"Fizyka a filozofia" ~ Werner Karl Heisenberg. Część III


Przekład Stefana Amsterdamskiego


Część III

(Część I - Tutaj*)
(Część II - Tutaj*)

"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 prasubstancją 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 pra-element, 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 monizmem, 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 percypowane 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 pitagorejczyków 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 dwunastościanom; w związku z tym Platon powiada, że istniała jeszcze piąta kombinacja, z której Absolut korzystał, pro­jektując wszechświat.


5 Element = Dodekaedr = 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 elementarne, 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 korpuskułami, 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.

________________________________

Koniec części III
Cdn...


Popularne posty z tego bloga

"Wędrówka Dusz" - dr Michael Newton. "Śmierć nie jest ciemnością, lecz światłem". Część I

"Ulecz się sam" - Andrzej Żak. Część II - Wolność jest jak zdrowie: uzyskuje wartość i stajemy się jej świadomi tylko wtedy, gdy ją tracimy...

Mitologia Indyjska: Mit o powstaniu świata, Bogini Matce i wojnie bogów!