čestice?

”Naivno” i ”predfilosofsko” shvaćanje po kojem su konkretni, od okoline odvojivi predmeti osjetilnog iskustva primarni način na koji bića jesu našao je svoj teorijski izraz u atomizmu.

Kad bi u nekoj kataklizmi sve znanstvene spoznaje bile uništene, i samo jedna rečenica bila predana sljedećoj generaciji, koja bi izjava sadržavala najviše informacija u najmanje riječi? Vjerujem da je to atomska hipoteza (ili atomska činjenica, ili kako je god želite nazvati) da su sve stvari izrađene od atoma – malih čestica koje se stalno gibaju, privlače se kada su malo udaljene, a odbijaju ako se stisnu jedna u drugu. U toj ćete jednoj rečenici vidjeti ogromnu količinu informacija o svijetu, ako se primijeni samo malo mašte i razmišljanja. (Richard Feynman)

Doista, hipoteza o atomima (naravno, danas za ono što su Grci nazivali a-tomos koristimo pojam ”elementarna čestica”) toliko toga je uspješno objasnila da se mnogima čini samorazumljivim pretpostaviti kako će na takav način objasniti ”sve stvari”. Još je jedan američki fizičar sa smislom za šalu podjednako oduševljen tom hipotezom, pa svoju popularnu popularno-znanstvenu knjigu započinje Demokritovim navodom.

Ne postoji ništa osim atoma i praznog prostora, sve ostalo je samo mišljenje. (Demokrit)

U samome početku bijaše praznina – jedna neobična vrsta vakuuma – jedno ništa u kojem nije bilo ni prostora ni vremena ni materije ni svjetlosti ni zvuka. Ipak, prirodni su zakoni postojali i vrijedili su, a ovaj je čudnovati vakuum imao svoj potencijal. (Leon Lederman)

Mada se Lederman poziva na demokritovsku sliku po kojoj postoje samo tvarne elementarne čestice (kao bića) i praznina (kao ne-biće, odnosno, kao negativni uvjet da bude međusobno odvojenih bića), očito je da tu sliku narušava već u sljedećoj rečenici. Uz ”atome i prazninu” postoje i prirodni zakoni, a ta ”praznina” ima neki potencijal. Može li ”ne-biće”, ”ništa”, ”praznina” imati potencijal – nije li potencijal ipak nešto? (Aristotel je svakako smatrao da jest.) Još problematičnije: kako to da u praznini postoje/vrijede prirodni zakoni – zar oni nisu nešto? Tako da uz tvarne ”čestice” svakako moramo pretpostaviti barem još dva načina na koji bića jesu (naime, način na koji jest ”praznina” koja je potencijal pa nije ne-biće/ništa, i način na koji jesu ”prirodni zakoni”).

Unatoč Feynmanu i Ledermanu, pretjerano je smatrati demokritovski atomizam prevladavajućim i u čitavoj novovjekovnoj fizici. Prije stotinjak godina Ludwig Boltzmann je bezuspješno pokušavao zainteresirati svoje kolege za atomističko objašnjenje toplinskih pojava – atomizam je tada (uslijed uspjeha teorije elektromagnetskih polja) izgledao beznadno pogrešan. Tekućine i dalje opisujemo ne kao čestice nego kao kontinuirane, koristimo tzv. ”hipotezu kontinuuma”, odnosno zanemarujemo molekularnost. Za tekućine, čestični pristup je irelevantan. Nadalje, svjetlost osim čestičnih također ima svojstva valova, potpuno neprimjenjiva na kuglice, kockice, kamenčiće i slične iskustvene predočbe koje povezujemo s pojmom čestice. Uostalom, najslavnija fizikalna formula, E=mc^2, kaže da je masa jezgre atoma manja od mase njenih ”sastavnih dijelova”, ako ih uopće ima smisla tako nazvati. Dakle, sigurno je da jezgra nije neki skup malih kuglica ili zupčanika ili bilo čega sličnog, jer bi joj masa bila jednaka zbroju masa sastavnih dijelova, a ne manja. Već je Newtonovo objašnjenje gravitacije kao djelovanja na daljinu (dakle, bez ”fizičkog kontakta”, zbog čega je bio optuživan za uvođenje magije u znanost) bilo pukotina mehaničkoj slici svijeta, koja se kasnije proširila u teorijama polja. Iako će neki razvoj fizike u prošlome stoljeću vidjeti kao veliki trijumf čestične/atomističke slike svijeta, među fizičarima ima i onih koji vide upravo suprotno. Prije njih, još jedan pogled na Demokrita.

