polje?

U predočbi fizičkoga svijeta sastavljenog od krutih odvojivih ”čestica” koje mehanički djeluju jedna na drugu prva se pukotina pojavila već u doba njena prvoga velikog trijumfa – Newtonova je gravitacija imala ”magijsko” svojstvo djelovanja na daljinu, bez mehaničkog/tvarnog posrednika.

Newton je 1687. objavio svoje fundamentalno djelo Matematski principi prirodne filosofije nakon što je pobijedila Descartesova misao da se sva djelovanja među tijelima temelje na uzajamnim dodirima i srazovima. Renesansa je obračunala s mračnim silama srednjovjekovne skolastike koja je prirodi pripisivala okultne sposobnosti, simpatiju i antipatiju kao uzroke približavanja i udaljavanja bića. Newton se zato našao u nezgodnoj poziciji kad je iznio teoriju gravitacije koja trenutno djeluje kroz prazan prostor između razmaknutih tijela.

Kad je Leibniz pročitao Newtonovu knjigu napiše Huygensu: ”Ne razumijem kako on shvaća težinu ili privlačenje. Čini se da je ona prema njegovu nazoru neka netjelesna i neobjašnjiva moć.” Huygens mu odgovori: ”Što se tiče uzroka što ga gospodin Newton daje za plimu i oseku, zadovoljava me isto tako malo kao i sve druge njegove teorije, osnovane na principu privlačenja koji mi se čini besmislen.”

Sljedbenici Descartesa i Galileia mahom su ustali protiv Newtonove gravitacije koja im je ostala neobjašnjiva. Kako napadi ne prestadoše, izdavač drugog izdanja Principia bio je ponukan da polemizira protiv tvrdnje da je privlačna sila ”causa occulta”. (Ivan Supek 1990.)

No, ta se jedina iznimka u mehaničkom svijetu sudara i dodira uspješno ignorirala do druge polovine devetnaestog stoljeća kada je u vezi s električnim i magnetskim pojavama postalo nužno uvesti pojam  fizičkoga a ne-tvarnoga (naime, bez mase) polja.

U razdoblju između uvođenja Newtonove nadmoćne dinamičke sheme, što je najbolje datirati uz objavljivanje njegovih Principia 1687., i pojave specijalne teorije relativnosti, koja se razložno može datirati u vrijeme Einsteinove prve publikacije toga predmeta 1905., dogodili su se mnogi važni razvoji naše slike fundamentalne fizike. Najveći pomak koji se dogodio u tome razdoblju bilo je shvaćanje, najviše uslijed rada Faradaya i Maxwella u 19. stoljeću, da neki pojam fizičkog polja, koje prožima prostor, mora supostojati s prethodno shvaćenom ”njutnovskom stvarnošću” pojedinačnih čestica koje trenutačno međudjeluju silama. Kasnije je taj pojam ”polja” postao također ključnim sastojkom Einsteinove teorije iz 1915. o gravitacijom zakrivljenom prostor-vremenu. Ono što danas nazivamo klasičnim poljima jesu zapravo Maxwellovo elektromagnetsko i Einsteinovo gravitacijsko polje. … Elektromagnetska teorija također igra važnu ulogu u kvantnoj teoriji, pružajući arhetipsko ”polje” za daljnji razvoj kvantne teorije polja. … No, duboka promjena u njutnovskim temeljima započela je već u 19. stoljeću, prije obrata u relativnosti i kvantnoj teoriji u 20. stoljeću. Prva se naznaka da bi takva promjena mogla biti potrebna pojavila s prekrasnim eksperimentalnim nalazima Michaela Faradaya oko 1833., i iz predočbi stvarnosti koje je pronašao da bi im odgovorio. U osnovi, temeljna je promjena bila shvaćanje da ”njutnovske čestice” i ”sile” koje djeluju među njima nisu jedini stanovnici našeg svemira. Umjesto toga je sada trebalo zaozbiljno uzeti zamisao ”polja” i njegovog neutjelovljenog postojanja. Veliki je škotski fizičar James Clerk Maxwell bio taj koji je 1864. formulirao jednačbe koje to ”neutjelovljeno polje” mora zadovoljavati, te je pokazao kako ta polja mogu prenositi energiju s jednog mjesta na drugo. (Roger Penrose 2004.)

