ATOM

ANDRZEJ ŁUKASIK

ATOM OD GRECKIEJ FILOZOFII PRZYRODY

DO NAUKI WSPÓŁCZESNEJ

WYDAWNICTWO UNIWERSYTETU MARII CURIE-SKŁODOWSKIEJ

LUBLIN 2000

Recenzent

PROF. DR HAB. HELENA EILSTEIN

Redakcja

RENATA FLISIŃSKA

Skład, projekt okładki i stron tytułowych

ANDRZEJ ŁUKASIK

© ANDRZEJ ŁUKASIK, LUBLIN 2000

ISBN 83–227–1566–8

WYDAWNICTWO

UNIWERSYTETU MARII CURIE-SKŁODOWSKIEJ

pl. Marii Curie-Skłodowskiej 5, 20–031 Lublin

tel. (081) 537–53–04, faks 537–53–02

Internet: http://press.umcs.lublin.pl

Mojemu synowi Albertowi

SPIS TREŚCI

Wstęp .................................................................................................................................. 9

Część I: Atomizm starożytny .............................................................................................. 13

1. Leukippos i Demokryt ............................................................................................ 15

2. Platon ..................................................................................................................... 26

3. Epikur i Lukrecjusz ................................................................................................ 38

4. Między starożytnością a nauką nowożytną ............................................................ 45

Część II: Atomizm i filozofia mechanicyzmu .................................................................... 53

5. Newton .................................................................................................................. 55

6. Leibniz ................................................................................................................... 70

7. Atomy i doświadczenie .......................................................................................... 83

Część III: Fizyka atomowa i cząstek elementarnych .......................................................... 95

8. Atom Thomsona ..................................................................................................... 97

9. Atom Rutherforda ................................................................................................. 107

10. Kwant działania Plancka ........................................................................................ 113

11. Fotony Einsteina ..................................................................................................... 120

12. Atom Bohra ............................................................................................................ 124

13. Fale materii de Broglie’a ........................................................................................ 132

14. Atom Schrödingera ................................................................................................ 138

15. Zobaczyć atom ....................................................................................................... 154

16. Ostateczne składniki materii ................................................................................... 160

Zakończenie ....................................................................................................................... 186

Słowniczek ......................................................................................................................... 195

Bibliografia ......................................................................................................................... 219

Indeks ................................................................................................................................. 227

WSTĘP

Książka ta opowiada o fascynującej przygodzie intelektualnej ludzkości,

jaką były i są nadal poszukiwania ostatecznych składników materii: od filo-

zoficznego atomizmu starożytnych Greków do dwudziestowiecznej mecha-

niki kwantowej i fizyki cząstek elementarnych.

Twórcy atomizmu — Leukippos i Demokryt — oraz ich następcy, głów-

nie Epikur i Lukrecjusz, nakreślili urzekającą pięknem i prostotą wizję świa-

ta, w którym „naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia”, wszystkie zaś rze-

czy, które stanowią składniki różnorodnego i złożonego świata dostępnego

naszym zmysłom, są jedynie rezultatem ruchu i rozmaitych układów ato-

mów. Genialna intuicja dotycząca atomowej struktury materii została jednak

na dwa tysiąclecia usunięta w cień przez wielkie systemy filozoficzne staro-

żytności Platona i Arystotelesa. W średniowieczu potępiana, atomistyczna

koncepcja materii odrodzona została dopiero w XVII wieku i odniosła w

nauce nowożytnej szereg spektakularnych sukcesów dzięki powstaniu me-

chaniki klasycznej, fizyki statystycznej i wreszcie mechaniki kwantowej.

Obecnie stanowi podstawę naszego pojmowania świata.

Doniosłość koncepcji atomistycznej doprawdy trudno jest przecenić. Je-

den z najwybitniejszych fizyków teoretyków XX wieku — Richard Phillips

Feynman1 — wyraża nawet przekonanie, że gdyby cała nauka miała ulec

zniszczeniu w jakimś kataklizmie, a od zagłady można by uratować i prze-

kazać następnym pokoleniom tylko jedno zdanie, ale takie, które zawierałoby

największą ilość informacji w możliwie najmniejszej liczbie słów, byłoby to

zdanie formułujące hipotezę atomistyczną, że wszystko składa się z atomów

—————— 1 R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, tłum. R. Gajew-

ski, Z. Królikowska, M. Grynberg, T. Buttler, t. 1, cz. 1, PWN, Warszawa 1974, s. 21.

Wstęp

10

— małych cząstek, poruszających się bezustannie, przyciągających się, gdy

są od siebie nieco oddalone, odpychających się zaś, gdy je zbytnio ścieśnić.

W pracy niniejszej znajdzie Czytelnik materiał z dwóch dziedzin: fizyki

i filozofii. Lektura nie wymaga jednak żadnego przygotowania specjalis-

tycznego, ponieważ wszystkie „techniczne” pojęcia starałem się wyjaśnić

w dość elementarny sposób. Dodatkowo omówienie najważniejszych z nich

zawiera Słowniczek. Użyto jedynie bardzo nielicznych formuł matematycz-

nych. Ich fizyczny sens jest dokładnie wyjaśniony i zilustrowany przykła-

dami. Atom. Od greckiej filozofii przyrody do nauki współczesnej adresowa-

ny jest więc do szerokiego grona Czytelników.

Fizyka i filozofia zawsze pozostawały ze sobą w ścisłym związku. W sta-

rożytnej filozofii przyrody znajdujemy koncepcje, które współcześnie uzna-

jemy za par exellence naukowe, a współczesna fizyka teoretyczna zawiera

ogromne bogactwo problematyki tradycyjnie zaliczanej do filozoficznej.

Popularyzatorski charakter tej książki nie pozwala jednak na szczegółową

dyskusję złożonych problemów filozoficznych łączących się ze współczesną

fizyką atomową i fizyką cząstek elementarnych. Dlatego ważniejsze proble-

my filozoficzne — pojawiające się zwłaszcza w Części trzeciej, w związku

z mechaniką kwantową — zostały jedynie zasygnalizowane, natomiast

z filozofii przyrody omawiane są tylko poglądy bezpośrednio nawiązujące

do atomistycznej koncepcji materii.

W związku z tym warto zauważyć, że w filozofii termin „atomizm”2 ma

znaczenie o wiele szersze niż w naukach przyrodniczych i może być stoso-

wany na określenie wszelkich poglądów, według których rozpatrywana ca-

łość składa się z pewnych pierwotnych, niepodzielnych elementów. Obok

koncepcji dotyczących budowy świata materialnego, czyli atomizmu fizy-

kalnego (przyrodniczego), wyróżnia się zatem atomizm metafizyczny

(G. Bruno, G. W. Leibniz), atomizm psychologiczny (J. Locke, D. Hume,

D. Hartley, J. Mill, J. S. Mill, H. Spencer, J. Priestley, H. Taine), atomizm

—————— 2 Por. Mały słownik terminów i pojęć filozoficznych dla studiujących filozofię chrześcijań-

ską, A. Podsiad, T. Pszczołowski, Z. Więckowski (red.), Instytut Wydawniczy Pax, Warszawa

1983, s. 29; J. Dębowski, L. Gawor, S. Jedynak, K. Kosior, J. Zdybel, L. Zdybel, Mała ency-

klopedia filozofii. Pojęcia, problemy, kierunki, szkoły, Oficyna Wydawnicza Branta, Byd-

goszcz 1996, s. 42; Słownik pojęć filozoficznych, W. Krajewski (red.), Wydawnictwo Nauko-

we Scholar, Warszawa 1996, s. 23–24; S. Blackburn, Oksfordzki słownik filozoficzny, Książka

i Wiedza, Warszawa 1997, s. 35–36.

Wstęp

11

logiczny (B. A. Russell, L. Wittgenstein), czy wreszcie atomizm społeczny.

Jednak w ramach niniejszej pracy rozważane są jedynie p r z y r o d n i c z e

k o n c e p c j e a t o m i z m u. Wyznaczone są one przez ramy czasowe zwią-

zane z Demokrytejską ideą atomu z jednej strony a modelem standardowym

fizyki cząstek elementarnych — z drugiej.

Poglądy na to, czym są elementarne składniki materii i jakie prawa rzą-

dzą ich zachowaniem, ulegały w historii myśli ludzkiej wielokrotnym i nie-

kiedy nawet dramatycznym zmianom. Do prześledzenia głównych etapów

tych przemian serdecznie zapraszam Czytelnika.

*

Składam serdeczne podziękowania wszystkim, którzy zechcieli przeczy-

tać książkę przed oddaniem jej do druku i opatrzyć ją cennymi uwagami.

Szczególną wdzięczność pragnę wyrazić prof. dr hab. Helenie Eilstein,

prof. dr. hab. Zdzisławowi Cackowskiemu, prof. dr hab. Elżbiecie Kałuszyń-

skiej, dr. Janowi Czerniawskiemu, dr. Witoldowi Martynie, dr. Józefowi

Dębowskiemu, dr. Arturowi Koterskiemu, Piotrowi Brani oraz mojej żonie

Monice.

CZĘŚĆ PIERWSZA

ATOMIZM STAROŻYTNY

Naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia.

Demokryt z Abdery

ROZDZIAŁ PIERWSZY

LEUKIPPOS I DEMOKRYT

Atomistyczną koncepcję materii sformułowali dwaj myśliciele starożyt-

nej Grecji — Leukippos (V w. p.n.e.) i Demokryt z Abdery (ok. 460–360

p.n.e.). Atomizm był w starożytności główną postacią materialistycznego

poglądu na świat i jednocześnie najdojrzalszym systemem wczesnej greckiej

filozofii przyrody. Głosi on, że istnieją ostateczne, niepodzielne składniki

materii, z których każda jest wieczna i niezmienna, poruszające się

w nieskończonej próżni. Elementarne składniki materii Demokryt nazwał

a t o m a m i (od greckiego słowa άτομος, które znaczy „niepodzielny”).

Główne założenia starożytnego atomizmu łatwo zrozumieć, posługując

się analogią z klockami lego3. Klocki lego są podstawowymi „cegiełkami”,

z których można budować rozmaite rzeczy. Różnią się od siebie kształtem

i wielkością. Wyposażone są w zaczepy, za pomocą których można je łą-

czyć w różne układy. Można je zamieniać miejscami — pewien klocek raz

może być elementem składowym domu, innym razem samochodu, mostu

czy innej dowolnej budowli. Oczywiście, by móc budować rozmaite ukła-

dy, musimy mieć puste miejsce, w którym będziemy przesuwać klocki.

Jeśli do tego dodamy, że klocki są niepodzielne i trwałe (z pewnym przy-

bliżeniem możemy nawet powiedzieć: wieczne) — otrzymamy obraz świa-

ta dość dobrze odpowiadający starożytnej koncepcji atomistycznej Leu-

kipposa i Demokryta.

W pierwszej historii filozofii w dziejach — Żywotach i poglądach słyn-

nych filozofów Diogenesa Laertiosa — znajdujemy następujące omówienie

poglądów Demokryta: „Początkiem wszechrzeczy są atomy i próżnia.

Wszystko inne jest tylko mniemaniem. Istnieje nieskończenie wiele świa-

—————— 3 Podobną analogię zaprezentował J. Gaardner w książce Świat Zofii. Cudowna podróż

w głąb historii filozofii, tłum. I. Zimnicka, Jacek Santorski & Co, Bydgoszcz 1995, s. 59.

Atomizm starożytny

16

tów, które rodzą się i giną. Nic nie może powstać z niebytu ani w niebyt się

obrócić. Atomy są nieskończone pod względem wielkości i ilości, a porusza-

ją się we wszechświecie ruchem wirowym; w ten sposób powstają wszystkie

ciała złożone, jak ogień, woda, powietrze, ziemia; albowiem i one są kon-

glomeratami określonych atomów. Atomy dzięki swej masywności nie pod-

legają jakiemukolwiek oddziaływaniu i są niezmienne. Słońce i Księżyc

składają się z atomów gładkich i okrągłych, podobnie jak dusza. […]

Wszystko dzieje się wskutek konieczności. […] Jakości mają istnienie tylko

umowne, rzeczywiście istnieją tylko atomy i próżnia”4.

Arystoteles zaś w Metafizyce pisze następująco: „Leukippos i jego

uczeń Demokryt twierdzili, że elementami są Pełnia i Próżnia, nazywając

jedno bytem, a drugie niebytem; pełnia i ciała stałe to byt, próżnia to

niebyt (z tego też względu mówili, że byt nie więcej istnieje niż niebyt,

ponieważ ciało stałe nie bardziej istnieje niż próżnia). […] I tak jak ci,

którzy przyjmowali jedną podstawową substancję, wszystkie inne rzeczy

wyprowadzali z jej własności, przy czym przyjmowali, że rozrzedzanie

i zagęszczanie są przyczynami własności, w ten sam sposób również i ci

filozofowie wyjaśniali, że różnice w elementach są przyczynami wszyst-

kich innych własności. Twierdzili, że są trzy różnice [w elementach]:

kształt, porządek i położenie, […] bo A różni się od N kształtem, AN od

NA porządkiem, Z od N położeniem”5.

Teoria atomistyczna dawała prostą odpowiedź na nurtujące starożytnych

filozofów przyrody pytania: Jak możliwe są zmiany w przyrodzie? Jak moż-

liwa jest względna stałość w przyrodzie przy widocznej zarazem zmienności

i jakościowym zróżnicowaniu jej procesów i zjawisk?6 Rozmaite próby od-

powiedzi na te pytania wytworzyły podstawową w filozofii opozycję między

pojęciem s u b s t a n c j i a pojęciem z j a w i s k a. Przez „substancję” rozu-

miano na ogół to, co istnieje samoistnie, co stanowi podłoże własności rze-

czy i trwa niezmienne mimo zmian cech przysługujących rzeczom. Termi-

nem „zjawisko” zaś określano wszystko to, co się ukazuje w doświadczeniu.

—————— 4 Diogenes Laertios, Żywoty i poglądy słynnych filozofów, tłum. I. Krońska, K. Leśniak,

W. Olszewski, PWN, Warszawa 1984, IX, 44–46. 5 Arystoteles, Metafizyka, tłum. K. Leśniak, PWN, Warszawa 1983, I 985 b. 6 S. Amsterdamski, Rozwój pojęcia pierwiastka chemicznego. Przyczynek do badań nad

rozwojem pojęć naukowych, PWN, Warszawa 1961, s. 16.

Leukippos i Demokryt

17

Wytworzyły się również dwie pary przeciwstawnych stanowisk filozoficz-

nych: monizm (gr. μονος — jeden, pojedynczy) i pluralizm (łac. pluralis —

mnogi) oraz statyzm i wariabilizm (łac. variabilis — zmienny).

Filozofowie przyrody m o n i ś c i, tacy jak Tales z Miletu (ok. 620–540

p.n.e.), Anaksymenes z Miletu (ok. 585–525 p.n.e.) czy Heraklit z Efezu

(ok. 540–480 p.n.e.), poszukiwali jednej „zasady”, jednej substancji mate-

rialnej, za pomocą której można by wyjaśnić jedność świata przy jednoczes-

nej jego zmienności. Tales sądził, że taką substancją jest woda, Anaksyme-

nes zaś — że powietrze. Heraklit, przyjmując ogień jako „zasadę rzeczy”,

uczył, że w naturze nie ma nic trwałego — wszechświat to nieustanna zmia-

na, nie ma bytu, jest tylko stawanie się: panta rhei (wszystko płynie). Pogląd

ten nazywa się wariabilizmem.

Skrajnie statyczną postać uzyskał natomiast monizm w systemie

Parmenidesa z Elei (ok. 540–470 p.n.e.). Parmenides zasłynął twierdze-

niem: „Byt jest, a niebytu nie ma”. Z tej tautologicznie brzmiącej tezy wy-

wnioskował on, że byt nie ma ani początku, ani końca, a zatem jest wiecz-

ny, jest jeden, niepodzielny i absolutnie niezmienny. Skoro — jak głosił

Parmenides — nic nie może powstać z tego, czego nie ma, a to, co jest, nie

może przestać być, to żadna zmiana nie jest możliwa. Jeżeli więc zmysły

ukazują nam świat materialny jako zmienny, to zmysły łudzą i poznanie

zmysłowe nie jest prawomocnym poznaniem prawdziwej natury rzeczy-

wistości. Zdaniem Parmenidesa, poznać rzeczywistość można wyłącznie za

pomocą rozumu. Rozum zaś wykazuje, że wszelka zmiana w świecie jest

jedynie złudzeniem.

W celu przezwyciężenia tej trudności filozofowie p l u r a l i ś c i przyję-

li, że istnieje nie jedna, lecz kilka ostatecznych substancji, a zmiana ich

układu powoduje obserwowalne zmiany w świecie. Anaksagoras z Kla-

dzomen (ok. 500–428 p.n.e.) utrzymywał, że każde ciało może być osta-

tecznie podzielone na jednorodne części — zarodki. Empedokles z Akra-

gas (ok. 490–430 p.n.e.) zaś sądził, że po pewnej liczbie podziałów każde-

go ciała można otrzymać cztery ostateczne pierwiastki, czyli elementy

(ziemia, woda, powietrze, ogień), które w rezultacie działania dwóch sił —

miłości i nienawiści (to znaczy przyciągania i odpychania) tworzą rozma-

itość rzeczy.

Demokryt, który do metodologicznego postulatu racjonalnego tłuma-

czenia świata przyjmowanego przez eleatów, a mianowicie postulatu

Atomizm starożytny

18

niesprzeczności (resp. zgodności z rozumem), dołączył postulat zgodności

z doświadczeniem zmysłowym, nie mógł oczywiście przyjąć tak rażąco nie-

zgodnego ze świadectwem zmysłów wniosku Parmenidesa, że wszelki ruch

jest jedynie złudzeniem. „Parmenides wierzył, że umysł może dojść do po-

znania prawdy tylko na drodze logicznego rozumowania, abstrahując od

zjawisk zmysłowych, podczas gdy Leukippos [jak również Demokryt —

A. Ł.] uważał za główne zadanie umysłu zrozumienie dokładnie zaobser-

wowanych fenomenów”7. Parmenidejski jeden Byt zastąpili atomiści wieloś-

cią jakościowo niezróżnicowanych bytów — atomów. Dla Demokryta zatem

Byt to tyle co ogół atomów. A t o m y s ą n i e z m i e n n e. Aby zatem moż-

liwe było wyjaśnienie zmiany, musi istnieć puste miejsce — p r ó ż n i a,

w której poruszają się atomy.

Materia jest zatem n i e c i ą g ł a, czyli ma s t r u k t u r ę d y s k r e t n ą.

Wszystkie ciała postrzegalne zmysłami składają się z atomów, czyli elemen-

tarnych „cegiełek”, będących budulcem przyrody. Wszystkie atomy posiada-

ją tę samą własność n i e p r z e n i k l i w o ś c i, natomiast rodzaje atomów

różnią się od siebie w i e l k o ś c i ą i k s z t a ł t e m.

