występować w najbardziej różnorodnych postaciach. Może zmieniać się w parę i tworzyć chmury, zimą zaś przybierać postać śniegu lub lodu. Tam, gdzie rzeki tworzą delty, zdaje się ona przemieniać w ziemię - a może również wytryskać z ziemi. Bez wody nie może istnieć życie. Dlatego też, jeśli w ogóle miała istnieć jakaś prasubstancja, to - rzecz naturalna - należało się przede wszystkim zastanowić, czy nie jest nią woda.
Koncepcję prasubstancji rozwijał później Anaksymander - uczeń Talesa, który również był mieszkańcem Miletu. Zdaniem Anaksymandra prasubstancją nie była woda ani też żadna ze znanych substancji. Głosił on, że prasubstancją jest bezkresna, że wiecznie istniała i wiecznie będzie istnieć i że otacza ona świat. Przekształca się ona w najrozmaitsze substancje znane nam z codziennego doświadczenia. Teofrast (Simplicjusz) cytuje oryginalny fragment z dzieł Anaksymandra: “Z czego bowiem istniejące rzeczy powstają, na to samo muszą się koniecznie rozpaść; albowiem odpłacają sobie sprawiedliwością i karą za niesprawiedliwość według następstwa czasu" . Antyteza bytu i stawania się odgrywała podstawowa rolę w poglądach filozoficznych Anaksymandra. Nieskończona i wieczna prasubstancja, niezróżnicowany byt, przybiera rozmaite, mniej doskonałe formy, miedzy którymi trwają nieustanne konflikty. Proces stawania się filozof ten traktuje jako swojego rodzaju degradację bytu nieskończonego, jako jego rozkład na przeciwstawne elementy, który charakteryzuje jako niesprawiedliwość; niesprawiedliwość ta zostaje okupiona przez powrót do tego, co bezkresne i bezkształtne. Konflikty, o których wspomnieliśmy, to sprzeczności między gorącem i zimnem, ogniem i wodą, suchością i wilgocią itd. Chwilowe zwycięstwo jednej ze stron też jest niesprawiedliwością, za którą w swoim czasie wymierzona zostanie kara. Zdaniem Anaksymandra istnieje wieczny ruch, nieskończone powstawanie i znikanie światów.
Warto zwrócić uwagę, że ostatnio, w nieco odmiennej postaci, również w fizyce atomowej wyłania się problem: czy prasubstancja może być jedna ze znanych substancji, czy też coś zasadniczo od nich różnego. Fizycy starają się obecnie wykryć podstawowe prawo ruchu materii, z którego matematycznie można by było wyprowadzić wszystkie cząstki elementarne oraz ich własności. To podstawowe równanie ruchu może dotyczyć albo fal jakiegoś znanego nam rodzaju (na przykład fal związanych z protonami lub mezonami), albo też fal zasadniczo odmiennej natury, nie mających nic wspólnego ze znanymi nam falami lub cząstkami elementarnymi. W pierwszym przypadku wykrycie owego równania oznaczałoby, że wszystkie cząstki elementarne można w pewien sposób sprowadzić do kilku rodzajów “podstawowych" cząstek elementarnych. W ciągu ostatnich dwudziestu lat fizycy teoretycy badali przede wszystkim tę możliwość. W drugim przypadku wszystkie różnorodne cząstki elementarne dałyby się sprowadzić do pewnej uniwersalnej substancji, którą nazwać można energią lub materią. Żadnej z cząstek nie można by było wtedy uznać za “bardziej elementarną" od innych. Odpowiadałoby to w istocie ideom Anaksymandra i osobiście jestem przekonany, że w fizyce współczesnej właśnie ten pogląd okaże się słuszny. Wróćmy jednak do filozofii greckiej.
Trzeci z filozofów milezyjskich, Anaksymenes, następca Anaksymandra, głosił, że prasubstancja jest powietrze. “Tak jak dusza nasza, która jest powietrzem, trzyma nas w skupieniu, tak i cały świat również otacza powietrze i tchnienie". Anaksymenes uważał, że zgęszczanie i rozrzedzanie powodują przekształcanie się prasubstancji w inne substancje. Kondensacja pary wodnej w chmury miała być przykładem takiej przemiany, albowiem w owym czasie, rzecz prosta, jeszcze nie wiedziano, że para wodna jest czymś innym niż powietrze.