Maxwell je, doduše, najprije vjerovao da polja jesu ”utjelovljena” u nekom hipotetskom  nevidljivom elastičnom tvarnom mediju kojega se još od 17. stoljeća nazivalo ”eterom”. No, kasnije se ta hipoteza pokazala nepotrebnom, i polja su dobila svoj ”neutjelovljeni” status.

Faradayeva električna i magnetska polja, da se tako izrazimo, materijaliziraju Newtonove daljinske sile. On sam piše da se njegovi nazori slažu s Boškovićevim, štoviše, da je od Ruđera Boškovića uzeo ideju polja. Boškovićeve sile između točaka postaju kod Faradaya električnim i magnetskim poljima. Električni su naboji za Faradaya samo točke iz kojih izlaze ili u koje uviru električne silnice. Smatrajući poput Ruđera sile primarnijima od tvari, piše on godine 1844. u časopisu Philosophical Magazin: ”Čini mi se da Boškovićevi atomi imaju veliku prednost pred običnim shvaćanjem. Njegovi atomi – ako dobro razumijem – puka su središta sila ili snaga, a nisu čestice tvari u kojima bi same sile imale sijelo.” Faradayeva shvaćanja o novoj nevidljivoj stvarnosti postepeno su se izgrađivala ispitivanjem pojava pri kojima se kreću i mijenjaju električne struje, naboji i magneti.

Faradayevo životno djelo dovršio je James Clerk Maxwell. On je Faradayevim shvaćanjima dao strogi matematički oblik sustavom jednačbi koje uzajamno povezuju promjene električnih i magnetskih polja. … Maxwell napušta daljinsku teoriju uzimajući za osnovu isprva stari mehanički eter. Ali vremenom ide dalje i na kraju svoga života spoznaje da je zapravo otkrio zakone nove fizikalne stvarnosti koja se ne mora svesti na stare mehaničke modele.

Otkriće električnih i magnetskih polja bilo je jedan od najzamašnijih prevrata u razvoju ljudske kulture. Fizika je razbila ljusku u koju je čovjek zatvoren svojim neposrednim osjetilima. Pred očima fizičara iskrsnuo je novi svijet, do tada nepristupačan i tuđ ljudskoj svijesti. … Mehanika je od tad izgubila središnje značenje pri tumačenju fizikalnih pojava. (Ivan Supek 1990.)

Što su ta polja? Možemo li ih opipati i vidjeti poput konkretnih tvarnih predmeta? Ako ne možemo, jesu li ona uopće nešto fizički stvarno?

Polja su netvarna područja utjecaja. Zemljino je gravitacijsko polje, na primjer, svuda oko nas. Ne možemo ga vidjeti – to nije tvarni predmet; pa ipak je stvarno. Daje stvarima težinu i tjera ih da padnu. Drži nas na zemlji u ovom času; bez njega bismo odlebdjeli. Mjesec se giba oko Zemlje zbog njenog gravitacijskog polja, a Zemlja i druge planete se gibaju oko Sunca zbog njegovog gravitacijskog polja. Zapravo gravitacijsko polje prožima čitav svemir, zakrivljujući se oko sve tvari u njemu. To nije prazna apstrakcija – ono ima strukturu koja djelatno oblikuje i obuhvaća sve što se događa ili zbiva unutar fizičkog svemira.