Według znanej anegdoty, Demokryt wpadł na pomysł atomistycznej bu-

dowy materii, obserwując w silnym świetle słonecznym poruszające się

cząstki kurzu. To nasunęło mu przypuszczalnie myśl, że istnieją ostateczne,

najdrobniejsze, niepodzielne „cegiełki”, z których składają się wszystkie

ciała materialne. Chociaż atomów nie można zobaczyć gołym okiem, De-

mokryt snuł przypuszczenia co do kształtów atomów. Sądził, że jedne z nich

są „krzywe, drugie haczaste, inne znów wydrążone. Jeszcze inne wypukłe,

a wreszcie jeszcze inne mają jeszcze [inne] niezliczone różnice”8. Atomy

wyposażone są ponadto w różne „haczyki” i „zaczepy”, dzięki którym mogą

łączyć się ze sobą. Atomy ognia, podobnie zresztą jak atomy duszy, mają

kształt kulisty9.

Obok a b s o l u t n y c h (czyli w e w n ę t r z n y c h) własności atomów —

nieprzenikliwości, kształtu i wielkości, Demokryt i Leukippos wprowadzili

—————— 7 A. Krokiewicz, Zarys filozofii greckiej. Od Talesa do Platona, PWN, Warszawa 1975,

s. 214. 8 E. H. Diels, Die Fragmente der Vorsokratiker, griechisch und deutsch, Berlin 1956, B 118,

cyt. za: J. Legowicz, Filozofia starożytna Grecji i Rzymu, PWN, Warszawa 1970, s. 99. 9 Ibidem, s. 101.

Leukippos i Demokryt

19

jeszcze różnice w z g l ę d n e — p o ł o ż e n i e w p r z e s t r z e n i i p o -

r z ą d e k, które odróżniały układy atomów. Nieprzenikliwość, kształt, wiel-

kość, położenie w przestrzeni i porządek atomów, a ponadto wieczny ruch są

jedynymi o b i e k t y w n y m i własnościami świata.

Ani atomy, ani ich układy nie posiadają natomiast takich własności, jak

barwa, zapach czy smak. Wszystkie tego typu własności, czyli tzw. jakości

zmysłowe, są s u b i e k t y w n e — są jedynie reakcją zmysłów i świado-

mości ludzkiej na bodźce zewnętrzne i wewnętrzne. „Z tych samych bowiem

zgłosek powstaje tragedia i komedia”10

— jak rzecz ujmuje Arystoteles.

Podobnie jak litery czy też zgłoski nie posiadają znaczenia, jakie przysługuje

złożonym z nich wyrazom, tak atomy, które są składnikami ciał postrzegal-

nych zmysłami, nie posiadają własności, jakie mają ciała postrzegalne.

„Ogień jest na przykład gorący nie dlatego, żeby składał się z gorących ato-

mów, lecz dlatego, że tworzą go atomy w takim a takim układzie i tak a tak

się poruszające”11

. Podobnie miód jest d l a n a s słodki, ale nie znaczy to

oczywiście, że miód składa się ze słodkich atomów.

Postrzegalne zmysłowo ciała powstają wskutek mechanicznego łączenia

się ze sobą atomów, przestają zaś istnieć, gdy atomy rozłączają się. Ponie-

waż wszelka zmiana polega na czysto mechanicznym łączeniu się i rozłą-

czaniu się niezmiennych atomów, to nie istnieją obiektywne zmiany jako-

ściowe. W zasadzie, tak naprawdę w przyrodzie nic nie powstaje i nie ginie,

wszelki rodzaj zmiany w świecie daje się sprowadzić do ruchu mechanicz-

nego — zmiany położenia atomów w przestrzeni. Ruch jest powszechną

własnością atomów. Jest, podobnie jak atomy, odwieczny i jego pochodze-

nie nie wymaga wyjaśnienia.

By ruch był możliwy, musi istnieć a b s o l u t n a p r ó ż n i a, w której po-

ruszają się atomy. Teza o istnieniu próżni jest dla atomizmu równie ważna

jak przekonanie o dyskretnej strukturze materii. Próżnia jest nie tylko pustą

przestrzenią na zewnątrz ciał materialnych, ale stanowi istotny składnik

obiektów złożonych z atomów. Demokryt wskazywał na fakty empiryczne,

świadczące za istnieniem próżni, takie jak: ruch przestrzenny, zagęszczanie

—————— 10 Arystoteles, O powstawaniu i niszczeniu, 315 b, [w:] idem, Dzieła wszystkie, t. 2, Fizy-

ka; O Niebie; O powstawaniu i niszczeniu; Meteorologika; O świecie; Metafizyka, tłum.

K. Leśniak, A. Paciorek, L. Regner, P. Siwek, PWN, Warszawa 1990. 11 A. Krokiewicz, Zarys…, s. 215.

Atomizm starożytny

20

się i rozrzedzanie ciał postrzegalnych zmysłami, wzrost żywych organizmów

za sprawą pokarmu, czy też fakt, że do naczynia pełnego popiołu można

wlać prawie tyle wody, ile wynosi objętość naczynia, jakby w nim nie było

niemal żadnego popiołu. Ostatni przykład, jak również wsiąkanie wody

w piasek, można wyjaśnić, przyjmując, że atomy tworzące wodę wypełniają

pustą przestrzeń pomiędzy atomami tworzącymi popiół czy piasek. Gdy

zostanie wypełniona cała wolna przestrzeń, dalsze wsiąkanie wody nie jest

już możliwe.

Demokrytejska teza o realnym istnieniu próżni absolutnej rozpoczęła

wielowiekowy spór o naturę przestrzeni, spór, w którym uczestniczyli wszy-

scy bez mała wielcy filozofowie i przyrodnicy i który również współcześnie

daleki jest od rozstrzygnięcia. Stawiano pytania: Czym jest przestrzeń? Czy

jest skończona, czy nieskończona? Czy istnieje samodzielnie i niezależnie

od materii, czy też jest jedynie systemem relacji między ciałami materialny-

mi? Czy można ją sobie wyobrazić również w nieobecności ciał? Czy jest

taka sama w każdym miejscu (jednorodna) i ma takie same własności

w każdym kierunku (izotropowa)? Czy jest neutralna względem materii, czy

też wpływa na własności ciał i sama podlega oddziaływaniu ze strony ciał?

Czy jej własności dane są nam intuicyjnie i znane umysłowi bez faktów

zewnętrznych, czy też są wyprowadzone z danych doświadczenia?12

Przestrzeń jest, w rozumieniu Demokryta, bytem w swoim istnieniu

i własnościach całkowicie niezależnym od materii. Nie wpływa również na

własności umieszczonych w niej ciał ani nie doznaje ze strony ciał żadnego

wpływu. Atomy i próżnia stanowią nieredukowalne do siebie składniki świa-

ta.

Według Demokryta w przyrodzie panuje bezwzględny d e t e r m i n i z m,

co znaczy, że nic się nie dzieje bez przyczyny, ale wszystko z jakiejś r a c j i

i k o n i e c z n o ś c i. Ruch atomów, a więc i wszystko, co się dzieje w świe-

cie, wyznaczony jest przez ślepą, mechaniczną konieczność. Wyjaśnienie

wszelkich zjawisk przyrody powinno zatem polegać na podaniu ich przy-

czyn bez odwoływania się do celów13

. Demokryt sformułował więc program

—————— 12 Por. L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, tłum. J. Kozubowski, Z. Majewski, A. Pin-

dor, J. Prochorow, PWN, Warszawa 1975, s. 406. 13 Szerzej o pojęciu przyczyny u Demokryta por. G. Reale, Historia filozofii starożytnej,

t. 1, Od początków do Sokratesa, tłum. E. I. Zieliński, RW KUL, Lublin 1994, s. 199; por.

Leukippos i Demokryt

21

racjonalno-empirycznej i wyłącznie przyczynowej teorii. Mówił nawet, że

„wolałby znaleźć jedno przyczynowe wyjaśnienie [zjawiska], niż gdyby

królestwo perskie miało stać się jego własnością”14

.

Jak już wspominałem, Feynman uznaje koncepcję Demokryta za jedno

z najważniejszych osiągnięć w całej historii myśli ludzkiej. Niektórzy filo-

zofowie jednak, ostro przeciwstawiając sobie koncepcje przyrodnicze

i filozoficzne, twierdzą, że „nie ma żadnej potrzeby wspominania imienia

Demokryta, kiedy mowa o współczesnej atomistyce”15

, czy też że teorie

atomistyczne starożytności „nie miały rzeczywistego wpływu w czasach

nowożytnych, bowiem nie stanowiły one inspiracji dla teorii Gassendiego,

Boyle’a, Huygensa czy też poszukiwań Daltona”16

. Pogląd ten odmawia

wartości naukowej hipotezom filozoficznym takim jak atomizm z tej racji,

że były one „formułowane w sposób spekulatywny i niesprawdzalny”17

.

Podobną opinię jak cytowani wyżej Delacre i Bachelard wyraża również

J. Życiński, pisząc: „Zapominanym często faktem w charakterystykach

atomizmu starożytnych jest to, iż do końca XIX wieku interpretacja ta mia-

ła charakter spekulatywny, a nie empiryczny”18

.

Niewątpliwie trudno nie zgodzić się z tezą, że teoria atomistyczna niosła

ze sobą potężną dawkę spekulacji. Ale czy oznacza to, że miała ona charak-

ter nieempiryczny? Czy była niesprawdzalna? Możliwość (sprawdzenia

teorii) można rozumieć albo w sensie empirycznym, albo logicznym. Oczy-

wiście ze względu na stan techniki eksperymentalnej w starożytnej Grecji

teoria Demokryta nie pozwalała na przykład na eksperymentalne określenie

rzeczywistych rozmiarów i kształtów atomów. Wobec braku odpowiednio

zaawansowanych środków technologicznych własności te musiały pozostać

—————— także W. F. Asmus, Demokryt. Wybór fragmentów Demokryta i świadectw starożytnych

o Demokrycie, tłum. B. Kupis, Książka i Wiedza, Warszawa 1961, s. 28–39. 14 E. H. Diels, Die Fragmente…, B 118, cyt. za: J. Legowicz, Filozofia…, s. 100. 15 M. Delacre, Histoire de chimie, Paris 1920, s. 5, cyt. za: S. Amsterdamski, Rozwój po-

jęcia pierwiastka…, s. 12. 16 G. Bachelard, Les intuitions atomistiques, Paris 1930, s. 10, cyt. za: S. Amsterdamski,

Rozwój pojęcia pierwiastka…, s. 12. 17 Por. S. Amsterdamski, Rozwój pojęcia pierwiastka…, s. 13. 18 J. Życiński, Mechanicyzm przed mechaniką, [w:] M. Heller, J. Życiński, Wszechświat

— maszyna czy myśl? Filozofia mechanicyzmu: powstanie — rozwój — upadek, Polskie To-

warzystwo Teologiczne, Kraków 1988, s. 30.

Atomizm starożytny

22

kwestią spekulacji. Wydaje się jednak, że gdyby Demokrytowi przedstawić

techniki eksperymentalne współczesnej fizyki, można śmiało przypuścić, że

przystałby na empiryczny test swojej teorii, polegający na przykład na eks-

perymentalnym wyznaczeniu wielkości atomów. Gdyby starożytni Grecy

dysponowali odpowiednimi środkami technologicznymi, taki test hipotezy

atomistycznej byłby z a s a d n i c z o możliwy. Można więc powiedzieć, że

nawet za czasów Demokryta było l o g i c z n i e możliwe sprawdzenie hipo-

tezy atomistycznej, choć — ze względu na brak odpowiednich po temu

środków — nie było e m p i r y c z n i e możliwe jej sprawdzenie, przynaj-

mniej w sposób, który dawałby przekonujące dowody na rzecz realności

atomów.

Jak widać na podstawie cytowanych wyżej fragmentów, Leukippos

i Demokryt podawali argumenty na rzecz istnienia atomów i próżni, opiera-

jąc się na bezpośrednio obserwowanych zjawiskach, co było wówczas jedy-

nym możliwym sposobem potwierdzenia teorii. „Teoria ta — pisze K. Leś-

niak — była stale weryfikowana przez obserwację. Dopatrywano się jej po-

twierdzenia w różnych zjawiskach, zwłaszcza tych, które swą oczywistością

szczególnie rzucały się w oczy. Niewidzialne, a jakże gwałtowne niekiedy

wiatry, zapachy, dźwięki, fale ciepłego powietrza, powolne zmniejszanie się

przedmiotów wskutek ciągłego ścierania się, jak np. kamieni chodnika, pier-

ścienia noszonego stale na palcu, skał drążonych przez krople, spiżowych

posążków u drzwi itp., oto niewątpliwie dowody słuszności tej teorii. Wi-

dziano je również w zjawisku wysychania wilgotnej odzieży, w nasiąkaniu

wilgocią suchej, gdy się ją zostawi na brzegu morskim. Najwięcej jednak

analogii dostarczały zjawiska mikroskopijnych pyłków obserwowanych w

ruchu, a zwłaszcza ruch pyłków w smudze światła przepuszczonego przez

otwór do ciemnego pokoju”19

.

Odnośnie do „spekulatywnego” charakteru teorii atomistycznej, zauwa-

żyć również trzeba, że nie mniejszy ładunek „spekulacji” zawierają współ-

czesne teorie fizyczne, zwłaszcza te, które dotyczą zjawisk bardzo odległych

od codziennego doświadczenia, jak na przykład badania wczesnych faz ewo-

lucji wszechświata. Demokryt odwoływał się do doświadczenia potocznego i

usiłował powszechnie znane fakty empiryczne wyjaśnić, choć przyznać trze-

ba, że nie był inspiratorem żadnych e k s p e r y m e n t ó w s p r a w d z a j ą -

—————— 19 K. Leśniak, Lukrecjusz, Wiedza Powszechna, Warszawa 1985, s. 25.

Leukippos i Demokryt

23

c y c h, nie czynił p r o g n o z. Można więc powiedzieć, że atomizm Demo-

kryta miał charakter empiryczny, chociaż był empiryzmem mniej rygory-

stycznym niż ten, który uważa się za charakterystyczny dla współczesnej

nauki. W filozofii nauki pogląd, iż teorie naukowe opisują po prostu „nagie

fakty”, został dawno przezwyciężony jako zbyt naiwny i nieadekwatny do

faktycznego rozwoju nauki. Każda teoria naukowa zawiera potężną porcję

czystej spekulacji. Wiemy również, że w nauce nie ma prawd ustalonych

ponad wszelką wątpliwość i takich, które byłyby zasadniczo niekwestiono-

walne — przynajmniej jeśli chodzi o teorie o dużym stopniu ogólności. Jak

rzecz ujmuje K. R. Popper: „Wyniki naukowe pozostają hipotezami, które są

być może prawdziwe, ale nie są u d o w o d n i o n e: nie w y k a z a n o i c h

p r a w d z i w o ś c i”20

.

W przeciwieństwie do cytowanych wyżej wypowiedzi Delacre’a i Bache-

larda wielu filozofów podkreśla genialną wprost trafność hipotezy atomi-

stycznej myślicieli greckich. „Bez laboratoriów i odpowiednich urządzeń —

pisze K. Leśniak — bez organizacji badań naukowych, bez przygotowanych

do pracy naukowej pracowników, a zwłaszcza bez ścisłych metod nauko-

wych potrafili jednak, wiedzeni jakimś wieszczym przeczuciem, wpaść na

tropy teorii atomistycznej i wyjaśnić, w wielu wypadkach zupełnie popraw-

nie, różne przebiegi i zjawiska zarówno fizyczne, jak i psychiczne”21

.

Nie wolno zapominać — pisze z kolei R. Carnap — że i w historii nauki,

i w psychologicznej historii twórczych naukowców teoria często pojawiała

się jako pewnego typu wyobrażenie — wizja inspirująca uczonego, na długo

zanim odkrywa on reguły, które mogą pomóc przy potwierdzaniu jego teorii.

Gdy Demokryt mówił, że wszystko składa się z atomów, było to „objawienie

pewnego rodzaju geniuszu, głębokiej intuicji, ponieważ dwa tysiące lat póź-

niej jego wizja została potwierdzona. Nie powinniśmy zatem odrzucać zbyt

pochopnie żadnej wizji antycypującej teorię, pod warunkiem że kiedyś

w przyszłości będzie można ją sprawdzić”22

.

Problem aktualności atomistycznej koncepcji Demokryta odłóżmy do

chwili, gdy prześledzimy modele atomów proponowane w historii fizyki:

—————— 20 K. R. Popper, Świat skłonności, tłum. A. Chmielewski, Znak, Kraków 1996, s. 15. 21 K. Leśniak, Lukrecjusz, s. 26. 22 R. Carnap, Philosophical Foundations of Physics. An Introduction to the Philosophy of

Science, Basic Books, Inc. Publishers, New York–London 1962, s. 245–246.

Atomizm starożytny

24

Thomsona, Rutherforda, Bohra i Schrödingera oraz podstawy modelu stan-

dardowego cząstek elementarnych. Jednak — przy całym szacunku dla

twórcy atomizmu — zauważyć trzeba, że podobieństwa między koncepcją

Demokryta a współczesną teorią atomistyczną bywają niekiedy przedsta-

wiane w sposób zdecydowanie przesadny. Na przykład W. Tatarkiewicz

w Historii filozofii pisze, że „teoria atomistyczna Demokryta niewiele róż-

ni się od nowoczesnej teorii noszącej to samo miano. Różnice polegają na

tym jedynie, że a) Demokryt przyjmował, iż rodzaje atomów są w ilości

nieograniczonej, podczas gdy nowoczesna teoria sprowadziła je do kilku-

dziesięciu; b) Demokryt nie znał grupy atomów, tj. drobiny (acz mówił już

o „atomach podwójnych”), i jego atom spełniał te funkcje, które w nowo-

czesnej teorii przypadły drobinie; c) Demokryt, nie znając prawa ciążenia,

musiał mechanicznie pojmować łączenie się atomów; jego atomy trzymały

się wzajemnie przez różne haki, dziurki, odnogi; d) dla Demokryta atomy

były bytem najrealniejszym i przedmiotem najpewniejszej wiedzy, podczas

gdy późniejsza teoria ma je na ogół tylko za hipotezę”23

.

Opinia Tatarkiewicza dość dobrze oddaje podobieństwa między koncep-

cją Demokryta i atomizmem dziewiętnastowiecznym, jednak wyrażony po-

gląd już w latach trzydziestych24

był anachronizmem. Tym bardziej trudno

go uznać za adekwatny w stosunku do pojęcia atomu w fizyce końca XX

wieku. Okazuje się bowiem, że istnieją głębokie różnice między teorią De-

mokryta a współczesnym wyobrażeniem atomu. Uwidocznią się one w dal-

szych rozważaniach. W tym miejscu zauważyć jedynie trzeba, że atomy

w rozumieniu fizyki XX wieku na pewno są obiektami złożonymi. Nie są

również „twarde i nieprzenikliwe”. Takie ich pojmowanie jest skrajnie ana-

chroniczne i wyklucza je jedna z fundamentalnych własności świata kwan-

towego, a mianowicie tzw. dualizm korpuskularno-falowy.