W poglądach filozoficznych Heraklita z Efezu główną rolę odgrywało pojęcie stawania się. Głosił on; że pra-pierwiastkiem jest ogień, jako to, co się porusza. Trudne zadanie pogodzenia koncepcji jednej podstawowej zasady z nieskończoną różnorodnością zjawisk rozwiązuje on w ten sposób, że uznaje walkę przeciwieństw za coś, co w gruncie rzeczy tworzy swoistego rodzaju harmonię. Świat jest, wedle Heraklita, zarazem i jednością, i wielością; jedność jedynego bytu jest jednością zwalczających się wzajemnie przeciwieństw. “Należy wiedzieć - pisze on - że walka jest czymś powszechnym, a spór czymś słusznym i że wszystko powstaje ze sporu i z konieczności" .
Rozpatrując dzieje filozofii greckiej, łatwo jest zauważyć, że od Talesa aż do Heraklita bodźcem jej rozwoju była sprzeczność między jednością a wielością. Naszym zmysłom świat jawi się jako nieskończona różnorodność rzeczy i zjawisk, kolorów i dźwięków. Po to jednak, by go zrozumieć, wprowadzić musimy pewien porządek i wykryć to, co jednakowe; porządek bowiem oznacza swojego rodzaju jedność. Wskutek tego rodzi się przekonanie, że istnieje jakaś jedna podstawowa zasada; jednocześnie stajemy wobec trudnego zadania, które polega na tym, że z owej jednej zasady mamy wyprowadzić nieskończoną różnorodność rzeczy. Naturalnym punktem wyjścia było założenie, że musi istnieć materialna przyczyna wszystkich rzeczy, ponieważ świat składa się z materii. Jednakże koncepcja jedności świata oznacza - w swej skrajnej postaci - uznanie istnienia nieskończonego, wiecznego i niezróżnicowane-go bytu.
Uznanie istnienia tego bytu nie wystarcza - niezależnie od tego, czy jest to byt materialny, czy nie - aby można było wytłumaczyć nieskończoną różnorodność rzeczy. Wskutek tego wyłania się antynomia: byt - stawanie się, co koniec końców prowadzi do koncepcji Heraklita, wedle której podstawową zasadą jest sama zmienność, “wieczna zmiana, która odnawia świat" - jak pisali poeci. Lecz zmienność nie jest przyczyną materialną; toteż według Heraklita przyczynę tę stanowi ogień - prapierwiastek, który jest zarazem i materią, i siłą napędowa.
Można tu zauważyć, że poglądy fizyki współczesnej są w pewnym sensie niezwykle zbliżone do koncepcji Heraklita. Jeśli zastąpimy słowo “ogień" terminem “energia", to jego twierdzenia będą niemal całkowicie się pokrywały z naszymi dzisiejszymi poglądami. Właśnie energia jest tą substancją, z której utworzone są wszystkie cząstki elementarne, wszystkie atomy - a więc i wszystkie rzeczy. Jednocześnie jest ona tym; co powoduje ruch. Energia jest substancją, ponieważ jej ogólna ilość nie ulega zmianie, a liczne doświadczenia przekonują nas, że z tej substancji rzeczywiście mogą powstawać cząstki elementarne. Energia przekształca się w ruch, w ciepło, w światło i w napięcie elektryczne. Można ją nazwać podstawową przyczyną wszystkich zmian w przyrodzie. Nieco później będziemy kontynuowali porównywanie filozofii greckiej z koncepcjami nauki współczesnej.
W filozofii greckiej ponownie pojawiła się na pewien czas koncepcja jedynego bytu. Głosił ją Parmenides, mieszkaniec Elei, miasta w południowej Italii. Za największy jego wkład do filozofii należy zapewne uznać wprowadzenie do metafizyki argumentacji czysto logicznej. “Nie można bowiem tego, co nie istnieje, poznać (jest to całkiem nieosiągalne) ani też wyrazić tego" . “Nie znajdziesz bowiem myślenia bez tego, co istnieje, i w czym się ono (tj. myślenie) wyraża" . Dlatego istnieje tylko jeden byt, nie ma natomiast stawania się ani przemijania. Ze względów logicznych Parmenides przeczył istnieniu pustej przestrzeni. Ponieważ sądził, że istnienie próżni jest koniecznym warunkiem wszelkich zmian, przeto uznał, iż zmiany nie istnieją i są jedynie iluzją.