Postoje također elektromagnetska polja koja su prilično drugačije naravi od gravitacijskog. Imaju mnogo vidova. Ključna su za organizaciju svih tvarnih sustava, od atoma do galaksija. U podlozi su djelovanja naših mozgova i tijela. Bitna su za djelovanje naših električnih strojeva. Stvari oko nas možemo vidjeti jer smo s njima povezani preko elektromagnetskih polja, kojima putuju valovi energije svjetlosti. A svugdje oko nas su nebrojeni drugi obrasci valova unutar polja koje ne možemo opaziti našim osjetilima, ali se možemo uključiti u njih uz pomoć radio i TV prijamnika. Polja su medij ”djelovanja na daljinu”, i putem njih predmeti mogu utjecati jedan na drugog i bez da su u tvarnom dodiru.

Sve to uzimamo zdravo za gotovo. Naši se životi čitavo vrijeme odvijaju unutar tih polja bez obzira znamo li kako ih fizičari modeliraju matematički. Nema dvojbe da su ta polja fizički stvarna. Znamo da postoje preko njihovih fizičkih učinaka, mada ih najčešće ne možemo osjetilima izravno opažati. Na primjer, prostorna struktura polja oko magneta je sama po sebi nevidljiva, ali se njeno postojanje raskriva kad raspršimo željeznu piljevinu. To polje, poput ostalih vrsta polja, ima neprekinuta, holistička svojstva, i ne može se poput tvarnih predmeta rasjeći u odvojene dijelove.

Uz te poznate vrste polja, postoje također, prema kvantnoj teoriji polja, različite vrste polja tvari – elektronska polja, neutronska polja, i tako dalje… ”Svijet bi, čini se, mogao biti izgrađen od više-manje strukturiranog ništavila”. … Tvar se više ne poima kao pasivna inertna supstancija; više nije načinjena od tvrdih atomskih bilijarskih kuglica fizike devetnaestog stoljeća. Sad se smatra da se sastoji od ritmičnih procesa djelovanja, energije oblikovane unutar polja. … Korijen suvremenih teorija polja je rad Michaela Faradaya koji je kroz svoja istraživanja magnetizma zaključio da se ”silnice” protežu oko magneta. One su bile fizički realne, mada  nisu sačinjene od obične tvari. Kakvu onda vrstu realnosti imaju? Nije bio siguran, pa je predložio dvije moguće interpretacije. Imaju fizičko postojanje ili kao stanja nekog tvarnog medija ”kojeg bismo mogli nazvati eter”, ili kao stanja ”pukog prostora”. Više mu se sviđala zamisao da su silnice modifikacije prostora jer je to bilo povezano s drugim njegovim spekulacijama po kojima su tvarne čestice točkasta središta konvergirajućih silnica, jedna interpretacija koja je odbacivala razliku između tvari i sila. Zapravo je pretpostavio da su same sile jedina fizička supstancija, koja ispunjava cijeli prostor, u kojem svaka točka polja sile ima pridružen određeni iznos sile. Svaka točka međudjeluje sa sebi susjednima, dopuštajući titranja i svakovrsne obrasce sila, uključujući tvarna tijela.

No, ove Faradayeve zamisli nisu bile prihvaćene od njegovih nasljednika, pa se njemu draže poimanje polja kao stanja ”pukog prostora” u fizici nije uzimalo za ozbiljno do Einsteina. Maxwell je prihvatio gledište koje se Faradayu manje sviđalo, i smatrao je polje stanjem tvarnog medija, etera. Eter bi bio nekakav fluid unutar koga rotiraju cjevasti virovi. … No, kakva mu god bila narav, polje je bitno za Maxwellov opis elektromagnetskih međudjelovanja na daljinu zbog vremenske odgode pri prijenosu. Shvatio je da ta odgoda znači kako se u prostoru između moraju zbivati fizički procesi.