Własności atomów (i oczywiście cząstek elementarnych — współcze-

snych kandydatów na „ostateczne cegiełki”) nie dają się sprowadzić do

wielkości i kształtu. Niektóre z tych własności, takie jak spin, w ogóle nie

poddają się poglądowym przedstawieniom. Atomy nie są niezmienne —

mogą przemieniać się jedne w drugie podczas reakcji jądrowych. Wiele

—————— 23 W. Tatarkiewicz, Historia filozofii, t. 1, Filozofia starożytna i średniowieczna, PWN,

Warszawa 1990, s. 49. 24 Pierwsze wydanie Historii filozofii ukazało się w 1931 roku.

Leukippos i Demokryt

25

atomów (i znakomita większość cząstek elementarnych) to obiekty nietrwa-

łe, które rozpadają się na inne atomy i inne cząstki elementarne.

Próżnia współczesnej fizyki na pewno nie jest po prostu „pustą przestrze-

nią”, lecz ośrodkiem o bardzo bogatych właściwościach. Ruchu atomów nie

da się sprowadzić do prostej zmiany miejsca w przestrzeni, a mechanika

kwantowa poddaje w ogóle w wątpliwość możliwość przypisania mikro-

obiektom ściśle określonych torów czasoprzestrzennych i indywidualności.

Znanych jest nie kilkadziesiąt, lecz grubo ponad sto rodzajów atomów

(włączając atomy produkowane sztucznie, nie występujące w stanie natural-

nym w przyrodzie) i setki cząstek elementarnych.

Siły grawitacji, ze względu na bardzo małe natężenie, praktycznie nie

mają większego znaczenia przy łączeniu się atomów — dominujące są

w tym wypadku siły elektromagnetyczne, natomiast dla nukleonów (to zna-

czy protonów i neutronów, z których zbudowane jest jądro atomowe) siły

jądrowe.

Hipotetyczność atomów, czyli niemożliwość niepodważalnego udowod-

nienia ich istnienia, nie wyklucza ich realności, to zaś, czy atomy traktuje się

jako realny byt, czy jedynie jako narzędzie pojęciowe służące do maksymal-

nie ekonomicznego opisu doświadczenia, nie jest powszechnie przyjęte ani

przez fizyków, ani przez filozofów nauki, zależy bowiem od realistycznego

albo instrumentalistycznego stanowiska w kwestii statusu poznawczego

teorii naukowych.

Niezależnie jednak od tego, czy podziwiać będziemy „genialnie trafną in-

tuicję Demokryta” i widzieć w niej antycypację współczesnego atomizmu,

czy uznamy ją za koncepcję spekulatywną, faktem jest, że atomizm materia-

listyczny nie zdobył szerszego uznania w starożytności, a tym bardziej

w spirytualistycznie i teologicznie nastawionych wiekach średnich i niemal

na dwa tysiące lat wyobrażenia o budowie materii zdominował system

Arystotelesa, według którego próżnia nie istnieje, a materia jest ciągła

i składa się z czterech żywiołów: ziemi, wody, powietrza i ognia.

ROZDZIAŁ DRUGI

PLATON

Platon (427–347 p.n.e.) jest twórcą kierunku filozoficznego noszącego

miano m e t a f i z y c z n e g o i d e a l i z m u o b i e k t y w n e g o. Podsta-

wowa teza tego stanowiska głosi, że niezależnie od świata materialnego —

jednostkowych przedmiotów konkretnych (indywiduów) i niezależnie od

ludzkiej świadomości (czyli obiektywnie) istnieje świat bytów ogólnych

(uniwersaliów). Stanowiące jego zawartość i d e e istnieją p o z a c z a s e m

i p r z e s t r z e n i ą i są odrębną od świata materialnego realnością. O ile

„wiecznie stający się”, zmienny świat materialny dostępny jest postrzeganiu

zmysłowemu, to idee można poznać jedynie czystym rozumem. Idee są,

według Platona, przedmiotami pojęć ogólnych, w których wyrażane jest

prawdziwe poznanie (episteme), w przeciwieństwie do „mniemania” (doxa)

— niepewnej wiedzy zmysłowej. Każde pojęcie ma swój odpowiednik

w świecie idei, a idee tworzą hierarchię, na której szczycie znajduje się idea

Dobra–Piękna. Idee są rzeczywistym, niezmiennym bytem, natomiast świat

rzeczy postrzegalnych zmysłami, w którym zachodzą nieustanne zmiany,

jest jedynie „cieniem” owej „prawdziwej rzeczywistości”. Rzeczy właściwie

istnieją o tyle, o ile „uczestniczą” w ideach — są materialnym, zmiennym

odwzorowaniem idei.

Dla celów naszych rozważań nie musimy zastanawiać się nad tym, czym

jest na przykład „piękno samo w sobie” albo „kształt jako taki” i na czym

miałoby właściwie polegać owo „uczestniczenie” rzeczy w ideach. Ważne

jest jedynie stanowisko Platona w filozofii matematyki. P l a t o n i z m głosi,

że nauki matematyczne badają byt w pełni rzeczywisty, choć zupełnie od-

rębny od świata danego nam w doświadczeniu zmysłowym — świat bytów

idealnych. Przedmioty matematyczne, takie jak liczby, bryły geometryczne,

funkcje matematyczne, i s t n i e j ą o b i e k t y w n i e, czyli niezależnie od

naszego umysłu i są w ludzkim poznaniu o d k r y w a n e, a nie konstruowa-

ne. Innymi słowy: matematyka bada obiektywnie istniejący byt idealny i jej

Platon

27

rola nie sprowadza się wyłącznie do przygotowania aparatu pojęciowego dla

poznawczego opanowania świata materialnego25

.

Stanowisko ontologiczne Platona jest oczywiście przeciwstawne materia-

lizmowi mechanistycznemu Demokryta, według którego nie istnieją żadne

przedmioty ogólne, jedynie indywidualne atomy i próżnia. Niemniej jednak

filozofia przyrody Platona, wyłożona w Timajosie, przynajmniej przy pew-

nym rozszerzeniu zakresu terminu „atomizm”, zasługuje na miano teorii

atomistycznej. Jest to atomizm, który można określić mianem a t o mi z mu

g e o me t r yc z n e g o26

. O ile bowiem Demokryt sformułował tezę o istnieniu

podstawowych s k ł a d n i k ó w materii, o tyle Platon w swojej filozofii

przyrody mówi o istnieniu p o d s t a w o w y c h f o r m, w jakich występują

„elementy”, czyli ziemia, woda, powietrze i ogień, z których zbudowane są

wszystkie obiekty materialne.

Zasadniczą różnicę między pojęciem podstawowego składnika a poję-

ciem podstawowej formy można wyjaśnić na następującym przykładzie:

Demokryt mówił o istnieniu atomów ognia, które miały — jak sądził —

kształt kulisty. „Ogień” jest zatem dla Demokryta nazwą oznaczającą zbiór

atomów o kształcie kulistym. Można zatem wskazać na (oczywiście makro-

skopowy) zbiór atomów i powiedzieć: „t o jest ogień”. Platon pisze nato-

miast następująco: „gdy widzimy, że coś się staje bez ustanku tą lub inną

rzeczą, np. ogniem, nie należy nigdy mówić: »to« jest ogniem, lecz za każ-

dym razem: »takim« jest ogień; ani »to« jest wodą, lecz zawsze: »taką

własność« ma woda”27

.

Platońskie „formy atomowe” są podstawowymi kształtami geometrycz-

nymi, jakie przybierają ziemia, woda, powietrze oraz ogień, i wyłącznie od

geometrycznej budowy ich cząsteczek zależą cechy ciał materialnych odbie-

ranych przez zmysły. W filozofii przyrody Platona mamy więc do czynienia

ze skrajną matematyzacją przyrody: próba sprowadzenia całej rzeczywisto-

ści do matematyki jest wyrazem przekonania, że to, co rzeczywiste, można

poznać czystym rozumem, bez odwołania się do doświadczenia zmysłowe-

—————— 25 Por. K. Ajdukiewicz, Zagadnienia i kierunki filozofii. Teoria poznania. Metafizyka,

Czytelnik, Warszawa 1983, s. 113. 26 A. Krokiewicz określa go mianem „atomizmu planimetrycznego”. Por. W. Krokiewicz,

Zarys filozofii greckiej…, s. 316. 27 Platon, Timajos, 49 d, tłum. P. Siwek, PWN, Warszawa 1986.

Atomizm starożytny

28

go. Kształty geometryczne są niewątpliwie przedmiotem wiedzy rozumowej,

a skoro poznanie kształtów, jakie przybierają żywioły, wystarcza do pozna-

nia własności obiektów materialnych, oznacza to, że właśnie matematyka

(w tym wypadku geometria) zaznajamia nas z podstawowymi własnościami

świata materialnego. Na ową „panmatematyzację” świata i idealizm — pi-

sze F. Copleston — można spoglądać jak na wspierające się wzajemnie kon-

cepcje. „Im bardziej rzeczywistość jest zmatematyzowana, tym bardziej

w pewnym sensie przeniesiona jest w plan idealny. I na odwrót, myśliciel,

który pragnie odnaleźć prawdziwą rzeczywistość i byt natury w świecie ide-

alnym, może bez trudności szukać pomocy w dziedzinie matematyki”28

.

W dalszej części rozważań nie musimy zagłębiać się w szczegóły platoń-

skiej nauki o ideach. Pominę również zupełnie nieistotny dla rozważanego

tematu mit o zbudowaniu świata przez Demiurga i skoncentruję się wyłącz-

nie na przyrodniczym aspekcie koncepcji Platona, a mianowicie na zagad-

nieniu budowy podstawowych elementów świata materialnego. Należy je-

dynie przypomnieć, że Platon zajmuje p l u r a l i s t y c zn e stanowisko

w ontologii. Wyróżnia (poza Demiurgiem — boskim budowniczym świata)

„trzy zasady różne od siebie”29

: i d e e, r z e c z y oraz m i e j s c e30

(por.

niżej). Jedynie wiedza o ideach (i przedmiotach matematycznych) może być

pewna, natomiast wiedza o świecie zmysłowym — w tym również oczywi-

ście wiedza o budowie podstawowych elementów — jedynie prawdopodob-

na. Platon zatem podaje w Timajosie pewną hipotezę wyjaśniającą strukturę

świata materialnego.

Platon, czyniąc niewątpliwie aluzję do presokratycznych koncepcji natu-

ry stwierdza że nikt dotąd nie wyjaśnił jeszcze własności ziemi, wody, po-

wietrza i ognia, „jak gdyby wszyscy wiedzieli z góry, czym jest ogień i każ-

dy z innych elementów; nazywamy je przyczynami i pierwszymi [zasadami]

i uważamy je za »litery świata«, podczas gdy wystarczy trochę zdrowego

rozsądku, aby pojąć, że nie można by ich rozumnie zestawić nawet z syla-

bami”31

. Otóż fakt, że w świecie materialnym zachodzą nieustanne zmiany

—————— 28 F. Copleston, Historia filozofii, t. 1, Grecja i Rzym, tłum. H. Bednarek, Pax, Warszawa

1998, s. 224–225. 29 Platon, Timajos, 52 d. 30 Ibidem, 52 b. 31 Ibidem, 48 b.

Platon

29

i wzajemne przekształcanie się ziemi w wodę, powietrze i ogień32

(co, uży-

wając współczesnego języka, określilibyśmy mianem zmiany stanu skupie-

nia ciał) uniemożliwia, zdaniem Platona, traktowanie tych czterech żywio-

łów jako ostatecznych i niepodzielnych elementów budowy świata.

Podstawową tezę atomizmu geometrycznego Platona wyraża następujące

twierdzenie: „wszystkie gatunki ciał […] powstają z brył elementarnych, ich

kombinacji i wzajemnych przemian”33. Ziemia, woda, powietrze i ogień nie

są substancjami pozbawionymi struktury wewnętrznej, ciągłymi i podziel-

nymi w nieskończoność, lecz zbudowane są z regularnych brył geometrycz-

nych — wielościanów foremnych. Są to odpowiednio: sześcian, dwudziesto-

ścian, ośmiościan i czworościan, czyli wielościany, które współcześnie

nazywa się b r y ł a m i p l a t o ń s k i m i.

W przeciwieństwie do atomów Demokryta bryły platońskie, choć są

w pewnym sensie „atomami” ziemi, wody, powietrza i ognia, nie są niezło-

żone i niepodzielne. Każda z brył zbudowana jest bowiem z odpowiedniego

układu t r ó j k ą t ó w, który w rezultacie zderzenia dwóch lub większej licz-

by wielościanów, może ulec dezintegracji i utworzyć nowy układ, również

w kształcie wielościanu foremnego. Tak więc ostatecznymi, niepodzielnymi

elementami składowymi ciał są trójkąty, i z racji niepodzielności to raczej

trójkąty, a nie wielościany foremne pełnią u Platona rolę podobną jak atomy

w systemie Demokryta. Trójkąty są jednak, jeśli można tak powiedzieć,

„uwięzione” w wielościanach foremnych i efektywnie żywioły składają się

z (albo może lepiej byłoby powiedzieć: przybierają geometryczne formy)

odpowiednich wielościanów. Dla Platona zatem podstawową rolę w rekon-

strukcji struktury świata materialnego grają nie tyle podstawowe składniki

materii, ile geometryczne własności symetrii34

.

Według Platona wszystkie trójkąty skonstruować można z dwóch ro-

dzajów trójkątów prostokątnych: równoramiennych i różnoramiennych35

.

—————— 32 Ibidem, 49 c–50 a. Ściślej rzecz biorąc, jak będzie o tym mowa w dalszej części, nie

każdy element może się przekształcić w dowolny inny: woda, powietrze i ogień mogą się

wzajemnie w siebie przemieniać, nie mogą natomiast przemieniać się w ziemię ze względu na

odmienny gatunek trójkątów, z których jest zbudowany element ziemi. 33 Ibidem, 61 c. 34 Por. M. Heller, Filozofia świata. Wybrane zagadnienia i kierunki filozofii przyrody,

Znak, Kraków 1992, s. 30. 35 Platon, Timajos, 53 d.

Atomizm starożytny

30

Oczywiście istnieje tylko jeden gatunek trójkąta prostokątnego równora-

miennego (w dalszej części rozważań zawartych w Timajosie Platon rezer-

wuje go dla elementu ziemi), natomiast jest nieskończenie wiele gatunków

trójkątów prostokątnych różnoramiennych. Platon, kierując się explicite

względami natury estetycznej, wybiera „najpiękniejszy” spośród nich. Zda-

niem tego filozofa, jest to trójkąt, „który ma zawsze kwadrat swego najwięk-

szego boku trzy razy większy od kwadratu najmniejszego”36

, czyli taki, któ-

ry ma „przeciwprostokątną dwa razy dłuższą od najmniejszego boku”37

.

Platon nazywa go „elementem matematycznym” resp. „trójkątem podsta-

wowym”. Dobierając odpowiednią liczbę takich trójkątów, Platon konstruuje

wielościany foremne odpowiadające pozostałym żywiołom: ognia, powietrza

i wody.

Rysunek 1. Platoński „element matematyczny” żywiołów wody, powietrza i ognia re-

prezentowany jest na rysunku przez trójkąt DBS.

Konstrukcję elementu ognia przeprowadza Platon następująco: Z sześciu

takich trójkątów (DBS) konstruujemy (w sposób pokazany na rys. 1) trójkąt

równoboczny (ABC). Z czterech takich trójkątów można zbudować czworo-

ścian foremny — najprostszą bryłę w przestrzeni euklidesowej trójwymia-

rowej. Platon, określając tę figurę jako „najruchliwszą”, przypisuje ją ele-

mentowi ognia38

.

—————— 36 Ibidem, 54 a–c. 37 Ibidem, 54 d–e. 38 Ibidem, 56 a.

Platon

31

W podobnej konstrukcji uzyskujemy z takich samych trójkątów podsta-

wowych ośmiościan foremny. Każda ściana ośmiościanu jest trójkątem rów-

nobocznym i jest zbudowana z sześciu trójkątów podstawowych. Jest to

bryła tworząca element powietrza.

Ze stu dwudziestu trójkątów podstawowych można skonstruować dwu-

dziestościan foremny (jego ściany są trójkątami równobocznymi, z których

każdy składa się z sześciu trójkątów podstawowych). Dwudziestościan fo-

remny jest przyporządkowany elementowi wody — jako „mniej ruchliwy”

niż ogień i powietrze.

Element ziemi skonstruowany jest natomiast z trójkątów prostokątnych

równoramiennych (rys. 2). Z czterech takich trójkątów można skonstruować

kwadrat, z sześciu kwadratów — sześcian (w sumie 24 trójkąty prostokątne

równoramienne). Sześcian przypisuje Platon ziemi, ponieważ jest „najwy-

trzymalsza” i „najtrudniej ją poruszyć”39

.

Rysunek 2. „Elementem matematycznym” żywiołu ziemi są trójkąty prostokątne rów-

noramienne (na rysunku — wszystkie trójkąty o wierzchołku S).

Platon wspomina, że pozostała jeszcze jedna kombinacja, którą Bóg się

posłużył, kreśląc plan wszechświata40

, ale w Timajosie nie podaje żadnych

dalszych wyjaśnień. Chodzi tu oczywiście o dwunastościan foremny, po-

nieważ w trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej można skonstruować

—————— 39 Ibidem, 55 e. 40 Ibidem, 55 b.

Atomizm starożytny

32

dokładnie pięć wielościanów foremnych, co udowodnił już uczeń Platona

Teajtet.

Rysunek 3. Bryły platońskie: czworościan foremny — element ognia, ośmiościan fo-

remny — element powietrza, dwudziestościan foremny — element wody, sześcian —

element ziemi i dwunastościan.

Świat ma zatem, według Platona, naturę matematyczną i to w jak najbar-

dziej dosłownym sensie. Cztery żywioły przybierają geometryczne formy

odpowiednich wielościanów foremnych, ich istotne własności sprowadzają

się do odpowiednich symetrii, które determinują wszystkie własności ciał

postrzegalnych zmysłami. Owe bryły platońskie nie są jeszcze ostatecznymi,

niepodzielnymi składnikami świata fizycznego, ponieważ ściany każdego

z wielościanów zbudowane są z odpowiednich trójkątów podstawowych.

Widać więc, że ogień, powietrze i woda mogą przemieniać się w siebie wza-

jemnie (można je skonstruować z tych samych trójkątów), ale nie mogą

przemienić się w ziemię, bo trójkąty, z których jest zbudowany sześcian

ziemi, są inne niż pozostałych żywiołów.

Elementy odpowiadające poszczególnym żywiołom są odpowiednio

uszeregowane: od najbardziej do najmniej „ruchliwego” i jednocześnie od

najlżejszego do najcięższego. Na przykład najlżejszy jest ogień, bo zbudo-

Platon

33

wany z najmniejszej liczby takich samych elementów, jest on jednocześnie

„najbardziej ruchliwy” i ma „największą ze wszystkich zdolność krojenia”.