Jednakże filozofia nie mogła zbyt długo opierać się na tych paradoksach. Empedokles, który urodził się i mieszkał w Agrygencie (Akragas) na południowym wybrzeżu Sycylii, w przeciwieństwie do wszystkich swych poprzedników, reprezentujących stanowisko monistyczne, był zwolennikiem swoistego rodzaju pluralizmu. Aby uniknąć nieprzezwyciężonych trudności, które powstają, gdy różnorodność rzeczy i zdarzeń usiłuje się wytłumaczyć przy założeniu, że istnieje tylko jeden praele-ment, założył on istnienie czterech podstawowych pierwiastków. Za pierwiastki te uznał on ziemię, wodę. powietrze i ogień. Pierwiastki owe łączą się wskutek działania miłości, rozdzielają się zaś pod wpływem niezgody. Miłość i niezgoda pod wieloma względami są równie cielesne, jak powyższe cztery pierwiastki, i warunkują wieczną zmienność. Empedokles podaje następujący obraz powstania świata: Na początku istniał Sfajros - nieskończona kula jedynego bytu (analogiczny pogląd głosił Parmenides). Byt ten zawierał wszystkie cztery pierwiastki (“korzenie") zmieszane ze sobą pod wpływem miłości. Później, gdy traci władzę miłość, nastaje zaś niezgoda, pierwiastki się rozdzielają, lecz tylko częściowo. Potem jednakże następuje całkowite ich rozdzielenie. Jest to okres, w którym miłości nie ma w świecie. Wreszcie miłość powraca do władzy i łączy pierwiastki, niezgoda zaś znika; w ten sposób dokonuje się cykl przemian, którego wynikiem jest Sfajros - byt pierwotny.
Doktryna Empedoklesa oznacza wyraźny zwrot filozofii greckiej w kierunku materializmu. Cztery pierwiastki są raczej rzeczywistymi substancjami materialnymi niźli podstawowymi zasadami. Po raz pierwszy zostaje tu wyrażona myśl, że łączenie się i rozdzielanie kilku zasadniczo różnych substancji tłumaczy nieskończoną różnorodność rzeczy i zdarzeń. Pluralizm nigdy nie znajduje zwolenników wśród tych, którzy przywykli rozpatrywać wszystko z punktu widzenia podstawowych zasad. Jest to jednak rozsądne, kompromisowe stanowisko, które pozwala uniknąć trudności związanych z mo-nizmem, a jednocześnie ustalić pewien porządek.
Następny krok w kierunku koncepcji atomistycznej uczynił Anaksagoras. Mniej więcej przez trzydzieści lat mieszkał w Atenach, prawdopodobnie w pierwszej połowie V wieku p. n. e. W systemie jego poglądów szczególnie wielką rolę odgrywa myśl, że przyczyną wszystkich zmian jest mieszanie się i rozdzielanie nieskończenie małych “zarodków rzeczy". Zakładał on, że istnieje nieskończona różnorodność owych “zarodków", z których składają się wszystkie rzeczy. Nie są to cząstki złożone z czterech pierwiastków Empedoklesa. Koncepcja Anaksagorasa była pierwszą koncepcją umożliwiającą geometryczną interpretację terminu “mieszanina". Ponieważ Anaksagoras mówi o pewnych nieskończenie małych ziarnach, przeto ich mieszaninę przedstawić można jako mieszaninę różnobarwnych ziaren piasku. Przemiany polegają na zmianie ilości ziaren oraz ich położenia względem siebie. Anaksagoras zakłada, że w każdej rzeczy istnieją “zarodki" wszystkich rodzajów; w różnych rzeczach różny jest jedynie stosunek ilościowy jakościowo odmiennych “zarodków". Pisał on w związku z tym, że “rzeczy, które są na tym jednym świecie, nie są ani rozdzielone, ani odcięte od siebie toporem" , wszystko znajduje się we wszystkim, chociaż “żadna... rzecz nie jest jednorodna z jakąkolwiek inną" i ,,to, czego jest w niej najwięcej, jest i było każdą poszczególną rzeczą" .