Za Newtona i klasičnu fiziku devetnaestog stoljeća atomi su još uvijek u osnovi bili ono što su bili i za Demokrita: osnovne jedinice tvari, koje su bile čvrste, neprobojne, mjerljive i nepromjenljive. No već je postala očigledna neadekvatnost tih jedinica uzetih same za sebe, uz jednu jedinu dodatnu pretpostavku postojanja praznine ili ‘ne-bića’, da bi se objasnilo kompleksnost pojava. Za Demokrita je djelovanje na daljinu bilo nemoguće, i sve se moralo objašnjavati doslovnim sudaranjem, preplitanjem i razdvajanjem atoma različitih oblika. … Od Newtona nadalje znanstvenici su govorili terminologijom polja sila – gravitacijske, električne, magnetske i drugih – koja uključuje pojmove kontinuiteta i djelovanja na daljinu, koji su (oba) bili strogo zabranjeni atomistima… Trebalo bi spomenuti da Demokritov nije jedini oblik atomizma koji smo naslijedili iz grčke filosofije. Prema Heisenbergu, atomizam Platonovog Timeja, koji je više matematičke naravi, najbliži je modernom shvaćanju. …

Atomi su, jasno, intelektualna hipoteza za objašnjenje pojava, a to neposredno nameće filosofsko pitanje: jesu li oni samo fizički, empirijski nezamjetljivi zbog svoje male veličine, ili su pak takvi u apsolutnom i teoretskom smislu, jer nisu ništa drugo do intelektualne konstrukcije? Takve su se teorijske konstrukcije u raznim vremenima pokazale kao dragocjeno oruđe znanstvenog napretka, sve do matematičke ‘slike svijeta’ fizičara dvadesetog stoljeća. To je, kaže Planck, ‘naprosto intelektualna konstrukcija. U stanovitoj mjeri proizvoljna’. Ona ‘potječe iz naše mašte te je samo provizornog i promjenjivog značaja… umjetni ljudski proizvod’. Ipak, njezinom uporabom postižemo dublje razumijevanje prirodnog svijeta kao takvog. … Moj vlastiti dojam je da Demokrit nije bio toliko svjestan tog problema.

Leukip i Demokrit pokušali su svesti čak i život, svijest i misao na međudjelovanje atoma koji su u međusobnom dodiru. Oni u tome nisu uspjeli, ali su osnažili vjeru onih koji su u kasnije doba bili privučeni poimanjem čovjeka kao mašine: nije li on samo složenija i razvijenija mašina? … Isto načelo je ponovo izložio Julien de la Mettrie u osamnaestom stoljeću riječima: ‘Zaključimo onda smjelo kako je čovjek mašina, a cijeli se svemir sastoji samo od jedne tvari podložne različitim modifikacijama’. … Mora li se živi svijet oblikovati na osnovi neživog ili obratno? Demokrit je bio prvi koji je natjerao filosofe da se opredijele – svojim detaljnim izlaganjem sustava u kojem inteligencija, upravljanje i svrha figuriraju kao epifenomeni nastali u kasnom stupnju kosmogonije iz ničeg drugog do neorganiziranog sudaranja i odbijanja individualno nepokretnih čestica. Sada se to više nije moglo ignorirati. Reakcija je bila munjevita. Na stranicama Demokritova mlađeg suvremenika, premda on Demokritovo ime nikad ne spominje, možemo osjetiti neprijateljstvo koje su izazvali on i njemu slični. Demokrit i Platon borili su se u prvoj rundi natjecanja koje još traje i nikada neće moći biti odlučeno samo na osnovi dokaza i promatranja. (W. K. C. Guthrie)