Oczywiście, według Platona, bryły te są zbyt małe, by można było jest po-

strzegać bezpośrednio, i są widoczne dopiero w wielkiej liczbie razem —

jako ziemia, woda, powietrze i ogień. Jednak rzeczy, które postrzegamy

zmysłami, składają się naprawdę z regularnych brył — wielościanów forem-

nych, które ostatecznie zbudowane są z dwuwymiarowych (!) trójkątów.

W rezultacie ruchu i wzajemnych zderzeń bryły platońskie mogą prze-

kształcać się jedne w drugie. W opisie, jaki podaje Platon, można nawet

dostrzec pewną analogię z opisem reakcji chemicznych we współczesnej

chemii (jeśli oczywiście pominiemy fakt, że nie ma atomów ognia, powie-

trza, wody i ziemi, lecz są atomy wodoru, tlenu itd.). Na przykład z powie-

trza (złożonego z 48 trójkątów podstawowych — osiem ścian, z których

każda zbudowana jest z sześciu trójkątów) mogą powstać dwie cząsteczki

ognia (2 4 6 = 48), dwie i pół cząsteczki powietrza mogą złożyć się

w jedną cząsteczkę wody (2 48 + 24 = 120). Ziemia, zbudowana z innych

trójkątów podstawowych niż ogień, powietrze i woda, „zawsze się odradza”,

bo nie może się stać nigdy innym elementem. Wzajemne przemiany elemen-

tów Platon wyobraża sobie mechanicznie — zachodzą one w wyniku ruchu i

wzajemnych zderzeń elementów.

Nieskończoną różnorodność świata materialnego, jaką możemy obser-

wować, Platon tłumaczy istnieniem trójkątów różnych rozmiarów. To spra-

wia również, że istnieją liczne odmiany tego samego żywiołu. Na przykład

w wypadku ognia — płomień, światło i ogień pozostający w ciałach spalo-

nych po zgaśnięciu płomienia (ciepło). Ponadto różnice w obserwowanych

własnościach ciał spowodowane są mieszaniem się elementów. Na przykład

woda zmieszana z ogniem jest, według Platona, cieczą; gdy woda oddzieli

się od ognia i wyswobodzi z powietrza, przyjmuje postać gradu itp. Ogólnie

rzecz biorąc, przemiany w świecie są rezultatem mieszania się elementów

i wzajemnego przekształcania wody, powietrza i ognia w siebie nawzajem,

przy czym podczas tych przekształceń bryły platońskie ulegają rozbiciu na

ostateczne elementarne składniki — trójkąty, a następnie ponownemu połą-

czeniu w formy wielościanów.

Atomizm starożytny

34

Platon, wyróżniwszy idee i rzeczy, wspomina jeszcze o „trzecim rodzaju

bytu”, który określa jako „trudny i ciemny”, nazywa go „schronem dla tego

wszystkiego, co się rodzi”41

, i twierdzi, że wszystkie elementy występują

wraz z nim. „Jest wreszcie — pisze Platon — trzeci rodzaj, który istnieje

zawsze, mianowicie m i e j s c e [podkr. — A. Ł.]; jest ono niezniszczalne,

ofiarowuje pobyt u siebie wszystkim przedmiotom, które się rodzą, daje się

dostrzec niezależnie od zmysłów przez pewien rodzaj rozumowania złożo-

nego; z trudnością weń można uwierzyć; postrzegamy je jako coś w rodzaju

sennego marzenia i mówimy, że każda rzecz istnieje z konieczności w pew-

nym miejscu, zajmuje pewną przestrzeń, i że to, co nie mieści się ani na

Ziemi, ani gdzieś na Niebie, jest niczym”42

.

Trudno jednoznacznie odpowiedzieć, czym jest miejsce w rozumieniu

Platona. M. Heller pisze, że jest to coś pośredniego między światem idei

i rzeczy, pewien prototyp pojęcia przestrzeni, Arystotelesowskiej czystej

bierności (materii pierwszej), czy też substancji rozumianej jako podłoże

własności43

. Na pewno jednak nie jest to absolutna próżnia, o jakiej mówił

Demokryt. Platon wielokrotnie podkreśla, że nie istnieje próżnia. Mówiąc na

przykład o rozmaitych zjawiskach przyrody, takich jak „bieg wody, spadanie

piorunów” oraz o „przedziwnej sile przyciągania bursztynu i magnesu”,

pisze, iż żadne z tych zjawisk „nie zachodzi pod wpływem jakiejkolwiek siły

przyciągania; ale ponieważ nie ma próżni, ciała te wypierają się wzajemnie

dokoła, rozłączając się i łącząc ze sobą, zmieniają swoje miejsca —

a w końcu każde z nich powraca do swojego własnego miejsca”44

.

W każdym razie w filozofii przyrody Platona znajduje wyraz tendencja

do skrajnej „matematyzacji przyrody” — przekonanie, że istotę świata przy-

rody może uchwycić wyłącznie matematyka. W związku z tym warto

zauważyć, że dominująca rola, jaką przypisywał Platon s y m e t r i i, zacho-

wana jest również we współczesnej fizyce teoretycznej, chociaż są to znacz-

nie bardziej wyrafinowane rodzaje symetrii niż proste symetrie brył geome-

trycznych. Interesujące jest również to, że wielu wybitnych współczesnych

—————— 41 Ibidem, 49 b. 42 Ibidem, 52 b. 43 Por. M. Heller, Filozofia świata…, s. 25–25. Por. także Platon, Timajos, przypis 52

P. Siwka. 44 Ibidem, 80 c.

Platon

35

fizyków nawiązuje w swych refleksjach nad nauką właśnie do idealizmu

obiektywnego Platona. Dyskusja tych zagadnień wymagałaby napisania

osobnej książki i analizy pewnych podstawowych kwestii filozoficznych.

W tym miejscu poprzestanę jedynie na przytoczeniu kilku charakterystycz-

nych wypowiedzi, pochodzących od wybitnych fizyków teoretyków

XX wieku, którzy, niejako w opozycji do cytowanej wypowiedzi Feynmana,

podstawowe znaczenie dla zrozumienia struktury materii przypisują koncep-

cjom Platona właśnie, a nie Demokryta.

Spośród dwudziestowiecznych fizyków teoretyków bodaj największym

wielbicielem Platona był Werner Heisenberg. „Współczesne interpretacje

zjawisk mikroświata — pisze on — niewiele mają wspólnego z prawdziwie

materialistyczną filozofią. Można właściwie powiedzieć, że fizyka atomowa

sprowadziła naukę z drogi materializmu, którą kroczyła w dziewiętnastym

stuleciu”45

. „Struktura fundująca zjawiska dana jest nie przez obiekty mate-

rialne, jak atomy Demokryta, lecz przez formę, która obiekty materialne

określa. Idee są bardziej fundamentalne niż obiekty. Ponieważ zaś najmniej-

sze części materii mają być obiektami, w których rozpoznawalna staje się

prostota świata i od których bliżej jest do »Jednego« i »jednolitości« świata,

idee mogą być opisane matematycznie, są po prostu formami matematycz-

nymi”46

. Według Heisenberga „najmniejsze jednostki materii” w koncepcji

Platona — trójkąty — nie są już obiektami fizykalnymi w zwykłym sensie

słowa: są to formy, struktury lub idee w platońskim rozumieniu, które repre-

zentują podstawowe własności symetrii świata i które dają się opisać wy-

łącznie w języku matematyki47

.

„Wzory matematyczne, trafnie ujmujące bieg zjawisk przyrody — pisze

również Czesław Białobrzeski — posiadają byt trwały wśród zmiennych

kształtów pojęciowych, jakie przybiera pierwotnie z nimi związana teoria.

Mogą one okazać się tylko przybliżonym wyrazem stosunków rzeczywi-

stych i podporządkować się wzorom ogólniejszym, w pewnym zakresie po-

zostają jednak niezachwiane. […] Tak więc wzory matematyczne fizyki

—————— 45 W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, tłum. S. Amsterdamski, Książka i Wiedza, Warszawa

1965, s. 42. 46 Idem, Ponad granicami, tłum. K. Wolicki, PIW, Warszawa 1979, s. 202. 47 Idem, Planck’s Discovery and the Philosophical Problems of Atomic Physics, [w:]

W. Heisenberg, M. Born, E. Schrödinger, P. Auger, On Modern Physics, New York 1961, s. 6.

Atomizm starożytny

36

tworzą niezmienny świat idealny, któremu podlega stawanie się w przyro-

dzie; każdego uderzy tu analogia ze światem idei Platońskich, niematerial-

nych pierwowzorów rzeczy i stosunków świata zmysłowego”48

.

Arthur S. Eddington, podkreślając czysto symboliczny i abstrakcyjny

charakter fizycznego obrazu świata, pisze, że „wszelka rzeczywistość jest

natury duchowej, nie zaś materialnej, ani też dwoistej: jednocześnie mate-

rialnej i duchowej. Hipoteza, że rzeczywistość może być w większej czy też

mniejszej mierze natury materialnej, nie jest w ogóle brana przeze mnie pod

uwagę, gdyż według naszych dzisiejszych poglądów na materię zestawienie

przymiotnika »materialna« z rzeczownikiem »natura« nie ma sensu”49

.

Carl F. von Weizsäcker, komentując Platońską metaforę jaskini pisze, że

„owe cienie na ścianie jaskini […] są wrażeniami zmysłowymi, a pierwsze

odwrócenie się, które wiedzie ku realnym przedmiotom w jaskini, jest do-

kładnie zwróceniem się nauk przyrodniczych ku nie postrzeganym bezpo-

średnio obiektom fizyki. Te obiekty […] są właściwie matematycznymi

postaciami — niemal tak jak w dzisiejszej fizyce teoretycznej. Ale matema-

tyczne postaci to właściwie to, co Platon nazywa ideami”50

.

Steven Weinberg pisze następująco: „Synteza teorii względności z me-

chaniką kwantową doprowadziła do powstania nowego obrazu świata,

w którym materia nie odgrywa już głównej roli. Jej miejsce zajęły zasady

symetrii, choć niektóre z nich w obecnym stanie wszechświata pozostają

ukryte”51

.

Również Roger Penrose explicite akceptuje Platońską tezę o obiektyw-

nym istnieniu bytów matematycznych. Przeciwstawiając się rozumieniu

pojęć matematycznych jako idealizacji obiektów świata materialnego, uważa

—————— 48 Cz. Białobrzeski, Budowa atomu i pojęcie materii w fizyce współczesnej, Krakowska

Spółka Wydawnicza, Kraków 1921, s. 35–36; Por. także A. Łukasik, Czesława Białobrzeskie-

go koncepcja obiektywności poznania kwantowomechanicznego, „Edukacja Filozoficzna”

1994, vol. 18, s. 222–233. 49 A. S. Eddington, Nauka na nowych drogach, tłum. Sz. Szczeniowski, Wyd. Trzaska,

Evert i Michalski SA, Kraków bd, s. 303; A. Łukasik, Selektywny subiektywizm sir Arthura

Stanley’a Eddingtona, „Edukacja Filozoficzna” 1997, vol. 23, s. 247–261. 50 C. F. von Weizsäcker, Jedność przyrody, tłum. K. Napiórkowski, J. Prokopiuk, H. To-

masik, K. Wolicki, PIW, Warszawa 1978, s. 17. 51 S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, tłum. P. Amsterdamski, Zysk i S-ka, Warszawa

1994, s. 13.

Platon

37

on, że „świat fizyczny wyłania się z (»pozaczasowego«) świata matematyki.

[…] Jedną z zadziwiających cech zachowania świata stanowi jego nadzwy-

czajna zgodność z prawami matematycznymi. Im lepiej rozumiemy świat

fizyczny, im głębiej poznajemy prawa natury, tym bardziej wydaje się nam,

że świat fizyczny gdzieś wyparowuje i pozostaje nam tylko matematyka. Im

głębiej rozumiemy prawa fizyki, tym dalej wkraczamy w świat matematyki

i matematycznych pojęć”52

.

Rzecz jasna, przytoczenie powyższych wypowiedzi tuzów współczesnej

fizyki nie jest w żadnym wypadku argumentem na rzecz idealistycznego

stanowiska w ontologii. Wśród samych fizyków (nie mówiąc już o filozo-

fach nauki) nie ma bowiem powszechnie akceptowanego stanowiska wobec

statusu poznawczego teorii naukowych. Oto na przykład Stephen Hawking

pisze następująco: „Przyjmuję tutaj […] pogląd, że teoria jest po prostu mo-

delem wszechświata lub jego części oraz zbiorem reguł wiążących wielkości

tego modelu z obserwacjami, jakie można wykonać. Teoria istnieje wyłącz-

nie w naszych umysłach i nie można jej przypisywać żadnej innej realności

(cokolwiek mogłoby to znaczyć)”53

.

Jednak z wypowiedzi tych widać, że prastara kontrowersja filozoficzna

materializm — idealizm nadal pobudza umysły uczonych, przynajmniej

tych wielkich, których działalność naukowa nie ogranicza się do „rozwią-

zywania łamigłówek”. Dowodzą one również, że atomizm (jak zresztą

wszystkie fundamentalne teorie przyrodnicze) zawiera nieredukowalny

składnik filozoficzny.

—————— 52 R. Penrose, Makroświat, mikroświat i umysł ludzki, tłum. P. Amsterdamski, Prószyński

i S-ka, Warszawa 1997, s. 18–19. 53 S. Hawking, Krótka historia czasu. Od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur, tłum.

P. Amsterdamski, Alfa, Warszawa 1990, s. 20.

ROZDZIAŁ TRZECI

EPIKUR I LUKRECJUSZ

Z licznych pism Epikura (341–270 p.n.e.), w tym składającego się

z 37 ksiąg dzieła O przyrodzie (Peri fyseos), pozostały wyłącznie fragmenty.

Rzymski filozof i poeta Titus Lucretius Carus (ok. 95–55 p.n.e.) wyłożył zaś

naukę Epikura w swym poemacie De rerum natura. Poemat Lukrecjusza

oraz księga X Żywotów i poglądów słynnych filozofów Diogenesa Laertiosa

stanowią podstawowe źródła wiadomości o nauce Epikura. Sam Lukrecjusz

nie rozwinął nauki Epikura ani też nie wprowadził właściwie żadnych po-

ważniejszych zmian do jego systemu, co było zresztą rzeczą normalną dla

przedstawicieli szkoły epikurejskiej. Poemat Lukrecjusza jednak „w stopniu

większym niż jakiekolwiek inne dzieło przyczynił się w okresie renesansu

do spopularyzowania w sposób niezwykle prosty i jasny doktryny Epikura.

Jeszcze XVII i XVIII wiek poznawał atomistykę grecką głównie z dzieła

Lukrecjusza”54

.

Epikur przyjmuje za Demokrytem, że materia zbudowana jest z nieskoń-

czonej liczby atomów („zarodków”), poruszających się w nieskończonej

próżni. Atomy istnieją odwiecznie, ani nie powstają, ani nie przestają istnieć,

jedynie poruszają się w próżni, łączą się ze sobą i rozłączają, tworząc w ten

sposób wszystkie ciała występujące w przyrodzie. Wszelka zmiana daje się

zatem sprowadzić do zmiany konfiguracji przestrzennej elementarnych, ab-

solutnie niezmiennych składników. Wyjaśnienie zjawisk przyrody powinno

zatem — zdaniem Epikura — mieć charakter wyłącznie przyczynowy,

a przyczyny należy pojmować jako czysto mechaniczne.

I żadna rzecz nie wchodzi w nicość, nie ginie ze szczętem,

A tylko się rozprzęga w materii elementy […].

Ciała, powiemy dalej, to albo zarodki same,

—————— 54 K. Leśniak, Lukrecjusz, s. 70.

Epikur i Lukrecjusz

39

Albo rzeczy ze skupień zarodków zbudowane.

Otóż zarodki rzeczy są trwałe, niewzruszone,

Nieprzenikliwość, zwartość stanowi ich obronę […].

Rozbić ich nie potrafi zewnętrzne uderzenie,

Wniknąć w nie nic nie zdoła za żadnym sił zrządzeniem55.

„Całość jest utworzona z ciał i próżni — relacjonuje naukę Epikura Dio-

genes Laertios. […] Istnienie ciał potwierdzają na każdym kroku wrażenia

zmysłowe; na nich też musi się opierać w n i o s k o w a n i e o r z e c z a c h

n i e j a w n y c h [podkr. — A. Ł.]. Gdyby nie było tego, co nazywamy próż-

nią, przestrzenią czy naturą niecielesną, ciała nie miałyby się gdzie uloko-

wać i gdzie poruszać, co — jak przecież widać — czynią”56

.

Epikurejczycy przyjmowali bez zastrzeżeń świadectwa zmysłów, dlatego

też istnienie przedmiotów niedostrzegalnych (atomów i próżni) wywniosko-

wane jest na podstawie zjawisk, które z kolei można wyjaśnić jedynie wów-

czas, gdy przyjmie się istnienie cząstek niewidocznych. Na przykład nie

widzimy wiatru, a przecież ma on ogromną siłę, zdolną wyrządzić wiele

szkód, wilgotne tkaniny wysychają stopniowo, porowate skały przepuszczają

wodę, ciała o tej samej objętości mogą mieć różny ciężar… Argumentacja

Lukrecjusza polega na ogół na wykazaniu, że gdyby nie było atomów

i próżni, byłoby to niezgodne z widocznymi w przyrodzie zmianami57

.

Za kwintesencję atomizmu Epikura można uznać następujący fragment

De rerum natura:

Tego, co tu wspominam, dokładne masz odbicie

Patrząc dokoła siebie i obserwując życie.

Spojrzyj więc, kiedy słońce blask swój złotopromienny,

Wdarłszy się wąską szparą, rozsypie w domu ciemnym.

Ujrzysz w płomiennej wiązce mnóstwo drobinek różnych,

Jak na mnogie sposoby mieszają się ze sobą w próżni […].

Najpierw bowiem w ruch wchodzą atomy same przez się,

Potem ciała najmniejsze, z zarodków zbite nielicznych,

—————— 55 Titus Lucretius Carus, O naturze wszechrzeczy, tłum. E. Szymański, PWN, Warszawa

1975, I 248–249; I 483–486; I 528–529, dalej cytowane jako: Lukrecjusz, O naturze wszech-

rzeczy. 56 Diogenes Laertios, Żywoty…, X 40. 57 Por. J. Korpanty, Lukrecjusz. Rzymski apostoł epikureizmu, Zakład Narodowy im. Osso-

lińskich, Wrocław–Warszawa–Kraków 1991, s. 69.

Atomizm starożytny

40

Które — jakby pierwotnej sile atomów najbliższe —

Dają się pchnąć najłatwiej, i gdy je w ruch wprawiono,

Z kolei go oddają większym, ściślejszym gronom.

Tak od zarodków drobnych ruch się poczyna wszelki,

Aż do naszego wzroku dochodząc w rzeczach wielkich

Aż go ujrzymy w świetle — choć i tam dociec trudno,

Skąd się ów pęd bierze, jakie tych zdarzeń źródło58.