Jak wiemy, Empedokles głosił, że wszechświat wprawiają w ruch miłość i niezgoda. Według Anaksagorasa źródłem, czynnikiem sprawczym ruchu jest nus; termin ten można tłumaczyć jako “rozum". Tylko krok dzielił poglądy Anaksagorasa od koncepcji atomistycznej. Krok ten uczynili Leukippos i Demokryt. Antyteza bytu i niebytu wywodząca się z filozofii Parmenidesa zostaje przekształcona w antytezę “pełni" i “próżni". Byt nie jest jeden, lecz nieskończenie mnogi. Bytem tym są atomy niepodzielne, najmniejsze cząstki materii. Są one wieczne i niezniszczalne, lecz mają skończone rozmiary. Ruch jest możliwy dzięki istnieniu próżni między atomami. W ten sposób po raz pierwszy w historii pojawiła się koncepcja najmniejszych cząstek, podstawowych cegiełek materii, które moglibyśmy dziś nazwać “cząstkami elementarnymi".
Według Leukipposa i Demokryta materia nie składa się jedynie z “pełni", lecz również z ,,próżni", czyli z pustej przestrzeni, w której poruszają się atomy. Logiczna argumentacja Parmenidesa, który dowodził, że próżnia nie istnieje, jako że nie może istnieć niebyt, została zignorowana, ponieważ przemawiały przeciwko niej dane doświadczalne. Z naszego współczesnego punktu widzenia pusta przestrzeń między atomami - o której mówił Demokryt - nie byłaby po prostu niczym. Moglibyśmy uznać ją za nośnik własności geometrycznych i kinematycznych umożliwiających ruch atomów i powstawanie różnych ich układów. Jednakże w filozofii zawsze spierano się o to, czy może istnieć przestrzeń pusta. Odpowiedź na to pytanie, zawarta w ogólnej teorii względności, brzmi: materia i geometria warunkują się nawzajem. Odpowiedź ta pod względem treści zbliżona jest do poglądu, którego broniło wielu filozofów, a który głosi, że przestrzeń określona jest przez rozciągłość materii. Demokryt jednakże wyraźnie pogląd ten odrzuca, po to, by umożliwić wytłumaczenie istnienia ruchu i zmian.
Według Demokryta wszystkie atomy składają się z tej samej substancji i różnią się od siebie jedynie kształtem i wielkością. Można je uznać za cząstki po-dzielne w sensie matematycznym, lecz nie fizycznym. Atomy mogą poruszać się i mogą być usytuowane w różnych miejscach przestrzeni. Nie są im jednak właściwe żadne inne własności fizyczne. Nie mają one ani koloru, ani zapachu, ani smaku. Własności materii percypowa-ne za pośrednictwem organów zmysłowych zależą od ruchu i położenia atomów w przestrzeni. Tragedia i komedia mogą być złożone z tych samych liter alfabetu, analogicznie do tego wszystkie, niezmiernie różnorodne zjawiska naszego świata są wynikiem rozmaitych ruchów i różnej konfiguracji niezmiennych atomów. Geometria i kinematyka, które stały się możliwe dzięki istnieniu próżni, okazały się tu - w pewnym sensie - czymś bardziej istotnym niż sam byt. Demokryt - jak pisze Sekstus Empiryk - uważał, że postrzeżenia zmysłowe “uchodzą za istniejące i wydają się mieć rzeczywiste istnienie, ale naprawdę nie są takie; naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia" .
Według Leukipposa ruchy atomów nie mają charakteru przypadkowego. Myśliciel ten był, jak się wydaje, zwolennikiem absolutnego determinizmu. Wynika to z następującej jego wypowiedzi: “Żadna rzecz nie powstaje bez przyczyny, lecz wszystko na jakiejś podstawie i z konieczności" . Atomiści nie wyjaśniali pochodzenia pierwotnego ruchu - ruchu atomów . Świadczy to o tym, że ruch atomów tłumaczyli w sposób przyczynowy. Przyczynowo można wytłumaczyć jedynie zdarzenia późniejsze - powołując się na zdarzenia wcześniejsze; nigdy jednak nie można wytłumaczyć, w jaki sposób zaczęły zachodzić zdarzenia.
Podstawowe idee teorii atomistycznej zostały przejęte - częściowo w postaci zmodyfikowanej - przez późniejszych filozofów greckich. Gwoli porównania z poglądami współczesnej fizyki atomowej warto wspomnieć o tej koncepcji materii, którą wyłożył Platon w dialogu Timaios. Platon bynajmniej nie był zwolennikiem teorii atomistycznej. Diogenes Laertios pisze, że Platon tak nienawidził Demokryta, że pragnął, aby spalono wszystkie jego dzieła. Niemniej jednak w systemie jego poglądów koncepcje Empedoklesa i szkoły pitagorejskiej splatają się z ideami zbliżonymi do idei atomistów.