Ako su te ”čestice” doista posve nedostupne osjetilnom iskustvu, a uz to pokazuju mnoga svojstva koja se nikako ne mogu pripisati makroskopskim krutim predmetima (”kamenčićima”, ”kuglicama” i sl.), i ako do toga da ”elementarne čestice” postoje dolazimo tek posrednim zaključivanjem, tad se čini da smo još uvijek daleko od proglašenja pobjednika u tom natjecanju, pa i što se tiče same fizike (a kamo li ”svega što jest”).

Saznanja o atomima mogu biti samo sasvim posredna, i atomi vjerojatno nisu opipljive stvari. To je očigledno htio reći i Platon u Timeju… Pa i kad moderna prirodna znanost govori o oblicima atoma, riječ oblik može se shvatiti samo u njenom najuopćenijem značenju, kao struktura u prostoru i vremenu, kao svojstvo simetrije sila, kao mogućnost vezivanja za druge atome. Takve strukture valjda nikad neće biti moguće zorno opisati već i stoga što uopće ne spadaju jednoznačno u objektivni svijet stvari. Ali bi možda bile dostupne matematičkom promatranju.

Bismo li takve matematičke oblike nazvali ”zbiljskim” i ”realnima”? Ako su izraz prirodnih zakona, dakle izraz središnjeg reda materijalnog zbivanja, onda bismo ih svakako morali nazvati zbiljskima, jer od njih zbilja proistječu učinci, ali ne bismo ih mogli nazvati realnima, jer nisu res, nisu stvar. Tu čovjek, eto, više ne zna kako da upotrijebi riječi, a to i nije nikakvo čudo, jer se toliko udaljio od oblasti neposrednog iskustva u kojoj se naš jezik obrazovao u prethistorijsko doba.

Simetrije jednom zauvijek postavljaju oblike koji dalekosežno određuju kasnije zbivanje. ”Na početku bijaše simetrija”, to je svakako točnije od Demokritove teze ”na početku bijaše čestica”. Elementarne čestice utjelovljuju simetrije, one su njihove najjednostavnije predstave, ali one su tek posljedica simetrija… Govoreći ovako, mi se, naravno, već nalazimo posred Platonove filosofije. Elementarne se čestice mogu usporediti s pravilnim tijelima u Platonovom Timeju. One su praslike, ideje materije. DNA je ideja živog bića. Te praslike određuju čitavo daljnje zbivanje. One su predstavnice središnjeg reda. (Werner Heisenberg)

Nije Heisenberg tek vjeran svome mladenačkom oduševljenju Platonom, nego takozvane “elementarne čestice” više nemaju ni najmanje veze s tvarnim konkretnim objektima našega neposrednoga iskustva. Sve što o njima možemo znati jesu stanovite matematičke relacije, i vrlo posredni podatci dobiveni mjerenjima. Nijedna slikovita predočba o njima nije se pokazala održivom. Stoga je naziv ”čestice” za njih posve proizvoljan (ta se proizvoljnost očituje i u čudnim nazivima novootkrivenih ”čestica” i njihovih ”svojstava”, pa se jedno od njih npr. naziva ”šarmom”, drugo “bojom”, a mogla bi se nazvati i bilo kako drugačije).