Ponieważ poglądy Epikura i Lukrecjusza na atomistyczną budowę mate-

rii, jak również większość argumentów za istnieniem atomów i próżni, jakie

podają ci filozofowie, pokrywają się z omawianymi już poglądami i argu-

mentami Leukipposa i Demokryta, w dalszej części rozważań skupimy uwa-

gę na tych aspektach, w których Epikur zmodyfikował naukę Demokryta.

Zmiany sprowadzają się do poglądów na liczbę kształtów atomów, pierwot-

nych cech przysługującym atomom i statusu cech wtórnych oraz charakteru

ruchu.

Epikur przyjmował, że chociaż każdy kształt jest reprezentowany przez

nieskończoną liczbę atomów, to jednak różnorodność kształtów atomów jest

skończona59

. W przeciwnym bowiem wypadku — jak utrzymuje Epikur —

należałoby przyjąć, że mogą istnieć nieskończenie duże atomy.

Atomy tworzące duszę (soma leptoneres) są szczególnie „delikatne”, po-

dobne do atomów ognia, choć z nimi nie identyczne. „Atomy tworzące du-

szę nie są jednorodne, lecz rozpadają się na cztery grupy; będą to mianowi-

cie atomy stanowiące tchnienie, ciepło, powietrze i czwarty nie nazwany

gatunek najmniejszych i najgładszych atomów”60

.

Atomy są, według Epikura, n i e p o d z i e l n y m i, chociaż nie są n a j -

m n i e j s z y m i cząstkami materii. Każdy atom bowiem składa się z pew-

nej liczby „najmniejszych cząstek” (minimae partes). Różna liczba takich

cząstek wchodząca w skład atomu danego rodzaju wyjaśniać miała różnice

w wielkościach atomów61

. Cząstki te nie istnieją jednak samodzielnie i nie

dają się z atomów wyodrębnić62

. Lukrecjusz wyraża to następująco:

—————— 58 Lukrecjusz, O naturze wszechrzeczy, II, 112–117, 133–139. 59 Por. Diogenes Laertios, Żywoty…, X 42. 60 Ibidem, s. 43–44. 61 Por. K. Leśniak, Lukrecjusz, s. 87–88. 62 Lukrecjusz, O naturze wszechrzeczy, I 599–634.

Epikur i Lukrecjusz

41

Zarodek, sam tak drobny, że go nie dojrzysz zgoła,

Ma jakąś część najmniejszą; tej dzielić już nie zdołasz,

Ten atom nie ma części i sam dla siebie, luźny,

Nie istniał nigdy przedtem, nie będzie istnieć później63.

Atomom, oprócz pierwotnych własności postulowanych przez Demokry-

ta — nieprzenikliwości, kształtu i wielkości — przypisał Epikur jeszcze

jedną elementarną własność, a mianowicie c i ę ż a r.

Współcześnie przez ciężar rozumiemy siłę, z jaką Ziemia (albo np. Księ-

życ) przyciąga dane ciało znajdujące się blisko jej powierzchni. Ciężar

w rozumieniu współczesnej fizyki jest zatem względny, co znaczy, że zależy

od wartości natężenia pola grawitacyjnego danego ciała niebieskiego.

W przestrzeni kosmicznej pozbawionej pól grawitacyjnych ciężar ciała był-

by równy zeru. Tak samo w swobodnie spadającym układzie odniesienia

(np. w spadającej windzie) albo na statku kosmicznym orbitującym wokół

Ziemi panuje stan nieważkości i ciała pozbawione są ciężaru. Inaczej rzecz

się przedstawia u Epikura — ciężar jest tu immanentną (wewnętrzną) wła-

snością ciał. Lukrecjusz bowiem pisze, że:

Nigdzie też miejsca nie masz, gdziebyś mógł ciała postawić

W próżni i całą wagę jakimś im cudem odjąć64.

Atomy na skutek swego ciężaru spadają w pustej i nieskończonej prze-

strzeni z „góry na dół” wszystkie z jednakową prędkością, czyli poruszają

się — używając współczesnej terminologii — ruchem jednostajnym prosto-

liniowym. Różnice prędkości ciał w danym środowisku, na przykład w po-

wietrzu, są spowodowane oporem środowiska.

Na uwagę niewątpliwie zasługuje bardzo trafne stwierdzenie niezależno-

ści prędkości spadku ciał od ich ciężaru, chociaż pamiętać trzeba, że „ciężar”

w rozumieniu Epikura nie pokrywa się ze znaczeniem tego terminu w fizyce

współczesnej. Z drugiej jednak strony, trudno zrozumieć, co miałyby zna-

czyć kierunki „w górę” i „w dół” odniesione do p u s t e j przestrzeni ko-

smicznej. Wiemy obecnie, że jeżeli przestrzeń jest izotropowa (czyli nie

posiada wyróżnionego kierunku), to „górę” i „dół” można określić tylko

—————— 63 Ibidem, I 599–602. 64 Ibidem, I 1077–1078.

Atomizm starożytny

42

w obecności pola grawitacyjnego (np. w pobliżu Ziemi), a nie jako kierunki

przysługujące „samej przestrzeni”.

Pozostańmy jednak przy epikurejskim „spadaniu” atomów. Gdyby

wszystkie atomy poruszały się w próżni ruchem jednostajnym prostolinio-

wym równolegle do siebie, to jak mogłyby powstać różnorodne ciała mate-

rialne dostępne naszej obserwacji zmysłowej?

Odpowiedź na to pytanie zawarta jest w koncepcji p a r e n k l i z y. Obok

wiecznego spadku atomów (spowodowanego ich ciężarem) wyróżnił bo-

wiem Epikur zupełnie odmienny rodzaj ruchu, który nazwał parenklizą (pa-

renklisis, clinamen). Otóż zachodzą spontaniczne, n i e z d e t e r m i n o w a -

n e odchylenia atomów od linii pionowej, które dokonują się „w miejscu

nieokreślonym i nieokreślonej porze”65

. Ruch ten „podobny jest do drgnie-

nia”, a jest tak nieznaczny, że ledwie można go nazwać zmianą kierunku.

Atom, ulegając przypadkowemu odchyleniu od pionu, zmienia nieco kieru-

nek swego ruchu i może się zderzyć z innym, lecącym obok, odbić się

w drugą stronę i zderzyć z jeszcze innym atomem spadającym po torze są-

siednim. Sytuacja ulega powtórzeniu i w ten sposób pojedyncze odchylenie

daje początek całej kaskadzie zderzeń. W wyniku zderzenia „gładkie” atomy

odskakują daleko od siebie — w ten sposób powstaje na przykład „rzadkie

powietrze i światło słoneczne”. Jeśli natomiast „haczykowate” i „chropowa-

te” atomy złączą się ze sobą w rezultacie zderzenia, dają w ten sposób po-

czątek ciałom twardym, jak kamienie.

Epikur wprowadził w ten sposób elementy i n d e t e r m i n i z m u66

w opisie ruchu indywidualnych atomów, co stanowiło niewątpliwie istotną

modyfikację poglądów Demokryta. Jednak źródła tej koncepcji, jak się wy-

daje, tkwią raczej w etyce Epikura niż w rozważaniach czysto przyrodni-

czych. Pamiętać bowiem należy, że filozofia Epikura była przede wszystkim

filozofią życia i jej zasadniczym celem było uczynienie życia ludzkiego

szczęśliwym. Zatem uprawiał on fizykę (i kanonikę, czyli wstępną naukę

o kryterium i zasadzie poznania) o tyle, o ile wymagała tego etyka. Fizyka

epikurejska zakładała, że zjawiska przyrody są wyłącznie natury fizycznej,

a zatem należy je tłumaczyć bez odwołania się do rządzących światem

bóstw. Przez poznanie tajemnic natury wyzwalała człowieka z przesądów

—————— 65 Ibidem, II 293. 66 Por. Słowniczek, hasła „determinizm” i „indeterminizm”.

Epikur i Lukrecjusz

43

i uwalniała go od strachu przed zjawiskami przyrody, umożliwiając życie

szczęśliwe.

Koncepcja parenklizy miała natomiast obalać pogląd, że w s z y s t k i e

procesy w przyrodzie, łącznie z poczynaniami ludzkimi, są jednoznacznie

zdeterminowane. „Zaiste — pisze Epikur — lepiej by było uznać mitolo-

giczne bajki o bogach, niż stać się niewolnikiem przeznaczenia przyrodni-

ków”67

. Koncepcja parenklizy miała więc w jakiś sposób uzasadniać wol-

ność ludzką. A. Krokiewicz interpretuje rzecz następująco: „Przewodnia

myśl Epikura, że w niewzruszonych ramach rodzajowych praw natury

istnieje pewna amplituda indywidualnej swobody, że determinizm nie wy-

klucza całkowicie indeterminizmu, uzyskała w jego nauce o parenklizie

plastyczną postać i potrzebne uzasadnienie. Epikur uważał wolność woli

ludzkiej za główny argument, iż parenkliza istnieje, a parenkliza znowu

nadawała jej charakter czegoś zupełnie pewnego i darzyła człowieka rado-

snym poczuciem, że nie tylko przeznaczenie i przypadek, ale także on sam

rozstrzyga o swoim losie”68

. Inni autorzy podkreślają jednak, że wolna wola

jest zdecydowanie „nieoczekiwanym dowodem” na poparcie tezy o paren-

klizie, a wprowadzenie p r z y p a d k o w y c h odchyleń atomów nie uzasad-

nia wolnej woli. Zagadnienie jest z pewnością dość trudne, tym bardziej że

„mechanizmu zależności wolnej woli od parenklizy nikt w starożytności nie

wyjaśnił”69

.

Koncepcja ta była różnie oceniana. Jak podaje K. Leśniak, Cycero nazy-

wa ją „dziecinnym wymysłem” i mówi, że wymyślenie jej było „bardziej

haniebne niż niezdolność do obrony własnych poglądów”70

. Inni natomiast

w koncepcji parenklizy dostrzegają „zadziwiającą zbieżność” z zasadą nie-

oznaczoności i indeterminizmem współczesnej mechaniki kwantowej71

. „Na

22 wieki przed Planckiem i Heisenbergiem — pisze J. Życiński — formuło-

wał on [Epikur — A. Ł.] własne zasady indeterminizmu kosmicznego, mó-

wiąc o samorzutnych odchyleniach atomów w ich ruchu pionowym. Odchy-

lenia te nie były uwarunkowane przez fizyczne własności atomów ani przez

—————— 67 Cyt. za: J. Legowicz, Filozofia starożytna…, s. 245. 68 A. Krokiewicz, Zarys filozofii greckiej…, s. 250. 69 J. Korpanty, Lukrecjusz…, s. 80. 70 K. Leśniak, Lukrecjusz, s. 41. 71 Por. S. Wawiłow, Fizyka Lukrecjusza, [w:] idem, Wybór pism, PWN, Warszawa 1951,

s. 103–105.

Atomizm starożytny

44

warunki panujące w poszczególnych układach. Ich występowanie wniosło

element swobody w funkcjonowanie układów i nadawało wszelkim progno-

zom charakter probabilistyczny”72

.

Rzecz jasna, porównując antyczne koncepcje materii ze stanem wiedzy

współczesnego przyrodoznawstwa, zawsze stajemy w obliczu niebezpie-

czeństwa przypisywania dawnym autorom naszych obecnych wyobrażeń.

Niemniej jednak zauważyć trzeba, o czym będzie mowa w dalszej części

książki, że mechanika kwantowa (przynajmniej w jej standardowej interpre-

tacji) usankcjonowała i n d e t e r m i n i s t y c z n y c h a r a k t e r o b i e k -

t y w n y c h p r a w i d ł o w o ś c i p r z y r o d y. W związku z tym mówi się

o przyczynowości probabilistycznej (indeterministycznej).

Epikur zmodyfikował również pogląd Demokryta na status jakości zmy-

słowych73

. O ile, zdaniem Demokryta, wszystkie cechy jakościowe były

subiektywne, o tyle Epikur uznał je za własności zespołów atomów. Przyj-

mował zatem, że ciało złożone, utworzone przez połączenie atomów, może

nabyć nowe obiektywne własności, których nie posiadają poszczególne ato-

my. Odwołajmy się ponownie do analogii z alfabetem: Z liter można zbu-

dować wyrazy, zdania i księgi, i chociaż wyrazy mają wiele wspólnych liter,

to jednak dzięki zmianie ich porządku wyrazy różnią się treścią i dźwiękiem.

Podobnie z takich samych atomów mogą powstawać różne układy — coraz

większe i bardziej skomplikowane, aż do ich maksymalnych skupień w po-

staci różnych światów74

.

Szkoła epikurejska ze swym programem przyczynowego i mechanistycz-

nego traktowania przyrody przetrwała do IV wieku n.e. i — głównie dzięki

poematowi Lukrecjusza — była pewnym pośrednikiem między starogrecką

a nowożytną nauką o atomach.

—————— 72 J. Życiński, Mechanicyzm przed mechaniką, s. 29. 73 A. C. Crombie, Nauka średniowieczna i początki nauki nowożytnej, t. 2, tłum. S. Łypa-

cewicz, Pax, Warszawa 1960, s. 53. 74 Por. A. Krokiewicz, Zarys filozofii greckiej…, s. 252.

ROZDZIAŁ CZWARTY

MIĘDZY STAROŻYTNOŚCIĄ

A NAUKĄ NOWOŻYTNĄ

Końcowy okres filozofii starożytnej zdominowany został przez wrogie

materializmowi atomistycznemu systemy Platona i Arystotelesa. Takie poj-

mowanie przyrody schyłek starożytności przekazał średniowieczu i filozofii

chrześcijańskiej75

. Pisma Demokryta zaginęły, a Platon, który dobrze znał

doktrynę swego rywala, nie wspomina w swoich pismach nawet jego imie-

nia. W okresie między ostatnią fazą szkoły epikurejskiej a powstaniem nauki

nowożytnej i filozofii mechanicyzmu brak jakichkolwiek przełomowych

koncepcji, w zasadniczy sposób przyczyniających się do postępu w naszym

poznaniu atomistycznej budowy materii. Niemniej jednak i tu znajdujemy

nawiązania do koncepcji atomistycznej i pewne próby wprowadzenia atomi-

zmu do systemu Arystotelesa.

Obok omawianych systemów Epikura i Lukrecjusza atomistyczną kon-

cepcję materii głosili tacy uczeni, jak Straton z Lampsaku (III w. p.n.e.),

Filon z Bizancjum (II w. p.n.e.) i Heron z Aleksandrii (I w. p.n.e.). Poglądy

atomistyczne były na ogół formułowane w kontekście sporów o istnienie

próżni. Diogenes Laertios w spisie prac Stratona, zwanego Fizykiem, wy-

mienia również pracę O próżni76

. Prawdopodobnie właśnie Straton opraco-

wał szczegółowo teorię o dwóch rodzajach próżni, próbując pogodzić poglą-

dy Arystotelesa — o niemożliwości istnienia próżni — z teorią atomistycz-

ną, zakładającą występowanie próżni między najdrobniejszymi cząsteczkami

— atomami77

. Odnotować również trzeba, że żyjący w X wieku alchemik

—————— 75 Por. W. Tatarkiewicz, Historia filozofii, t. 1, s. 53. 76 Diogenes Laertios, Żywoty…, s. 289. 77 Por. R. Podolny, Coś zwane niczym, tłum. W. Frejlak, Wiedza Powszechna, Warszawa

1981, s. 25–26.

Atomizm starożytny

46

arabski Rhazes, który przeprowadził systematyczną klasyfikację substancji

i reakcji chemicznych, łączył fizykę Arystotelesowską z pewną formą ato-

mizmu78

.

W XII wieku, gdy w Europie nasilił się proces przyswajania dorobku

uczonych greckich i arabskich oraz rozwinął się ważny ośrodek naukowy,

znany jako szkoła w Chartres, zainteresowano się ponownie n a u k o w y m i

poglądami Platona zawartymi w Timajosie, jak również systemem Arystote-

lesa. Oczywiście, filozofia Platona znana była we wczesnym średniowieczu i

był on najbardziej wpływowym filozofem tego czasu — przez 400 lat

przyjmowano interpretację wszechświata, która miała charakter platoński.

Ale był to „Platon schrystianizowany”, dostosowany do dogmatów religii

chrześcijańskiej przez św. Augustyna. Główny nacisk kładziono na wątki

spirytualistyczne i teologiczne. „Fakty przyrodnicze budziły zainteresowanie

głównie wtedy, gdy mogły stanowić ilustrację dla prawd moralnych i religij-

nych. Badanie przyrody nie miało na celu formułowania hipotez i uogólnień

naukowych, ale dostarczenie trafnych symboli dla dziedziny moralności”79

.

Sytuacja uległa istotnej zmianie w wyniku recepcji nauki grecko-arabskiej.

Platończycy ze szkoły w Chartres: Gilbert de la Porrée (1076–1154),

Teodoryk z Chartres (?–1155?) i Bernard Silvestris (?–1167) usiłowali tłu-

maczyć wszelkie zjawiska przyrody przez czysto mechaniczne procesy wy-

wołane ruchami atomów ognia, powietrza, wody i ziemi. Koncepcje te for-

mułowane były pod wpływem Platońskiego Timajosa80

.

Dla myśli naukowej późnego średniowiecza dominujące znaczenie miał

system Arystotelesa ze Stagiry (384–322 p.n.e.), a koncepcje atomistyczne

formułowane były bądź w opozycji do tego systemu, bądź jako próba jego

modyfikacji. System Arystotelesa oparty był na przeciwstawnej atomistyce

k o n c e p c j i p i e r w i a s t k ó w. Termin „pierwiastek” w filozofii Arysto-

telesa nie ma nic wspólnego z pojęciem pierwiastka we współczesnej che-

mii. Oznacza on cztery podstawowe żywioły, czy też elementy, z jakich

zbudowany jest świat materialny: ziemię, wodę, powietrze i ogień. Elementy

te różnią się j a k o ś c i o w o, podczas gdy istotną składową atomizmu jest

właśnie wyjaśnienie budowy świata przyrody przez przyjęcie elementów

—————— 78 Ibidem, s. 164. 79 Por. A. C. Crombie, Nauka średniowieczna…, t. 2, s. 53. 80 Ibidem, t. 1, s. 51–52.

Między starożytnością a nauką nowożytną

47

składowych, które są uboższe we własności niż ciała z nich zbudowane.

Arystoteles zdecydowanie odrzucał filozofię atomistyczną. Kwestionował

zarówno istnienie atomów, mechanistyczny sposób tłumaczenia zjawisk, jak

również nie tylko realne istnienie, ale nawet i samą możliwość istnienia

próżni. Skonstruowany przez Arystotelesa obraz świata na niemal dwa ty-

siąclecia wyznaczył ludzki sposób rozumienia przyrody: był to obraz świata,

w którym nie było miejsca ani dla atomów, ani dla pustej przestrzeni, nieza-

leżnej od ciał materialnych. Świat według Arystotelesa to skończona, do-

skonała, wieczna i celowo zbudowana hierarchiczna struktura. Wszech-

świat jest kulą, której absolutnie nieruchomy środek stanowi Ziemia.

Podzielony jest na dwie zasadniczo różne strefy — podksiężycową i nad-

księżycową.