Pitagoreizm wywodził się z orfizmu, systemu poglądów związanych z kultem Dionizosa. Pitagorejczycy powiązali religię z matematyką, która od tego czasu zaczęła wywierać wielki wpływ na rozwój myśli ludzkiej. Jak się wydaje, byli oni pierwszymi myślicielami, którzy uświadomili sobie twórczą potęgę matematyki. Odkryli oni, że dźwięki dwóch strun harmonizują ze sobą, jeśli długości tych strun pozostają w pewnym określonym stosunku wzajemnym. Świadczyło to o tym, że matematyka może w wielkim stopniu przyczynić się do zrozumienia zjawisk przyrody. Jednakże dla pitago-rejczyków nie to było najważniejsze. Za najbardziej istotne uważali to, że prosty stosunek matematyczny długości strun tworzył - jak sądzili - harmonię dźwięków. W poglądach pitagorejczyków było więc wiele mistycyzmu, wiele elementów, które trudno jest nam zrozumieć. Uczynili jednak matematykę częścią swej religii, co było istotnym momentem w dziejach rozwoju ludzkiej myśli. Przypomnę, że Bertrand Russell powiedział, iż nikt nie wywarł takiego wpływu na myśl ludzką, jak Pitagoras.
Platon wiedział, że pitagorejczycy znali pięć regularnych brył geometrycznych, i uważał, iż bryłom tym można przyporządkować pierwiastki Empedoklesa. Najmniejsze cząstki pierwiastka ziemi odpowiadały sześcianom, powietrza - ośmiościanom, ognia - czworościanom, a wody - dwudziestościanom. Brak było jednak pierwiastka, którego cząstki odpowiadałyby dwunasto-ścianom; w związku z tym Platon powiada, że istniała jeszcze piąta kombinacja, z której Bóg korzystał, projektując wszechświat.
Bryły regularne, reprezentujące cztery pierwiastki, mogą w pewnym sensie przypominać atomy; jednakże wedle Platona bryły te nie są niepodzielne. Platon je konstruuje z dwóch rodzajów trójkątów - równobocznych i równoramiennych; stanowią one ściany brył. Dlatego pierwiastki mogą (przynajmniej częściowo) przekształcać się w inne pierwiastki. Bryły regularne można rozłożyć na trójkąty, z których jesteśmy w stanie zbudować nowe bryły. Na przykład jeden czworościan i dwa ośmiościany można rozłożyć na dwadzieścia równobocznych trójkątów, a następnie zbudować z tych trójkątów dwudziestościan. To zaś oznacza, że jeden atom ognia i dwa atomy powietrza mogą się połączyć w atom wody. Jednakże trójkąty nie są tworami trójwymiarowymi, wskutek czego nie można ich uznać za materialne. Cząstka materialna powstaje dopiero wtedy, gdy trójkąty tworzą bryłę regularną. Najmniejsze cząstki materii nie są bytami podstawowymi - wbrew twierdzeniom Demokryta - lecz formami matematycznymi. Stąd wynika w sposób oczywisty, że bez porównania ważniejsza od substancji jest przysługująca jej forma.
Po tym krótkim przeglądzie koncepcji filozofów greckich - od Talesa do atomistów i Platona - możemy powrócić do fizyki współczesnej i porównać nasze dzisiejsze poglądy na atomy i na teorię kwantów z poglądami antycznych myślicieli. Z historii filozofii wiemy, jaki był pierwotny sens słowa “atom". Z tego wynika, że w fizyce i chemii w epoce odrodzenia nauki w wieku siedemnastym oraz później słowo “atom" oznaczało niewłaściwy obiekt. Oznaczało ono mianowicie najmniejszą cząstkę pierwiastka chemicznego, która, jak wiemy obecnie, jest układem złożonym z mniejszych cząstek. Te ostatnie nazywa się obecnie cząstkami elementarnymi i jest rzeczą oczywistą, że jeśli jakiekolwiek obiekty badane przez fizykę współczesną przypominają atomy Demokryta. to obiektami tymi są właśnie cząstki elementarne - takie jak protony, neutrony, elektrony lub mezony.