Krajem devetnaestog stoljeća Hendrik Lorentz je napustio zamisao da je eter mehanička supstancija. Smatrao ga je nepokretnim i jasno razlikovao eter i tvar. Odbacivao je njemu suvremene pokušaje shvaćanja etera kao jednog vida tvari, i mislio o njemu kao nečem posve različitom. Drugi su to odveli još dalje; pa su se krajem stoljeća polja a ne tvar počela sagledavati kao prvotna. Umjesto da se polja pokušavaju objasniti pomoću tvari, pokušavalo se objasniti tvar pomoću polja. Što bi onda bio eter? Lorentz je nastavio misliti o njemu kao o u nekom smislu supstancijalnom. Još je 1916. pisao: ”Ne mogu ne smatrati eter, koji može biti podloga elektromagnetskog polja s njegovom energijom i njegovim valovima, kao opskrbljen sa stanovitim stupnjem supstancijalnosti, koliko god ona mogla biti drugačija od sve obične tvari”. Za Lorentza je eter služio kao medij, mada nemehanički, i također kao apsolutni referencijalni okvir, s ulogom sličnom Newtonovom apsolutnom prostoru.

Ali za Einsteina je eter postao ”nepotreban”. U njegovoj specijalnoj teoriji relativnosti (1905.) elektromagnetsko polje prožima vakuum praznoga prostora, i taj prostor više nije apsolutan. Polje nema nikakve mehaničke osnove; pa ipak, ono je podloga složenih procesa, te, poput mjerljive tvari, ima energiju i količinu gibanja. Može međudjelovati s tvari i pritom izmjenjivati energiju i količinu gibanja s njom. Ali, polje je neovisno o tvari. To nije stanje tvari. To je stanje prostora.

U svojoj općoj teoriji relativnosti Einstein je proširio pojam polja na gravitacijske pojave. Gravitacijsko polje, prostorno-vremenska neprekinutost zakrivljena u blizini tvari, zamijenilo je Newtonov pojam gravitacijske sile koja djeluje na daljinu. Gravitacija je posljedica geometrijskih svojstava samog prostor-vremena. Ali Einstein nije uspio uobličiti jedinstvenu teoriju polja u kojoj bi elektromagnetski učinci također slijedili iz tih geometrijskih svojstava.

Kvantna je teorija započela sa zamišlju da atomi odašilju svjetlost u kvantima, ili jedinicama, energije. O valovima svjetlosti treba razmišljati kao o ”paketima”, i ti kvanti daju svjetlosti čestični vid. ”Čestice” svjetlosti nazivaju se fotonima. ”Kvantni skok” se dogodio kad je de Broglie predložio da baš kao što valovi svjetlosti imaju i čestična svojstva, tako i čestice tvari pokazuju valna svojstva. To je dovelo do posve drugačijeg shvaćanja elektrona i drugih subatomskih čestica, koje se ranije predočavalo poput malih bilijarskih kuglica. Pokusi su uskoro pokazali da se elektroni doista ponašaju poput valova. To je sada stvar praktičnog inženjerstva – primjerice, elektronski mikroskop djeluje poput običnog mikroskopa, ali koristi elektrone umjesto valova svjetlosti. Ali de Broglijeva teorija nije ograničena na subatomske čestice: sva tvar ima valne vidove, čak i cijeli atomi i molekule.

Ta teorija pruža osnovu za zamisao kvantnih polja tvari. Ta su polja drugačije vrste od elektromagnetskih, ali su podjednako stvarna. Valovi tvari nisu puki opis ponašanja pojedinih čestica poput elektrona; oni su vidovi tvarnog polja u kojem su čestice kvanti pobuđenja. Tako je elektron čestica u polju tvari, baš kao što je foton čestica u elektromagnetskom polju. Postoje mnoge vrste polja tvari, po jedna za svaki tip čestice: elektron je kvant elektron-pozitron polja, proton je kvant proton-antiproton polja, i tako dalje. Različite vrste tvarnih polja mogu djelovati jedno s drugim, a također i s elektromagnetskim poljem. Sva se ta međudjelovanja prenose kvantima. U tim kvantnim poljima tvari nema dvojnosti polja i čestice u smislu da je polje nekako izvanjsko čestici. Zapravo, bitna je fizička stvarnost sada postala neki skup polja, a polja određuju vjerojatnosti da nađemo kvante na određenim točkama prostora. Čestice su ispoljavanja stvarnosti polja u podlozi. Ta polja su stanja prostora ili vakuuma. Ali vakuum nije prazan; prije je pun energije, i sam podložan kvantnim kolebanjima koja stvaraju nove kvante ”iz ničega”, a koji se potom ponovo anihiliraju. …