W ś w i e c i e p o d k s i ę ż y c o w y m wszystkie rzeczy zbudowane są

ze wspomnianych czterech żywiołów (pierwiastków). Ś w i a t n a d k s i ę -

ż y c o w y wypełnia natomiast piąty element — doskonała i niezmienna

substancja — e t e r kosmiczny (quinta essentia). Z niej zbudowane są

współśrodkowe sfery niebieskie, obracające się jednostajnym ruchem.

Przytwierdzone są do nich „planety”: Księżyc, Merkury, Wenus, Słońce,

Mars, Jowisz i Saturn. Dalej znajduje się sfera gwiazd stałych oraz sfera

pierwszego poruszyciela, nadająca ruch całości. Poza niebem „nie ma ani

miejsca, ani próżni, ani czasu”.

Argumenty przeciwko istnieniu próżni opierał Arystoteles na swojej dy-

namice. Według Arystotelesa, w świecie podksiężycowym r u c h n a t u -

r a l n y każdego ciała wyjaśnić można dążeniem ciała do zajęcia jego n a -

t u r a l n e g o m i e j s c a, jeśli tylko nic nie stanie mu na przeszkodzie. Na

przykład ciała ciężkie poruszają się w dół, ponieważ dół, czyli środek Ziemi,

jest miejscem naturalnym ciał ciężkich. Natomiast ciała „z natury” lekkie,

jak na przykład ogień, unoszą się do góry, również dążąc do zajęcia natural-

nego dla nich miejsca. Natomiast r u c h w y m u s z o n y (na przykład ruch

kamienia w górę) wymaga s t a ł e g o działania „siły poruszającej” — co-

kolwiek się porusza, musi być przez coś poruszane. Zatem utrzymanie stałej

prędkości ruchu wymaga działania stałej siły. Siły — zdaniem Arystote-

lesa — działają jedynie przez bezpośredni kontakt: ciągnięcie, pchanie,

przenoszenie i obracanie się. Na podstawie bezpośredniej obserwacji takich

zjawisk jak spadanie liści w powietrzu czy kamieni w wodzie Arystoteles

doszedł do wniosku, że prędkość ciała v jest wprost proporcjonalna do dzia-

Atomizm starożytny

48

łającej siły F (np. ciężaru), a odwrotnie proporcjonalna do oporu ośrod-

ka R 81

, co można zapisać w postaci symbolicznej: v ~ F/R.

Próżnia, czyli — według określenia samego Arystotelesa — miejsce

(przestrzeń), w którym nie znajduje się żadne ciało82

, nie stawiałaby oporu

poruszającym się rzeczom. Zatem ciała poruszałyby się w próżni z nieskoń-

czoną prędkością, co pociągałoby za sobą możliwość natychmiastowego

przenoszenia się z miejsca na miejsca, a to jest — zdaniem Arystotelesa —

nie do pomyślenia. Arystoteles wyprowadził stąd wniosek, że próżnia istnieć

nie może. Później przy łacińskich tłumaczeniach dzieł Arystotelesa zasada ta

przyjęła nazwę horror vacui — „lęku” natury przed próżnią. Wszechświat

Arystotelesa jest zatem wypełniony materią — czterema żywiołami w świe-

cie podksiężycowym i eterem w świecie nadksiężycowym. Nie istnieje abso-

lutnie pusta przestrzeń (próżnia) ani w ciałach, ani na zewnątrz ciał83

. Ruch

mechaniczny jest możliwy, ponieważ jedne ciała ustępują miejsca drugim.

Jeśli nie istnieje próżnia, to nie mogą istnieć atomy. Arystoteles uważał,

że pojęcie najmniejszej cząstki materii wyraża tylko kres myślowy podziału

substancji, a nie realnie istniejące przedmioty. Niemniej jednak następcy

i komentatorzy Arystotelesa skłonni byli już uznawać realne istnienie naj-

mniejszych cząstek. Stanowisko to było wyrazem przekonania, że ciała,

działając wzajemnie na siebie, reagują ze sobą przez swe najmniejsze cząst-

ki. „Te najmniejsze cząstki zwane były przez greckich komentatorów Ary-

stotelesa — elachista, przez łacińskich zaś — minima naturalia”84

. Odpo-

wiadały one właściwie nie tyle atomom, ile raczej temu, co współcześnie

nazywamy cząsteczkami, i — w przeciwieństwie do atomów Demokryta —

posiadały te same własności, co całość z nich złożona.

W czasach panowania systemu Arystotelesa atomistyczny pogląd na

naturę materii głosili tacy myśliciele, jak Adelhard z Bath (ok. 1070–1150)

i Wilhelm z Conches (ok. 1080–1145). Ten ostatni, pod wpływem poematu

Lukrecjusza De rerum natura, próbował łączyć atomizm Demokryta z filo-

—————— 81 Por. Arystoteles, Fizyka, ks. IV, 215 a, [w:] idem, Dzieła wszystkie, t. 2, Fizyka.

O niebie. O powstawaniu i ginięciu. Meteorologika. O świecie. Metafizyka, tłum. K. Leśniak,

A. Paciorek, L. Regner, P. Siwek, PWN, Warszawa 1990. 82 Arystoteles, Fizyka, ks. IV, 213 b. 83 Por. ibidem, 214 a–217 b. 84 S. Amsterdamski, Rozwój pojęcia pierwiastka…, s. 31.

Między starożytnością a nauką nowożytną

49

zofią Platona i Arystotelesa, formułując właśnie teorię minima naturalia 85

.

Rozwój tych poglądów, jak również rozwój praktyki badawczej i przemy-

słowej, przygotował stopniowo syntezę atomistyki z teorią pierwiastków,

a także pewną ewolucję tej ostatniej.

Również w XIII wieku filozofowie rozwijali elementy teorii atomistycz-

nej. Robert Grosseteste (1168–1253) i Roger Bacon (ok. 1214–1294) uważa-

li na przykład ciepło za formę ruchu cząsteczek. Na przełomie XIII i XIV

wieku Idzi z Rzymu (1247–1316) sformułował całkowicie atomistyczną

teorię materii. Podkreślał on różnicę między podzielnością w sensie matema-

tycznym (która dotyczy jedynie obiektów abstrakcyjnych i można prowadzić

ją w nieskończoność) a podzielnością w sensie fizycznym i utrzymywał, że

„geometryczne argumenty przeciwko istnieniu naturalnych minima nie mają

przeto zastosowania”86

.

W XIV wieku Mikołaj z Autrecourt (ok. 1300–1350) porzucił system

Arystotelesa i całkowicie przyjął fizykę Epikura. Twierdził on, że ciała ma-

terialne składają się z niedostrzegalnych zmysłami, niepodzielnych cząstek,

a czas z oddzielnych momentów. Również światło jest ruchem cząstek po-

siadających skończoną prędkość. Wszelkie zmiany w świecie przyrody są

wynikiem ruchu lokalnego — gromadzenia i rozpraszania się cząsteczek

w próżni. Istotną modyfikację dynamiki Arystotelesa zawierały również

prace Jana Buridana (ok. 1295–1358) i Mikołaja Oresme (ok. 1323–1384).

Uczeni ci twierdzili, że ciało nie przestaje się poruszać, gdy nie działa na nie

siła, ale poruszające się ciało ma pewien impet (impetus), który sprawia, iż

może ono kontynuować swój ruch jeszcze „przez pewien czas”, zanim ów

impet wyczerpie się i ciało przejdzie w stan spoczynku87

. Doniosłą rolę

w ukształtowaniu się nowej fizyki odegrały również prace Mikołaja z Kuzy

(1401–1464), Leonarda da Vinci (1452–1529), Giordana Bruna (1548–1600)

i Francisa Bacona (1561–1626), a także drastyczna zmiana perspektywy

widzenia świata, związana z ogłoszeniem przez Mikołaja Kopernika

(1473–1543) heliocentrycznego systemu budowy Układu Słonecznego.

—————— 85 Por. Wilhelm z Conches — atomistyczna koncepcja rzeczywistości materialnej, tłum.

A. Andrzejuk, [w:] M. Hempoliński (red.), Ontologia. Antologia tekstów filozoficznych, Za-

kład Narodowy im. Ossolińskich, Wrocław–Warszawa–Kraków 1994, s. 71–76. 86 A. C. Crombie, Nauka średniowieczna…, t. 2, s. 54. 87 Por. Jan Buridan — o naturze i przyczynie ruchu, tłum. D. Tarkowska, [w:] M. Hempo-

liński (red.), Ontologia…, s. 292–297.

Atomizm starożytny

50

Jednak na szerszą skalę odrodzenie atomizmu nastąpiło dopiero w XVII

wieku. Teorię atomistyczną zastosował po raz pierwszy w chemii Holender

Daniel Sennert (1572–1637). Substancje chemiczne, które powstają i giną,

muszą — twierdził on — być zbudowane z prostych ciał, atomów, które za-

chowują swoją indywidualność po połączeniu w związki chemiczne. Sennert

przyjmował istnienie czterech rodzajów atomów, odpowiadających czterem

elementom Arystotelesa, a także czterech „elementów drugiego rzędu” (prima

mixta), powstających z połączenia elementów arystotelesowskich.

Atomizm Epikura przyjął i spopularyzował Pierre Gassendi (1592–1655).

Właściwości chemiczne substancji tłumaczył różnymi kształtami, wielko-

ściami i ciężarami atomów. Łączenie się atomów w molekulae (resp. cor-

puscula) tłumaczył — podobnie jak Demokryt — mechanizmem haczyków

i oczek. Jeśli połączenia te są mocne, tworzą się ciała stałe, jeśli natomiast są

nieco luźniejsze, mamy do czynienia z cieczami. Za zjawiska cieplne odpo-

wiedzialne miały być atomy ciepła, „małe, przenikliwe i okrągłe w odróż-

nieniu od ostro zakończonych, piramidalnych atomów ognia”88

. Usiłowanie

połączenia przez Gassendiego wiary chrześcijańskiej z etyką epikurejską

i filozoficznym atomizmem przyczyniło się do tego, że atomizm przestał być

uważany za doktrynę wywrotową89

. „System Gassendiego był przedmiotem

dzieła Waltera Charletona (1645), lekarza Karola II i jednego z pierwszych

członków Royal Society. Odkrycie mikroskopu spowodowało zainteresowa-

nie odkrywaniem wielkości atomów i na podstawie takich zjawisk, jak utle-

nianie się i rozpuszczanie, Charleton twierdził, że najmniejsze dające się

wyróżnić pod mikroskopem cząsteczki zawierają milion milionów cząste-

czek niewidzialnych. Dzięki Charletonowi teoria atomistyczna stała się zna-

na w Anglii w połowie XVII wieku”90

.

Teoria atomistyczna, podobnie jak cała nauka nowożytna, kształtowała

się w atmosferze intelektualnej przesiąkniętej duchem systemu Arystotelesa.

Odrodzenie się atomizmu i porzucenie arystotelizmu wraz z koncepcją czte-

rech pierwiastków było więc długotrwałym procesem. W poważnym stopniu

przyczyniły się do niego prace Joachima Jungiusa (1597–1657) i Roberta

—————— 88 J. Kierul, Izaak Newton. Bóg, światło i świat, Oficyna Wydawnicza Quadrivium, Wro-

cław 1996, s. 34. 89 Por. ibidem, s. 35. 90 A. C. Crombie, Nauka średniowieczna…, t. 2, s. 321.

Między starożytnością a nauką nowożytną

51

Boyle’a (1627–1691). Właśnie dzięki pracom Boyle’a nastąpiło ostatecznie

połączenie teorii atomistycznej z pojęciem pierwiastka. Boyle uważał mia-

nowicie, że cząsteczki ciał złożonych składają się z atomów, które są n a j -

m n i e j s z y m i c z ę ś c i a m i p i e r w i a s t k a c h e m i c z n e g o. Czą-

steczki te mają te same własności co ciała z nich złożone i z p r a k t y c z -

n e g o punktu widzenia należy je uważać za elementarne, ponieważ analiza

chemiczna — wobec braku doświadczalnego kryterium złożoności i odpo-

wiednich metod ilościowych — nie była w owym czasie w stanie pójść da-

lej. Boyle uważał, że między atomami istnieje pusta przestrzeń i że ciśnienie

wywierane przez gaz powstaje na skutek uderzeń szybko poruszających się

cząstek. Boyle sformułował ponadto zarodkową formę atomistycznej teorii

ciepła. Pozostawała ona jeszcze pod wyraźnym wpływem arystotelizmu,

ponieważ uważał on, że przekazywanie ciepła polega na zderzeniach małych

i ruchliwych atomów ognia z naczyniem, w którym znajduje się dana sub-

stancja. Ogień traktował zatem, wzorem Arystotelesa, jak samodzielny pier-

wiastek przyrody.

Prace Boyle’a nad gazami rozpoczęły w chemii szybki rozwój badań ilo-

ściowych, które doprowadziły do zasadniczej zmiany podstawowych pojęć

chemicznych. W dziedzinie fizyki prace Galileusza, a przede wszystkim

dzieło Newtona, w którym światło dzienne ujrzały trzy zasady dynamiki

i prawo powszechnego ciążenia, rozpoczęły zupełnie nowy okres w dziejach

przyrodoznawstwa — obserwacja, eksperyment i ścisły, matematyczny opis

stały się od tej pory niekwestionowaną podstawą nauk przyrodniczych, na

której należy formułować wszelkie teorie dotyczące świata atomów.

CZĘŚĆ DRUGA

ATOMIZM I FILOZOFIA

MECHANICYZMU

Rozciągłość, twardość, nieprzenikliwość, podleganie ruchowi

i bezwładność całości powstaje z rozciągłości, nieprzenikliwości,

podlegania ruchowi i bezwładności części; stąd też dochodzimy do

wniosku, że najmniejsze cząstki wszystkich ciał także są rozciągłe

i twarde, i nieprzenikliwe, i podległe ruchowi, i wyposażone w ich

własną bezwładność. I to jest podstawa całej filozofii.

Isaac Newton

ROZDZIAŁ PIĄTY

NEWTON

Koncepcja atomistycznej budowy materii została rozwinięta w nauce

nowożytnej przede wszystkim za sprawą Isaaca Newtona (1642–1727).

Poglądy na budowę materii i charakter praw nią rządzących, przedstawione

na kartach Philosophiae naturalis principia mathematica (1687), stały się

na blisko trzy wieki dominującym sposobem myślenia o świecie i wyzna-

czyły wzorzec uprawiania (paradygmat) nauk przyrodniczych. Newton

skonstruował imponujący obraz świata składającego się z ciał materialnych

umieszczonych w absolutnej przestrzeni, poruszających się pod wpływem

działających sił według deterministycznych praw dynamiki. Wspaniałe

sukcesy mechaniki klasycznej spowodowały powszechne przekonanie, że

mechanika jest teorią uniwersalną, a właściwym modelem świata jest ma-

szyna, działająca według odkrytych przez Newtona praw. Mechanika stała

się wzorem dla wszystkich teorii przyrodniczych, a pogląd, że wszelkie

procesy fizyczne są ostatecznie procesami czysto mechanicznymi, nazwa-

no mechanicyzmem91

.

Program mechanicyzmu „został sformułowany przez Newtona, który

wierzył w istnienie najmniejszych, niepodzielnych składników materii. Na-

leży jednak podkreślić, że mechanicyzm to przede wszystkim wskazanie na

własności mechaniczne, takie jak sprężystość, lepkość i ciśnienie, jako pod-

stawowe dla materii, a na mechanikę jako na podstawową teorię przyrodni-

—————— 91 Dodać jednak trzeba, że choć Newtonowski obraz świata zwykło się nazywać „świa-

tem–maszyną”, całokształt filozoficznych poglądów samego Newtona daleki był od tego,

co współcześnie określamy mianem filozofii mechanicyzmu . Szerzej por. M. Heller, Bóg

i materia, [w:] M. Heller, J. Życiński, Wszechświat — maszyna czy myśl? Filozofia mecha-

nicyzmu: powstanie — rozwój — upadek, Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków 1988,

s. 85–95.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

56

czą. Przekonanie o atomowej budowie materii jest założeniem niezależnym

od mechaniki”92

.

René Descartes (1596–1650) bowiem sformułował całkowicie mechani-

styczną koncepcję przyrody, która oparta była na ogólnym, filozoficznym

obrazie materii zdecydowanie przeciwstawnym atomizmowi93

. Kartezjusz

reprezentował w ontologii stanowisko dualistyczne: uważał, że istnieją dwa

rodzaje substancji — duch (res cogitans — rzecz myśląca) i materia (res

extensa — rzecz rozciągła). Istotę ducha „stanowi wyłącznie myślenie”94

,

natomiast istota materii sprowadza się do rozciągłości.

Natura ciała — pisał Kartezjusz — „nie na tym polega, że jest ono jakąś

rzeczą twardą czy ciężką, czy barwną, czy w jakiś inny sposób działającą na

zmysły, ale tylko na tym, że jest ono rzeczą rozciągłą wzdłuż, wszerz i w

głąb”95

. Zdaniem Kartezjusza, „nie przesądy zmysłów, lecz światło rozu-

mu”96

umożliwia nam poznanie świata i na podstawie czysto rozumowych

(apriorycznych) argumentów dowodził on, że „nie może tak być, aby istniały

jakieś atomy, czyli cząstki materii z natury swej niepodzielne. Gdyby one

istniały, z konieczności musiałyby być rozciągłe niezależnie od tego, jak

bardzo małymi byłyby pomyślane; bo możemy wciąż każdą z nich dzielić na

dwie albo więcej mniejszych [cząstek] i na tej podstawie poznawać, że one

są podzielne. Niczego bowiem nie możemy dzielić w myśli, czego byśmy

tym samym nie poznawali jako rzeczy podzielnej”97

.

W kartezjańskim obrazie świata nie istnieje próżnia: materia jest ciągła,

a wszelkie oddziaływania zachodzą jedynie przez bezpośredni kontakt. Kar-

tezjusz położył wielkie zasługi dla rozwoju nowożytnej nauki i filozofii —

zawdzięczamy mu m.in. geometrię analityczną, a fizyka kartezjańska była

podstawą prostych modeli wielu zjawisk (np. wyjaśnienie działania układu

krwionośnego). Program mechanicyzmu oznacza, że nie ma potrzeby przyj-

mować innych wyjaśnień niż mechaniczne, bo jest ono najprostsze z możli-

—————— 92 M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 28. 93 Omówienie różnicy między fizyką Kartezjusza a atomistyczną por. M. Tempczyk, Fizy-

ka a świat realny…, rozdz. 2, Fizyka atomistyczna czy Kartezjańska, s. 23–51. 94 R. Descartes, Rozprawa o metodzie właściwego kierowania umysłem i poszukiwania

prawdy w naukach, tłum. W. Wojciechowska, PWN, Warszawa 1988, s. 39. 95 Idem, Zasady filozofii, tłum. I. Dąbska, PWN, Warszawa 1960, s. 65. 96 Ibidem, s. 98. 97 Ibidem, s. 65.