Demokryt świetnie zdawał sobie sprawę z tego, że chociaż można ruchem i układem atomów tłumaczyć własności materii - barwę, zapach, smak - to same atomy nie mogą mieć tych własności. Dlatego nie przypisuje ich atomom, które w ogóle są dość abstrakcyjnymi tworami materialnymi. Atomom Demokryta był właściwy atrybut istnienia, a ponadto rozciągłość, kształt i ruch; w przeciwnym przypadku trudno by było mówić o atomach. Jednakże wskutek tego demokrytejska koncepcja atomistyczna nie tłumaczyła istnienia własności geometrycznych, rozciągłości, ani własności “bycia", istnienia, ponieważ nie umożliwiała sprowadzenia tych cech do czegoś innego, bardziej fundamentalnego. Wydaje się, że współczesne poglądy na cząstki elementarne są pod tym względem bardziej konsekwentne i radykalne. Spróbujmy odpowiedzieć na pytanie: “Co to jest cząstka elementarna?" Okazuje się, że chociaż posługujemy się terminami oznaczającymi cząstki elementar-ne, np. terminem “neutron", nie potrafimy poglądowo, a jednocześnie dokładnie opisać tych cząstek ani ściśle określić, co rozumiemy przez te terminy. Posługujemy się różnymi sposobami opisywania cząstek i możemy przedstawić np. neutron jako cząstkę, kiedy indziej zaś jako falę lub paczkę fal. Wiemy jednak, że żaden z tych opisów nie jest dokładny. Neutron oczywiście nie ma barwy, smaku ani zapachu. Pod tym względem przypomina atomy, o których pisali greccy filozofowie. Ale cząstki elementarne są pozbawione - przynajmniej w pewnej mierze - również i innych własności. Takich pojęć geometrycznych i kinematycznych, jak np. kształt i ruch w przestrzeni, nie jesteśmy w stanie w sposób konsekwentny stosować do opisu tych cząstek. Jeśli chcemy podać dokładny opis cząstki elementarnej (kładziemy tu szczególny nacisk na słowo “dokładny"), to podać go możemy jedynie w postaci funkcji prawdopodobieństwa. Wówczas jednak okazuje się, że opisywany obiekt nie posiada nawet własności istnienia (jeśli istnienie można nazwać własnością). Jest mu właściwa tylko możliwość istnienia czy też tendencja do istnienia. Dlatego cząstki elementarne, które bada fizyka współczesna, mają charakter o wiele bardziej abstrakcyjny niż atomy demokrytejskie i właśnie wskutek tego mogą być bardziej odpowiednim kluczem do zagadek związanych z zachowaniem się materii.
Można powiedzieć, że według Demokryta wszystkie atomy zawierają tę samą substancję (nie jest jednak rzeczą pewną, czy termin “substancja" wolno nam stosować w tym kontekście). Cząstki elementarne, o których mówi fizyka współczesna, mają masę. Mają ją jednak tylko w pewnym szczególnym sensie słowa “mieć"; dotyczy to zresztą również innych ich własności. Ponieważ wedle teorii względności masa i energia są w istocie tym samym, przeto możemy mówić, że cząstki elementarne składają się z energii. Energię można by uznać za podstawową, pierwotną substancję. Nie ulega wątpliwości, że posiada ona pewną własność, która stanowi istotną cechę tego, co nazywamy “substancją", a mianowicie podlega prawu zachowania. Z tego względu poglądy fizyki współczesnej można, jak wspomnieliśmy poprzednio, uznać za bardzo zbliżone do koncepcji Hera-klita (pod warunkiem, że “ogień" zinterpretujemy jako energię). Energia jest tym, co powoduje ruch; nazwać ją można praprzyczyną wszelkich zmian; może się ona przekształcać w materię, ciepło lub światło. Walka przeciwieństw, o której mówi Heraklit, znajduje swój odpowiednik we wzajemnym przeciwstawianiu się sobie dwóch różnych form energii.