Ishod svega ovoga jest da su čestice tvari kvanti energije u poljima, koja su stanja prostora ili vakuuma. To je suvremeni temelj razumijevanja tvarne stvarnosti. Pa ipak, ovo izuzetno teorijsko gledište je za sad imalo vrlo malo učinka na naše razumijevanje živih organizama. Biolozi ne trebaju znati skoro pa ništa o kvantnim poljima tvari, a molekularni se biolozi bave molekulama o kojima za najveći broj svrha mogu i dalje misliti kao da su sačinjene od atomskih kuglica. Kvantna je fizika rastočila atome u složene sustave kvantiziranih polja, ali je stari atomistički način mišljenja istrajao u drugim poljima znanosti; atomi još uvijek čine osnovu biologije i najvećeg dijela kemije.

Dok su fizičari slobodno uvodili nizove različitih vrsta polja tvari u kontekstu subatomskih čestica, kemičari nisu uveli nikakva usporediva nova polja na molekularnoj razini. … A u mehanističkoj biologiji se niti ne razmatra mogućnost novih vrsta polja nepoznatih kvantnim fizičarima: smatra se da su poznata polja fizike dovoljna da pruže temelj svim pojavama života. Ta se pretpostavka pojavila unutar mehanističkog svjetonazora klasične fizike, i naprosto je istrajala unatoč svim promjenama uvedenima kvantnom teorijom. (Rupert Sheldrake 1988.)

I ne tek kvantnom teorijom – bilo kakvo djelovanje na daljinu već u smislu ”polja” doživljava se u suvremenoj biologiji onako ”okultnim” kako su Newtonovi suvremenici doživljavali njegovu gravitaciju (”magiju” teorije relativnosti i kvantne teorije da ne spominjemo). Kao što reče David Bohm,

u drugim prirodnim znanostima, poput biologije, snaga mehanističkoga  uvjerenja je to veća što je među djelatnicima na tim poljima manje svjesnosti o prevratničkom značaju razvoja suvremene fizike

pa

primjerice suvremeni molekularni biolozi općenito vjeruju da se cjelinu života i uma naposljetku može razumjeti manje-više mehanički.

Paradoksalno, na područjima uma i života, po naravi pokretljivijima od nežive tvari, krute mehaničke predočbe su (na žalost?) nastavile prevladavati znanošću i nakon što su u fizici uglavnom napuštene.

Literatura:

  1. Ivan Supek, Povijest fizike, Zagreb 1990. str. 49., 114.-115.
  2. Roger Penrose, The Road to Reality, London 2005., str. 440.-441., preveo: ja, prvo izdanje 2004.
  3. Rupert Sheldrake, The Presence of the Past, Rochester 1995., str. 97.-98., 115.-119., preveo: ja, prvo izdanje 1988.
Oglasi

Komentiraj

Popunite niže tražene podatke ili kliknite na neku od ikona za prijavu:

WordPress.com Logo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš WordPress.com račun. Odjava / Izmijeni )

Twitter picture

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Twitter račun. Odjava / Izmijeni )

Facebook slika

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Facebook račun. Odjava / Izmijeni )

Google+ photo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Google+ račun. Odjava / Izmijeni )

Spajanje na %s