Newton

57

wych. „Racjonalizm Kartezjusza, czyli przekonanie o tym, że prawa przyro-

dy można odkryć w sposób czysto rozumowy, spowodował, że filozof ten

starał się stworzyć uniwersalny, spójny system dedukcyjny, tłumaczący

wszystkie zjawiska jako konsekwencje zasad ogólnych. System ten cieszył

się tak wielkim uznaniem u współczesnych i potomnych, iż uznawano go

nawet wtedy, gdy doświadczenie wykazało jego fałszywość. […] Dopiero

dzięki Newtonowi mechanika stała się teorią ogólną, porównywalną w swej

prostocie i elegancji matematycznej z fizyką Kartezjusza”98

.

Według Newtona wszystkie ciała materialne (również światło) składają

się z pewnych elementarnych składników — k o r p u s k u ł (łac. corpus —

ciało). Newton pojmuje je, zgodnie z tradycją atomistyczną, jako ostatecz-

ne, niepodzielne „cegiełki”, z których zbudowany jest cały świat material-

ny, obdarzone określonymi obiektywnymi własnościami. Nową — w sto-

sunku do tradycji atomistycznej — pierwotną cechą przypisaną przez

Newtona korpuskułom jest b e z w ł a d n o ś ć. Jest to cecha wszystkich

ciał materialnych, polegająca na tym, że do uzyskania przyspieszenia

(względem inercjalnego układu odniesienia — por. niżej) ciała wymagają

działania siły, a jeśli siła nie działa, poruszają się bez przyspieszenia lub

spoczywają.

Newton w następujących słowach charakteryzuje podstawowe własności

materii: „Rozciągłość, twardość, nieprzenikliwość, podleganie ruchowi

i bezwładność całości powstaje z rozciągłości, nieprzenikliwości, podlegania

ruchowi i bezwładności części; stąd też dochodzimy do wniosku, że naj-

mniejsze cząstki wszystkich ciał także są rozciągłe i twarde, i nieprzenikli-

we, i podległe ruchowi, i wyposażone w ich własną bezwładność. I to jest

podstawa całej filozofii”99

.

Teza o istnieniu elementarnych, ostatecznych składników materii jest,

podobnie jak dla starożytnego atomizmu, fundamentalna dla całej atomi-

stycznej wersji filozofii mechanistycznej. Newton pisze następująco: „Wy-

daje mi się prawdopodobne, że na początku Bóg stworzył materię

w postaci stałych, masywnych, twardych, nieprzepuszczalnych, ruchomych

cząsteczek, nadając im takie rozmiary i kształty, oraz takie własności

—————— 98 M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 25. 99 H. S. Thayer (red.), Newton’s Philosophy of Nature — Selections from His Writtings,

Hafner Press 1974, s. 4, cyt. za: M. Heller, J. Życiński, Wszechświat…, s. 88.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

58

i proporcje do przestrzeni, jakich wymagały cele, dla których je utworzył;

te pierwotne cząstki, będące ciałami stałymi, są nieporównywalnie tward-

sze od porowatych ciał zbudowanych z tych cząstek; są one zgoła tak

twarde, że nigdy się nie zużyją ani nie rozpadną na kawałki; żadna zwy-

czajna siła nie zdoła podzielić tego, co Bóg uczynił całością w pierwszym

akcie stworzenia”100

.

Demokrytejska koncepcja czysto mechanicznych połączeń atomów

(przez rozmaite „haczyki” i „zaczepy”) została w fizyce Newtona zmodyfi-

kowana przez wprowadzenie pojęcia s i ł y. Siła jest wektorową wielkością

fizyczną, stanowiącą miarę oddziaływań między ciałami. W mechanice kla-

sycznej siły działają przez bezpośredni kontakt (na przykład siły sprężystości

podczas zderzeń) lub na odległość (jak siły grawitacji), przy czym zakłada

się, że oddziaływania na odległość mogą być przenoszone w sposób na-

tychmiastowy, tzn. z nieskończenie wielką prędkością.

Newton odkrył również, że siły te podlegają ilościowemu, matematycz-

nemu opisowi i sformułował odpowiednie prawa — trzy zasady dynamiki

oraz prawo powszechnego ciążenia.

Galileusz (Galileo Galilei, 1564–1642) odkrył, że ruch ciała nie ustaje,

gdy nie działa siła, przez co wykazał fałszywość uznawanej przez dwa ty-

siąclecia dynamiki Arystotelesa. Z dynamiki Arystotelesa wynika szereg

rażąco niezgodnych z doświadczeniem wniosków, jak na przykład ten, że

gdy rzucimy z wieży dwie kule o różnych ciężarach — powiedzmy jedną

kulę dziesięć razy cięższą od drugiej — to dziesięciokrotnie cięższa kula

będzie spadać dziesięciokrotnie szybciej niż kula lżejsza, czyli czas spadku

kuli lżejszej będzie dziesięciokrotnie dłuższy! Dopiero Galileusz wykazał

fałszywość tego twierdzenia, wykonując sławne doświadczenia z puszcza-

niem ciał po równi pochyłej101

i — być może — zrzucając kule z krzywej

wierzy w Pizie. Galileusz odkrył, że niezależnie od swego ciężaru wszystkie

ciała spadają z tym samym przyspieszeniem (ściślej: spadałyby, gdyby po-

minąć opór środowiska, w rozważanym przykładzie — powietrza) oraz że

—————— 100 I. Newton, cyt. za: F. Capra, Punkt zwrotny. Nauka, społeczeństwo, nowa kultura, tłum.

E. Wojdyłło, PIW, Warszawa 1987, s. 98–99. 101 Dokładniejsze omówienie przejścia od systemu Arystotelesa do Newtona por.

W. A. Kamiński, Z. E. Roskal, Przełom w fizyce XVI–XVII wieku. Antyczne i średniowieczne

źródła, Wydawnictwo UMCS, Lublin 1994.

Newton

59

jeśli na ciało nie działa siła, to ciało z a c h o w u j e s t a n s w o j e g o r u -

c h u, czyli porusza się ze stałą prędkością po linii prostej.

Galileusz wykazał w z g l ę d n o ś ć r u c h u i stworzył podstawy me-

chaniki. Jeżeli mówimy, że „ruch jest względny”, rozumiemy przez to, że

rozpatrując ruch jakiegokolwiek ciała należy jednocześnie wskazać na

pewien u k ł a d o d n i e s i e n i a (czyli dowolny zbiór ciał fizycznych),

wobec którego rozpatrujemy jego ruch i nie ma sensu mówić o ruchu ciał

bez odniesienia do takiego układu. Względem jednego układu ciało może

pozostawać w spoczynku, podczas gdy względem innego — poruszać się

z pewną, różną od zera prędkością. Na przykład pisząc te słowa, siedzę

przy biurku i spoczywam w układzie związanym z moim gabinetem,

a j e d n o c z e ś n i e poruszam się wraz z Ziemią (i to z olbrzymią prędko-

ścią — około 30 km/s) względem Słońca. W żaden jednak sposób nie od-

czuwam tego ruchu i wykonując j a k i e k o l w i e k doświadczenia fizycz-

ne nie mogę rozstrzygnąć, czy spoczywam, czy też poruszam się ze stałą

prędkością po linii prostej102

.

Powyższe idee wyraża jedna z podstawowych zasad mechaniki klasycz-

nej — z a s a d a w z g l ę d n o ś c i G a l i l e u s z a. W języku współczesnym

wyrażamy ją następująco: We wszystkich i n e r c j a l n y c h u k ł a d a c h

o d n i e s i e n i a wszystkie zjawiska mechaniczne przebiegają identycznie

w identycznych warunkach”. Przez „inercjalny układ odniesienia” rozumie

się układ, który nie podlega przyspieszeniom. Ponieważ każdy układ odnie-

sienia poruszający się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem da-

nego układu odniesienia jest również układem inercjalnym, to układów ta-

kich jest nieskończenie wiele i wszystkie są równouprawnione. Nie można

wyróżnić żadnego, w którym ruch miałby charakter absolutny.

P i e r w s z a z a s a d a d y n a m i k i, zwana również zasadą bezwładno-

ści Galileusza, stwierdza, że każde ciało pozostaje w stanie spoczynku albo

w ruchu jednostajnym po linii prostej, chyba że będzie zmuszone do zmian

tego stanu przez siły nań działające. (W dalszej części — w celu uniknięcia

powtórzeń — zakładam, że cały czas chodzi o ruch ciał względem dowolne-

go inercjalnego układu odniesienia).

—————— 102 Ściślej biorąc, jest to oczywiście tylko przybliżenie, ponieważ Ziemia nie jest inercjal-

nym układem odniesienia — porusza się po eliptycznej orbicie wokół Słońca i obraca się

wokół własnej osi.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

60

Według d r u g i e j z a s a d y d y n a m i k i zmiana ruchu jest proporcjo-

nalna do działającej siły i zachodzi w kierunku linii działania tej siły. Innymi

słowy: przyspieszenie ciała (oznaczane literą a, od łac. accelerale — przy-

spieszać) jest wprost proporcjonalne do działającej siły F, a odwrotnie pro-

porcjonalne do masy ciała m). Zasadę tę wyraża prosty wzór:

m

Fa

.

Masa ciała m jest tu miarą bezwładności — oporu stawianego sile zmie-

niającej stan ruchu ciała.

Zgodnie z t r z e c i ą z a s a d ą d y n a m i k i — zasadą akcji i reakcji —

każdemu działaniu towarzyszy równe i przeciwnie skierowane przeciwdzia-

łanie. Jeśli zatem ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B oddziałuje

na ciało A taką samą co do wartości siłą, lecz przeciwnie skierowaną.

P r a w o p o w s z e c h n e g o c i ą ż e n i a zawiera fundamentalną zależ-

ność, która w jednym prostym wzorze wyraża oddziaływanie grawitacyjne

dowolnych dwóch ciał:

2r

mMGF .

Wartość liczbowa siły F oddziaływania grawitacyjnego dwóch ciał o ma-

sach m i M jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych mas, a odwrotnie

proporcjonalna do kwadratu odległości r między nimi. We wzorze powyż-

szym G jest pewną uniwersalną stałą fizyczną, zwaną stałą grawitacji

(G = 6, 67 10 –11

N m2 kg

–2).

Grawitacja jest siłą uniwersalną, co oznacza, że działa między wszyst-

kimi ciałami bez wyjątku. Jej wartość zależy natomiast wyłącznie od wiel-

kości mas tych ciał i odległości między nimi. Prawo powszechnego ciąże-

nia w jednolity sposób traktuje zarówno oddziaływanie ciał niebieskich,

jak i spadanie jabłka, likwidując tym samym arystotelesowski dualizm

świata podksiężycowego i nadksiężycowego. Opisuje ruch ciał w Układzie

Słonecznym, przypływy oceanów i ruch ciał w pobliżu powierzchni Ziemi.

Newton

61

Nie precyzuje również skali zjawisk, do których się odnosi. „Może równie

dobrze dotyczyć tak ruchu atomów, jak planet czy gwiazd w galaktyce”103

.

Koncepcja działania na odległość (actio in distans), czyli założenie, że

oddziaływania między ciałami rozchodzą się w sposób natychmiastowy

spotkała się z ostrą krytyką filozofów, m.in. Leibniza104

. Również dla same-

go Newtona nie była ostatecznym rozwiązaniem problemu grawitacji. „Wy-

daje mi się ogromnym absurdem to — twierdzi Newton — by grawitacja

musiała być wewnętrzną, stałą i istotną cechą materii, tak że jedno ciało

może oddziaływać na drugie na odległość poprzez próżnię, bez pośrednictwa

czegokolwiek innego, przez co ich działania i siły mogłyby być stopniowo

przekazywane. Sądzę, że nie mógłby wpaść na to nikt, kto w kwestiach filo-

zoficznych ma stosowną władzę sądzenia”105

.

Koncepcja działania na odległość, dzięki szeregowi znakomitych sukce-

sów w przewidywaniu zjawisk przyrody, jak pojawienie się komety

Halleya (1759) czy oparte na obliczeniach dotyczących zachowania Urana

odkrycie Neptuna (1846), uzyskała jednak empiryczne usprawiedliwienie

i stała się — aż do czasów sformułowania szczególnej teorii względności —

dominująca w fizyce.

Podobnie jak w starożytnym atomizmie integralną składową Newtonow-

skiego obrazu świata jest teoria czasu i przestrzeni. Koncepcja próżni jako

samoistnego bytu jest jądrem Newtonowskiego atomizmu. Chociaż Newton

—————— 103 I. Prigogine, I. Stengers, Z chaosu ku porządkowi. Nowy dialog człowieka z przyrodą,

tłum. K. Lipszyc, PIW, Warszawa 1990, s. 72. 104 Argumenty Leibniza dokładniej omawia M. Heller w artykułach Względność istnienia

oraz Względność przeciw absolutom, [w:] M. Heller, J. Życiński, Wszechświat…, s. 96–101,

102–107. Por. także rozdział następny Leibniz. 105 I. Newton, cyt. za: M. Heller, J. Życiński, Wszechświat…, s. 120. McMullin wyróżnia

trzy warstwy Philosophiae naturalis principia mathematica: 1) matematyczną — analiza

konsekwencji wynikających z praw przyrody przy pomocy metod matematyki, 2) fizyczną —

ustalenie, jakie prawa de facto występują i 3) filozoficzną — dociekanie przyczyn sił. Newton

obok fizyki, zwanej wówczas philosophia naturalis, uprawiał również spekulatywną metafi-

zykę i za najwyższy cel stawiał sobie właśnie odkrycie przyczyn praw przyrody: „w filozo-

ficznych roztrząsaniach powinniśmy abstrahować od zmysłów i rozważyć rzeczy same

w sobie, odrębne od tego, co jest tylko ich zmysłową miarą” (cyt. za: M. Heller, Filozofia

świata…, s. 78). Dlatego też koncepcja absolutnego czasu i absolutnej przestrzeni (wraz z ich

teologiczną interpretacją) należy raczej do filozoficznego tła fizyki niż do samej mechaniki

Newtona.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

62

— w odróżnieniu od atomistów starożytnych — nie czyni żadnych domy-

słów na przykład co do kształtu i wielkości korpuskuł, nic za pomocą takich

domysłów nie usiłuje wyjaśnić, to jednak broni dyskretności materii, czyli

właśnie istnienia próżni jako realnego obiektu.

Przestrzeń i czas stanowią niezmienną scenę, na której rozgrywają się

dzieje świata. Oto sławne słowa Newtona: „Absolutny, prawdziwy i mate-

matyczny czas, sam z siebie i z własnej natury, płynie równomiernie bez

względu na cokolwiek zewnętrznego i inaczej nazywa się »trwaniem«,

względny, pozorny i potocznie rozumiany czas jest pewnego rodzaju zmy-

słową i zewnętrzną (niezależnie od tego, czy jest dokładny, czy nierówno-

mierny) miarą trwania za pośrednictwem ruchu; jest on powszechnie używa-

ny zamiast prawdziwego czasu; taką miarą jest na przykład: godzina, dzień,

miesiąc, rok.

Absolutna przestrzeń, ze swej własnej natury, bez względu na cokol-

wiek zewnętrznego, pozostaje zawsze taka sama i nieporuszalna. Względna

przestrzeń jest pewnego rodzaju podległym ruchowi rozmiarem lub miarą

absolutnej przestrzeni, którą nasze zmysły określają za pośrednictwem

położenia ciał i którą powszechnie bierze się za nieruchomą przestrzeń;

takimi są rozmiary podziemnej, powietrznej lub niebieskiej przestrzeni,

określone ich położeniem względem Ziemi. Przestrzeń absolutna i względ-

na są takie same w kształcie i wielkości, ale nie pozostają zawsze nume-

rycznie tymi samymi”106

.

Przez określenie czasu i przestrzeni mianem a b s o l u t n y c h Newton

podkreśla przede wszystkim stałość metrycznych własności czasu i prze-

strzeni w mechanice klasycznej107

. Przestrzeń mechaniki jest trójwymiarowa

(do zlokalizowania ciała w przestrzeni potrzebne są dokładnie trzy współ-

rzędne), euklidesowa (tzn. jej własności metryczne są opisywane przez geo-

metrię Euklidesa, traktowaną jako teoria realnej przestrzeni), nieskończona,

jednorodna (ma takie same własności w każdym miejscu) i izotropowa (nie

posiada wyróżnionego kierunku). Obecnie wiemy, że jednorodność prze-

—————— 106 I. Newton, Mathematical Principles of Natural Philosophy, [w:] R. M. Hutchins (ed.),

Great Books of The Western World, t. 34, Mathematical Principles of Natural Philosophy.

Optics, by sir Issac Newton, Treatise on Light, by Christian Huygens, Encyklopedia Britan-

nica, Inc., Chicago–London–Toronto, 1952, s. 8. Por. także M. Heller, Filozofia świata…,

s. 76. 107 Por. M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 32.

Newton

63

strzeni i czasu oraz izotropowość przestrzeni wiążą się z zasadami zachowa-

nia w fizyce108

. Są również ważnym warunkiem czasowej i przestrzennej

powtarzalności zjawisk. Dzięki nim „możemy w takich samych warunkach

powtarzać eksperymenty i otrzymywać identyczne wyniki”109

. Nieskończo-

ność przestrzeni jest natomiast implikowana przez pierwszą zasadę dynami-

ki: wiecznie trwający jednostajny prostoliniowy ruch ciała jest oczywiście

możliwy jedynie w wypadku, gdy sama przestrzeń jest nieskończona. Czas

jest natomiast jednowymiarowy, co znaczy, że do określenia współrzędnej

czasowej zdarzenia wystarcza podanie jednej liczby, a jego tempo upływu

jest uniwersalne dla całego świata. Oznacza to, że można jednoznacznie

określić, które zdarzenia są równoczesne i jaki przedział czasu dzieli dowol-

ne dwa zdarzenia. Rezultat pomiaru odległości czasowych i przestrzennych

nie zależy od układu odniesienia, względem którego przeprowadza się

pomiary.

Absolutny charakter czasu i przestrzeni wyraża się również w tym, że są

one niezależne w swym istnieniu i własnościach od obecności materii i ja-

kichkolwiek procesów materialnych110

. Pusta przestrzeń istnieje niezależnie

od materii, łatwo ją sobie wyobrazić i nawet wskazać, choćby w niezmierzo-

nych obszarach próżni kosmicznej, natomiast materia nie może istnieć poza

czasem i przestrzenią111

. W wypadku nieobecności materii istnienie absolut-

nego czasu polegałoby na trwaniu absolutnej przestrzeni.

Newton był bardzo przywiązany do tezy o istnieniu absolutnego czasu

i absolutnej przestrzeni i — oprócz ruchu względnego, dla którego opisania

możemy wybrać dowolny inercjalny układ odniesienia — poszukiwał przy-

kładów ruchu absolutnego, czyli ruchu względem absolutnej przestrzeni.

Zdaniem twórcy mechaniki, o absolutnym ruchu świadczyło występowanie

s i ł b e z w ł a d n o ś c i. Siły bezwładności pojawiają się w nieinercjalnych

układach odniesienia, czy w takich układach, które n i e poruszają się ru-

chem jednostajnie prostoliniowym. Załóżmy, że znajdujemy się w pociągu

—————— 108 Szerzej o zasadach zachowania i ich związku w własnościami czasu i przestrzeni por.