Według Demokryta atomy są wiecznymi i niezniszczalnymi cząstkami materii, żaden atom nie może przekształcić się w inny atom. Fizyka współczesna zdecydowanie odrzuca tę tezę materializmu Demokryta i opowiada się za stanowiskiem Platona i pitagorejczyków. Cząstki elementarne na pewno nie są wiecznymi i niezniszczalnymi cegiełkami materii i mogą się nawzajem w siebie przekształcać. Jeśli zderzą się dwie cząstki elementarne o bardzo wielkiej energii kinetycznej, to mogą one przestać istnieć, a z energii, którą niosły, może powstać wiele nowych cząstek. Tego rodzaju zjawiska obserwowano wielokrotnie, właśnie one najbardziej nas przekonują, że tworzywem wszystkich cząstek jest ta sama substancja: energia. Podobieństwo poglądów współczesnych do koncepcji Platona i pitagorejczyków nie kończy się na tym. Polega ono jeszcze na czymś innym. “Cząstki elementarne", o których mówi Platon w Timaiosie, w istocie nie są materialnymi korpuskuła-mi, lecz formami matematycznymi. Pitagoras zaś podobno mówił, że “wszystkie rzeczy są liczbami". W owych czasach jedynymi znanymi formami matematycznymi były formy geometryczne, takie jak bryły regularne i trójkąty stanowiące ich ściany. Nie ulega wątpliwości, że we współczesnej teorii kwantów cząstki elementarne można uznać w ostatecznej instancji za formy matematyczne, lecz o naturze znacznie bardziej złożonej. Przedmiotem rozważań filozofów greckich były formy statyczne; poszukując tego rodzaju form, odnajdywali je w bryłach regularnych. Natomiast punktem wyjścia nauki nowożytnej w szesnastym i siedemnastym stuleciu były zagadnienia dynamiki. Od czasów Newtona stałym przedmiotem badań fizycznych były prawa dynamiki, nie zaś konfiguracje lub formy geometryczne. Równanie ruchu spełnia się zawsze i w tym sensie jest ono wieczne, podczas gdy formy geometryczne, na przykład orbity, są zmienne. Dlatego formy matematyczne przedstawiające cząstki elementarne powinny być rozwiązaniami jakiegoś równania wyrażającego wieczne prawo ruchu materii . Jest to problem dotychczas nierozwiązany. Nie znamy jeszcze podstawowego prawa ruchu materii, nie możemy więc z niego matematycznie wyprowadzić własności cząstek elementarnych. Jednakże, jak się wydaje, fizyka teoretyczna w swym obecnym stadium rozwoju jest dość bliska osiągnięcia tego celu i możemy już powiedzieć, jakiego typu prawa należy się spodziewać. Podstawowe równanie ruchu materii będzie prawdopodobnie jakimś skwantowanym nieliniowym równaniem falowym falowego pola operatorów, przedstawiającym po prostu materię, a nie fale lub cząstki jakiegoś określonego rodzaju. Będzie ono zapewne równoważne dość złożonemu układowi równań całkowych posiadających, jak mówią fizycy, swe “wartości własne" i swe “rozwiązania własne". Te rozwiązania będą reprezentować cząstki elementarne, będą tymi formami matematycznymi, które powinny zastąpić pitagorejskie bryły regularne. Należy tu zaznaczyć, że owe “rozwiązania własne" będzie można matematycznie wyprowadzić z podstawowego równania materii prawie w taki sam sposób, w jaki harmoniczne drgania struny, o których mówili pitagorejczycy, można dziś obliczyć za pomocą odpowiedniego równania różniczkowego. Problemy te jednak, jak powiedzieliśmy, są dziś jeszcze nierozstrzygnięte.
Jeśli pójdziemy dalej śladem myśli pitagorejskiej, to dojdziemy do wniosku, że można żywić nadzieję, iż podstawowe równanie ruchu okaże się proste pod względem matematycznym, nawet jeśli obliczenie “stanów własnych" na jego podstawie będzie zadaniem bardzo skomplikowanym. Trudno jest podać jakikolwiek mocny argument przemawiający na rzecz takiego poglądu, z wyjątkiem tego, że dotychczas zawsze okazywało się możliwe nadanie prostej postaci matematycznej podstawowym równaniom fizyki. Fakt ten jest zgodny z wierzeniami pitagorejczyków, które - jeśli chodzi o zagadnienie prostoty - podziela wielu fizyków. Dotychczas jednak nie podano żadnego innego przekonywającego argumentu.