Jer, nijedna konstantna veličina … ne biva neposredno dana, nego mora prethodno biti pomišljena i tražena, da bi zatim mogla biti i nađena u iskustvu. Jedan od najupečatljivijih primjera tome u prilog daje nam povijest pojma atoma. Demokrit je insistirao na atomima kao zadnjim konstantama prirode davno prije no što se mišljenju ukazao ikakav put konkretnog ispunjenja tog zahtjeva. Takvo jedno ispunjenje, jedan strog i egzaktan kvantitativni smisao pojma atoma biva zapravo polučen tek s početcima moderne kemije u zakonu mnogovrsnih omjera. … Sadržaj predodžbe atoma mijenja se i prenosi rijekom razvoja fizike i kemije s mjesta na mjesto, ali funkcija atoma (kao uvijek zadnje mjerne jedinice) ostaje postojane. Kad … tražimo jedinicu koja obuhvaća ne samo mehaničke nego i optičke te elektromagnetske fenomene, biva za nas atom tvari preoblikovan u atom elektriciteta, u elektron. … U toj mjeri međutim, kad sad uz poseban oblik pojma atoma dolaze sad i njegovi novi oblici, tako da on naposljetku ovlada najraznovrsnijim područjima stvari, misaono ih sređujući, izlazi sve određenije na vidjelo i njegov čisto principijelni karakter, s početka još uvijek nerazlučivo stopljen s njegovim stvarnim karakterom.  … Atom se upravo u tom pokazuje ne kao apsolutni minimum bitka nego kao relativni minimum mjere. (Ernst Cassirer)

Insistiranje na mehaničkim predočbama o krutim česticama prije zavodi na krivi trag nego što pojašnjava čime se to bavi fizika ”elementarnih čestica”.

Potrebno je obratiti osobitu pažnju na one teorije koje doprinose izrazu našega sveukupnog nazora na svijet i na sebe. Naime, ti nam svjetonazori u značajnoj mjeri implicitno ili eksplicitno oblikuju opće poimanje zbilje i odnosa između naše misli i zbilje. U tom pogledu važnu ulogu igraju opće fizikalne teorije jer se smatra da se one bave sveopćom naravi tvari od koje je sve sačinjeno, te prostorom i vremenom pomoću kojih su sva gibanja tvari opisana.

Razmotrimo primjerice atomističku teoriju, koju je najprije predložio Demokrit prije više od 2000 godina. U biti nas ta teorija navodi sagledavati svijet kao sačinjen od atoma koji se gibaju prazninom. Nestalni se oblici i svojstva makroskopskih predmeta vide kao posljedice promjena uređenja tih atoma pri gibanju. Očito je taj nazor bio na neki način važan vid shvaćanja cjelovitosti jer je ljudima omogućio razumjeti izvanrednu raznolikost cijeloga svijeta pomoću gibanja jednog jedinog skupa osnovnih sastojaka jednom prazninom koja prožima cijelo postojanje. Unatoč tome, atomistička se teorija naposljetku razvila u glavnu podršku jednom rascjepkanom pristupu zbilji. Prestavši je smatrati uvidom, jednim načinom sagledavanja, ljudi su umjesto toga smatrali bezuvjetnom istinom to poimanje da cijela zbilja nije sačinjena ni od čega osim ”atomskih građevnih opeka” koje sve zajedno djeluju manje-više mehanički.

Dakako, uzime li se bilo koja fizikalna teorija za bezuvjetnu istinu, to nužno teži učvrstiti općenite oblike misli u fizici, pa time doprinosi rascjepkanosti. No, osim toga, posebni je sadržaj atomističke teorije bio takav da je osobito pridonio rascjepkanosti, budući da je taj sadržaj podrazumijevao da se čitav prirodni svijet, zajedno s ljudskim bićima, uključujući njihov mozak, njihov živčani sustav, njihov um itd., načelno može potpuno razumjeti pomoću struktura i funkcija skupina odvojeno postojećih atoma. Činjenica da je čovjekovim pokusima i uopće iskustvom taj atomistički nazor bio potvrđen bila je, dakako, uzeta za dokaz ispravnosti i zapravo sveopće istinitosti toga poimanja. Tako je znanost skoro u potpunosti pretezala na stranu rascjepkanoga pristupa zbilji.

Ipak, važno je naglasiti da je (kako to obično bude u takvim slučajevima) potvrda pokusom atomističkoga gledišta ograničena. Zapravo na područjima pokrivenima kvantnom teorijom i relativnošću atomističko poimanje vodi ka zbrkanim pitanjima, a to ukazuje na potrebu za novim oblicima uvida, toliko različitim od atomizma koliko je on različit od njemu prethodnih teorija.

Tako kvantna teorija pokazuje da nema nimalo smisla pokušati potanko opisati i slijediti atomističku česticu. … Pojam neke putanje atoma ima samo ograničeno područje primjenjivosti. Pri potankim opisima vidljivo je da se atom na puno načina ponaša koliko kao čestica toliko i kao val. Možda ga je najbolje smatrati slabo definiranim oblakom čiji posebni oblik ovisi o cijeloj okolini, uključujući promatračke uređaje. …

Relativnost nas navodi sagledavati svijet na način koji je po nekim ključnim pogledima sličan gornjemu. … Iz činjenice da, po Einsteinovom gledištu, nije moguć signal brži od svjetlosti, slijedi da se pojam čvrstog tijela raspada. No, taj je pojam presudan u klasičnoj atomističkoj teoriji, jer po njoj krajnji sastojci svemira moraju biti mali nedjeljivi objekti, a to je moguće jedino ako je svaki dio takvog objekta čvrsto vezan sa svim drugim dijelovima. U relativističkoj teoriji potrebno je posve odustati od poimanja svijeta sačinjenog od osnovnih objekata ili ”građevnih opeka”. …

Unatoč tome, u većini onoga što se danas radi u fizici, … još uvijek … [se] krajnje tvarne sastojke svemira (npr. elementarne čestice podložne silama međudjelovanja između njih) … nastoji shvatiti kao odvojeno postojeće mehaničke sastavne dijelove utvrđene naravi… Zapravo se nastoji umanjiti važnost onih vidova teorije relativnosti i kvantne teorije… pa ih većina fizičara doista jedva primjećuje, jer ih uglavnom smatra svojstvima matematičkog računa a ne nagovještajima zbiljske naravi stvari. Što se tiče neformalnog jezika i načina mišljenja u fizici, a koji natapaju maštu i potiču osjećaj o tome što je zbiljsko i supstancijalno, većina fizičara još uvijek, s krajnjim uvjerenjem u istinitost, govori i misli pomoću baštinjenoga atomističkog poimanja svemira sačinjenog od elementarnih čestica koje su ”osnovne građevne opeke” iz kojih je sve načinjeno. U drugim je znanostima, poput biologije, snaga toga uvjerenja još i veća, jer je među djelatnicima na tim poljima malo svjesnosti o prevratničkom značaju razvoja suvremene fizike. Primjerice suvremeni molekularni biolozi općenito vjeruju da se cjelinu života i uma naposljetku može razumjeti manje-više mehanički, putem neke vrste nadgradnje na već učinjeni rad o strukturi i funkciji molekula DNA. Slično je nagnuće već započelo vladati psihologijom. (David Bohm)

Literatura:

1. navod prema: http://www.spaceandmotion.com/quantum-mechanics-richard-feynman-quotes.htm preveo: ja, izvornik: Richard Feynman, Lectures on Physics (1964.)
2. Leon Lederman i Dick Teresi, Božja čestica, Zagreb 2000., str. 11., preveo: Ruđer Jeny, izvornik: Leon Lederman and Dick Teresi, The God Particle (1993.)
3. W. K. C. Guthrie, Povijest grčke filozofije II, Zagreb 2006., str. 491. – 495., preveli: Juraj Bubalo, Branko Malić, izvornik: W. K. C. Guthrie, A History of Greek Philosophy: The Presocratic tradition from Parmenides to Democritus (1965.)
4. Werner Heisenberg, Fizika i metafizika, Beograd 1972., prevela: Vera Stojić, izvornik: Werner Heisenberg, Der Teil und das Ganze (1969.)
5. Ernst Cassirer, Uz Einsteinovu teoriju relativnosti, Zagreb 1998., str. 11.-12., preveo: Dario Škarica, izvornik: Ernst Cassirer, Zur Einsteinschen Relativitätstheorie (1921)
6. David Bohm, Wholeness and the Implicate Order, London 1980. str. 8.-9., 14.-16., preveo: ja