Uczynić tu jeszcze musimy pewną uwagę w związku z pytaniem często zadawanym przez laików. Pytanie to brzmi: “Dlaczego fizycy twierdzą, że cząstki elementarne nie mogą zostać podzielone na mniejsze cząstki?" Odpowiedź na to pytanie dobitnie świadczy o tym, że nauka współczesna ma charakter nieporównanie bardziej abstrakcyjny niż filozofia grecka.
Odpowiedź ta brzmi: Jest oczywiste, że cząstki elementarne można by było podzielić jedynie za pomocą potężnych środków i korzystając z bardzo wielkich energii. Jedynym dostępnym “narzędziem", za pomocą którego możemy próbować rozbić cząstki elementarne -są inne cząstki elementarne. A więc tylko zderzenie dwóch cząstek elementarnych o bardzo wielkiej energii mogłoby spowodować ich rozbicie. I rzeczywiście, wskutek takich zderzeń ulegają one rozbiciu, niekiedy nawet na bardzo wiele “części"; te ostatnie nie są jednak częściami w dosłownym sensie tego słowa, nie są fragmentami, lecz całymi cząstkami elementarnymi, których masa pochodzi z ogromnych energii kinetycznych zderzających się cząstek. Innymi słowy - przemiana energii w materię sprawia, że produkty rozbicia cząstek elementarnych są również cząstkami elementarnymi.
Po porównaniu poglądów współczesnej fizyki mikro-świata z filozofią grecką chciałbym ostrzec, aby nie wyciągano błędnych wniosków z tego, co napisałem. Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że filozofowie greccy mieli jakąś genialną intuicję, skoro doszli do tych samych albo bardzo podobnych wniosków, do jakich doszła nauka nowożytna po wielu stuleciach wytężonej pracy wielu badaczy posługujących się eksperymentem i matematyką. Wniosek taki byłby całkowicie niesłuszny. Między nauką nowożytną a filozofią grecką istnieje olbrzymia różnica, a polega ona na tym, że nauce naszej epoki właściwa jest postawa empirystyczna. Od czasów Galileusza i Newtona nauka nowożytna jest oparta na dokładnym badaniu przyrody i na postulacie domagającym się, aby formułowano tylko takie twierdzenia, które zostały lub przynajmniej mogą zostać sprawdzone doświadczalnie. Filozofom greckim nie przyszło na myśl, że dokonując doświadczeń, można wyodrębnić pewne zjawiska przyrody, szczegółowo je zbadać i dzięki temu wykryć niezmienne, stałe prawo w potoku ciągłych zmian. Nauka nowożytna od początku swego istnienia opierała się na znacznie mniej imponującym, a jednocześnie o wiele mocniejszym fundamencie niż stara filozofia. Dlatego twierdzenia fizyki współczesnej można traktować - że tak powiem - o wiele bardziej poważnie niż wypowiedzi filozofów greckich. Kiedy na przykład czytamy u Platona, że najmniejsze cząstki ognia są czworościanami, to niełatwo uchwycić sens tego twierdzenia. Czy kształt czworościanu ma tylko symbolicznie reprezentować cząstki tego pierwiastka, czy też cząstki owe zachowują się pod względem mechanicznym jak sztywne lub elastyczne czworościany? Za pomocą jakich sił mogą zostać one podzielone na trójkąty równoboczne? Współczesny uczony zawsze koniec końców by zapytał: “W jaki sposób można dowieść doświadczalnie, że atomy ognia są rzeczywiście czworościanami, a nie - dajmy na to - sześcianami?" Kiedy współczesny uczony twierdzi, że proton jest to pewne rozwiązanie podstawowego równania materii, oznacza to, że można z tego równania matematycznie wyprowadzić wszystkie możliwe własności protonu i sprawdzić doświadczalnie słuszność tego rozwiązania we wszystkich szczegółach. Możliwość bardzo dokładnego i szczegółowego eksperymentalnego sprawdzania prawdziwości twierdzeń sprawia, że mają one niezwykle wielką wagę, jakiej nie mogły mieć twierdzenia filozofii greckiej.
Mimo wszystko jest faktem, że niektóre twierdzenia antycznej filozofii przypominają koncepcje nauki współczesnej. Świadczy to o tym, jak daleko można zajść nawet bez dokonywania eksperymentów, jeśli dane potocznego doświadczenia niestrudzenie usiłuje się uporządkować logicznie i ująć z punktu widzenia pewnych ogólnych zasad.

Wypowiedź została zmodyfikowana przez jej autora [2004-10-08 23:01:53]