D. Stauffer, H. F. Stanley, Od Newtona do Mandelbrota. Wstęp do fizyki teoretycznej, tłum.

Ł. Turski Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996, s. 30–32. 109 M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 37–38. 110 Por. A. Einstein, Istota teorii względności, tłum. A. Trautmann, Prószyński i S-ka, War-

szawa 1997, s. 59. 111 Por. M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 32.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

64

jadącym po doskonale równych torach ze stałą prędkością. Wówczas taki

układ odniesienia jest (z dobrym przybliżeniem) układem inercjalnym. Jeżeli

jednak pociąg gwałtownie zahamuje, wystąpią zjawiska nie obserwowane

podczas ruchu ze stałą prędkością (resp. spoczynku). Na przykład walizki

z półek mogą spaść na głowy podróżnych, choć na żadną z nich nie zadziała-

ła żadna rzeczywista siła. Sami zresztą wyraźnie odczujemy działanie sił

bezwładności. Mówimy, że są to pozorne siły bezwładności, ponieważ nie są

one związane z jakimiś oddziałującymi ciałami, ale z (przyspieszonym) ru-

chem samego układu odniesienia. O ile zatem prędkość w mechanice kla-

sycznej jest względna, to przyspieszenie ma charakter absolutny.

Inny przykład ruchu absolutnego podawany przez Newtona to słynne do-

świadczenie z wirującym wiadrem. Wyobraźmy sobie, że mamy wiadro

napełnione wodą. Przywiązujemy do niego sznur i wprawiamy je w ruch

obrotowy wokół osi symetrii. Widzimy wyraźnie, że powierzchnia wody,

która była płaska, gdy wiadro spoczywało, teraz tworzy charakterystyczne

wklęśnięcie. Ciało (w tym wypadku powierzchnia wody) wprawione w ruch

obrotowy ulega zatem odkształceniu. Przykład ten świadczy, zdaniem

Newtona, o absolutnym ruchu wiadra z wodą, to znaczy o wirowaniu wiadra

z wodą względem przestrzeni absolutnej, a nie o wirowaniu wszechświata

w przeciwnym kierunku112

.

Można zatem powiedzieć, że na Newtonowski obraz świata składają się

cztery różne i nieredukowalne do siebie obiektywne realności fizyczne: cia-

ła, siły oraz przestrzeń i czas113

.

Przekonanie o absolutnym charakterze czasu i przestrzeni było mocno

zakorzenione w świadomości uczonych i filozofów. Kant uznał nawet wła-

sności przestrzeni i czasu za dane ludzkiemu umysłowi a priori, czyli nieza-

leżnie od doświadczenia, a tym samym geometrię Euklidesa za jedyny moż-

liwy system geometrii114

. Demokryt nazywał próżnię „istniejącym nieby-

tem”, mając świadomość tego, że jeśli atomy są „bytem”, to próżnia jest

przecież czymś zupełnie różnym od atomów, choć niewątpliwie istnieje.

—————— 112 Por. M. Heller, Matematyczne zasady Izaaka Newtona, [w:] M. Heller, J. Życiński,

Wszechświat…, s. 79; M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 32–33. 113 C. F. von Weizsäcker, Die Einheit der Physik, [w:] Werner Heisenberg und die Physik

unserer Zeit, hrsg. von F. Bopp, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1961, s. 26. 114 Por. I. Kant, Krytyka czystego rozumu, t. 1, tłum. R. Ingarden, PWN, Warszawa 1986,

s. 97–137.

Newton

65

Newton, w filozoficznej warstwie swego dzieła, dał nawet czasowi i prze-

strzeni absolutnym interpretację teologiczną i uznał je za sensorium Dei,

czyli narząd, za pomocą którego Bóg doznaje rzeczy115

.

Niezmiernie ważną cechą równań Newtona, a w konsekwencji podsta-

wową cechą mechanistycznego obrazu świata jest d e t e r m i n i z m. Ozna-

cza to, że w każdej chwili mechaniczny stan układu izolowanego wyznacza

całkowicie stan tego układu w danej chwili pod każdym względem oraz

jego stan pod każdym względem w dowolnej chwili — zarówno wcześniej-

szej, jak i późniejszej.

Rozwiązanie każdego problemu mechanicznego w zasadzie sprowadza

się do rozwiązania odpowiedniego układu równań różniczkowych116

(dla

jednego ciała jest to układ trzech równań, odpowiadający trzem współrzęd-

nym przestrzennym, dla większej liczby ciał liczba równań, które należy

rozwiązać, jest oczywiście odpowiednio większa). Gdybyśmy potrafili roz-

wiązać równania ruchu Newtona dla danego układu, moglibyśmy obliczyć,

jak zmieniają się w czasie współrzędne i prędkości poruszających się ciał,

a zatem w jednoznaczny sposób wyznaczyć tory ruchu ciał. Skoro Wszech-

świat to jedynie „korpuskuły i próżnia”, a wszelka zmiana ma charakter czy-

sto mechaniczny i polega jedynie na zmianie położeń ciał w przestrzeni,

rozwiązując równania Newtona dla wszystkich ciał, otrzymalibyśmy wy-

czerpujące poznanie losów całego Wszechświata w najdrobniejszych szcze-

gółach.

Oczywiście równania Newtona są zupełnie ogólnym schematem opisu

zjawisk i w celu rozwiązania konkretnego problemu trzeba podać konkretną

postać działających sił i określić doświadczalnie w a r u n k i p o c z ą t k o -

w e, to znaczy określić stan mechaniczny układu w pewnej chwili. W me-

chanice klasycznej określenie warunków początkowych sprowadza się do

podania pędów (pęd jest wektorową wielkością fizyczną, równą iloczynowi

masy i prędkości ciała: vmp

) i położeń elementów składowych układu

w pewnej chwili t0.

—————— 115 Por. M. Tempczyk, Fizyka a świat realny…, s. 33. 116 Newton, choć był twórcą rachunku różniczkowego, powszechnie dziś wykorzystywa-

nego w mechanice (i całej fizyce teoretycznej), w swoim dziele wzorem starożytnych prowa-

dził wywody w sposób czysto geometryczny.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

66

Rzecz jasna każde doświadczalne określenie warunków początkowych

(pomiar odpowiednich pędów i położeń) jest z natury rzeczy obarczone

pewnym błędem. Dokładność, z jaką możemy przewidywać przyszłe zjawi-

ska, uzależniona jest od dokładności, z jaką określimy warunki początkowe.

Niemniej jednak, przyjmowano założenie, że na możliwość określenia wa-

runków początkowych z d o w o l n ą d o k ł a d n o ś c i ą nie są nałożone

żadne n i e p r z e k r a c z a l n e ograniczenia. Faktycznie bowiem nie może-

my zapisać warunków początkowych dla układu złożonego ze zbyt wielu

cząstek, nie potrafimy również rozwiązać zbyt skomplikowanych równań.

Ale przyjmowano skrajnie optymistyczny pogląd na możliwości poznawcze

podmiotu poznającego, zakładano mianowicie, że zarówno dokładność okre-

ślenia warunków początkowych, jak i techniki rozwiązywania odpowiednich

równań można nieograniczenie doskonalić. Upraszczając rzecz nieco, można

powiedzieć, że — zgodnie z powyższym punktem widzenia — jeżeli przy-

roda jest d e t e r m i n i s t y c z n a, to wszelkie procesy są (przynajmniej za-

sadniczo) p r z e w i d y w a l n e.

Pogląd o „zasadniczej” przewidywalności wszelkich zjawisk przyrody zo-

stał najpełniej wyrażony przez francuskiego matematyka, fizyka i astronoma

Pierre’a Simona de Laplace’a (1749–1827). Wymyślił on pewną fantastyczną

istotę — znaną jako „demon Laplace’a” — która miałaby nieograniczone

możliwości poznawcze, zarówno jeśli chodzi o rozwiązywanie odpowiednich

równań, jak i możliwości ustalenia warunków początkowych układu mecha-

nicznego. „Umysł, który w jakimś danym momencie znałby wszystkie siły

ożywiające Przyrodę i wzajemne położenia składających się na nią bytów

i który byłby wystarczająco potężny, by poddać te dane analizie, mógłby stre-

ścić w jednym równaniu ruch największych ciał wszechświata oraz najdrob-

niejszych atomów: dla takiego umysłu nic nie byłoby niepewne, a przyszłość,

podobnie jak przeszłość, miałby przed oczami”117

. Stanowisko to stało się

podstawą bezgranicznego optymizmu poznawczego, w myśl którego na moż-

liwości poznawcze podmiotu nie są nałożone żadne obiektywne ograniczenia,

a ludzkość wyposażona w metody naukowe może nieograniczenie zbliżać się

do stanu perfekcji poznawczej demona Laplace’a.

—————— 117 P. S. de Laplace, Essai philosophique sur les probabilités, Paris 1814, cyt. za: I. Ste-

wart, Czy Bóg gra w kości? Nowa matematyka chaosu, tłum. M. Tempczyk, W. Komar, Wy-

dawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995, s. 17.

Newton

67

Dalszy rozwój mechaniki uzupełnił osiągnięcia Galileusza i Newtona

pracami Laplace’a, irlandzkiego matematyka Williama Rowana Hamiltona

(1805–1865), francuskich matematyków Jeana Baptiste’a Josepha Fouriera

(1768–1830) i Simeona Denisa Poissona (1781–1840) oraz innych, którzy

nadali mechanice klasyczną postać, obowiązującą do dziś. I chociaż teoria

względności i mechanika kwantowa wykazały ograniczony zasięg stosowal-

ności teorii Newtona i zburzyły tym samym przekonanie o jej uniwersalno-

ści, fizyka Newtona zajmuje nadal niezmiernie ważne miejsce w strukturze

fizyki. Dzięki niej możliwy stał się program lotów kosmicznych. Co prawda

obliczeniem ruchów Ziemi, Księżyca i statku kosmicznego zajmują się

komputery, zbudowane na zasadach mechaniki kwantowej, skonstruowanej

na zupełnie innych podstawach pojęciowych niż mechanika klasyczna, lecz

prawa mechaniki, według których oblicza się tory Ziemi, Księżyca i statku

kosmicznego są te same, co odkryte przez Newtona i przedstawione

w Philosophiae naturalis principia mathematica.

Sukcesy programu Newtona spowodowały, że wyjaśnienie naukowe zo-

stało w nauce nowożytnej utożsamione z wyjaśnieniem mechanicznym —

„zrozumieć jakieś zjawisko” oznaczało „zbudować jego mechaniczny mo-

del”. W filozofii mechanicyzmu znalazło wyraz przekonanie, że na ostatecz-

nym poziomie przyroda jest prosta i da się opisać w prostych formułach

fizyki matematycznej. Przyjmowano, że wszystkie zjawiska są pochodne

w stosunku do zjawisk mechanicznych i dają się ostatecznie zrozumieć po-

przez poznanie obiektywnych własności najprostszych elementów składo-

wych (atomów, resp. korpuskuł) i relacji czasoprzestrzennych, w jakich te

elementy pozostają ze sobą118

.

Wiemy obecnie, że mechanistyczny obraz świata, choć w imponujący spo-

sób przyczynił się do rozwoju nauki, był zbyt wielkim uproszczeniem rzeczy-

wistości. Równie przesadny był łączony z nim skrajny optymizm poznawczy.

„Matematycy XVIII stulecia zderzyli się z problemem, który trapi mechanikę

teoretyczną do dnia dzisiejszego: w y p r o w a d z e n i e równań to jedna

rzecz, a ich r o z w i ą z a n i e to inna sprawa”119

. Faktycznie bowiem uczeni

XVIII wieku nie potrafili rozwiązać wielu równań w sposób ścisły. Pomimo to

—————— 118 Por. np. J. Życiński, Wielość mechanicyzmów, [w:] M. Heller, J. Życiński, Wszech-

świat…, s. 13. 119 I. Stewart, Czy Bóg…, s. 47.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

68

panował bezgraniczny optymizm poznawczy i przekonanie, że wszystkie pod-

stawowe tajemnice przyrody zostały odkryte. Wiele problemów, w tym także

tych podstawowych i ważnych, prowadziło do równań, które m o g ł y być

rozwiązane. „Następował proces samoselekcji, dzięki któremu równania, któ-

rych nie można było rozwiązać, stawały się automatycznie mniej interesujące

od tych, których rozwiązanie było możliwe. Podręczniki, z których nowe po-

kolenia uczyły się technik rachunkowych, zawierały oczywiście tylko proble-

my rozwiązywalne”120

. Ów proces selekcji nie był jednak uniwersalny. „Pew-

ne pytania pozostające bez odpowiedzi, takie jak ruch trzech ciał pod wpły-

wem siły grawitacji, stały się znane właśnie z powodu niemożliwości ich

zgłębienia. Lecz jakimś sposobem pytania takie były uważane za wyjątki,

podczas gdy uczciwa ocena powinna przedstawiać je jako regułę.

W rzeczywistości nawet m a t e m a t y c z n y determinizm równań ruchu

miał luki. Jedną z powszechnych idealizacji mechaniki newtonowskiej jest

zagadnienie twardych sprężystych cząstek. Jeżeli zderzają się dwie takie

cząstki, to odbijają się one pod dobrze określonymi kątami i z ustalonymi

prędkościami. Prawa Newtona nie wystarczają jednak do ustalenia rezultatu

jednoczesnego zderzenia t r z e c h takich cząstek”121

.

Badania problemu grawitacyjnego oddziaływania trzech ciał prowadził

między innymi francuski matematyk i fizyk, jeden z prekursorów szczegól-

nej teorii względności Henri Poincaré (1854–1912). Doprowadziły one do

pierwszego spotkania uczonych ze zjawiskiem c h a o s u d e t e r m i n i -

s t y c z n e g o. Teoria chaosu deterministycznego pokazała, że pewne układy

nieliniowe (ściślej: układy dynamiczne opisywane nieliniowymi równaniami

różniczkowymi) mogą zachowywać się w sposób nieprzewidywalny p o -

m i m o całkowicie deterministycznego charakteru praw nimi rządzących.

Przykładem takiego układu są zjawiska pogodowe: dowolnie mały błąd

w określeniu warunków początkowych układu może spowodować nie-

współmiernie duży błąd w przewidywaniu stanu końcowego, ponieważ

układy nieliniowe charakteryzuje silna wrażliwość na warunki początkowe

(tzw. „efekt motyla”). Zwolennicy teorii chaosu sądzą, że jednoznaczność

rozwiązań ruchu, a zatem i jednoznaczna przewidywalność zjawisk przyrody

są raczej niezwykle rzadkimi wyjątkami niż regułą.

—————— 120 Ibidem, s. 47–48. 121 Ibidem, s. 48–49.

Newton

69

Pewną komplikację mechanicznego modelu świata sprawiła również teo-

ria elektromagnetyzmu, sformułowana w 1864 roku przez szkockiego fizyka

Jamesa Clerka Maxwella (1831–1879). Zjawiska elektromagnetyczne od

początku nie mieściły się w ramach mechanistycznego systemu świata, któ-

rego jedynymi elementami miały być atomy i próżnia. Pierwotnie fale elek-

tromagnetyczne traktowano jako drgania pewnego ośrodka sprężystego —

eteru i dopiero trudności teoretyczne związane z koncepcją eteru zmusiły

fizyków do uznania pola elektromagnetycznego za obiektywną realność

fizyczną.

Jak się okazało, trudności, przed jakimi stanął mechanistyczny system

świata, było zresztą więcej. Jedna z nich dotyczy charakteru sił grawitacyj-

nych. Jeżeli bowiem grawitacja jest zawsze siłą przyciągania, to dlaczego

wszystkie ciała we wszechświecie nie „spadły na siebie”, czyli nie skupiły

się w jednym miejscu? Inny problem, znany pod nazwą „paradoksu Olber-

sa”, związany jest z zagadnieniem nieskończoności czasowej i przestrzennej

wszechświata. Jeśli wszechświat jest wieczny i nieskończony przestrzennie

i istnieje w nim nieskończenie wiele świecących gwiazd, to dlaczego w nocy

jest ciemno?

Pytania te uzyskały odpowiedzi dopiero w XX wieku na podstawie teorii

względności, która odrzuciła jednak tezę o absolutnym charakterze czasu

i przestrzeni. Szczególna teorii względności Einsteina (1905) zrelatywizowa-

ła własności czasu i przestrzeni do układu odniesienia. Jeszcze ściślejszy

związek czasu, przestrzeni i materii ukazuje ogólna teoria względności

(1916), która wiąże geometrię czasoprzestrzeni z rozkładem mas i opisuje

świat przy zastosowaniu geometrii nieeuklidesowej (Riemanna).

Jak zobaczymy w dalszej części rozważań, mechanika kwantowa ponadto

odrzuciła mechanistyczny determinizm oraz takie atrybuty przypisywane

przez Newtona atomom, jak twardość i nieprzenikliwość.

ROZDZIAŁ SZÓSTY

LEIBNIZ

Newtonowska koncepcja świata–maszyny, atomistycznej budowy mate-

rii, przestrzeni absolutnej i absolutnego czasu spotkała się z ostrą krytyką

Gottfrieda Wilhelma Leibniza (1646–1716). Jednocześnie sam Leibniz za-

proponował oryginalny pogląd na naturę czasu i przestrzeni, który nosi mia-

no r e l a c j o n i z m u. Najogólniej rzecz biorąc, relacjonistyczne stanowisko

w zagadnieniu ontologicznego statusu czasu i przestrzeni oznacza, że czas

i przestrzeń nie są obiektami istniejącymi niezależnie od rzeczy i na równi

z nimi, ale są jedynie s ys t e ma mi r e l a c j i m i ę d z y c i a ł a mi ma t e -

r i a l n y m i. Czas i przestrzeń są zatem a t r y b u t a mi materii, są względne

i zależne w swoim istnieniu i własnościach od ciał materialnych. Leibniz,

odrzucając atomistyczną koncepcję m a t e r i i, był zarazem twórcą pewnej

formy a t o mi z mu me t a f i z y c zn e g o — mo n a d o l o g i i.

Spór Leibniza z Newtonem jest sporem logika z fizykiem; racjonalisty

z empirystą. Obydwaj zakładali istnienie Boga jako stwórcy świata, jednak:

„Bóg Leibniza — pisze M. Heller — my ś l i świat przy pomocy Wielkich

Zasad Logicznych; a ponieważ Bóg rozumuje niezawodnie, świat Leibniza

jest doskonały jak system dedukcyjny. Bóg Newtona k o n s t r u u j e świat,

kierując się zasadami fizyki; zasady te wymagają warunków brzegowych

i Bóg musi czasem ingerować w świat, by te warunki ustalić”122

. Mechanika

Newtona opierała się na podstawach empirycznych, filozofia spekulatywna

była nad nią nadbudowana. Jednym z głównych zadań, jakie upatrywał

Newton w filozofii, było wyjaśnienie p r z yc z y n grawitacji i w ogóle

p r z y c z y n p r a w p r z y r o d y, w odróżnieniu od fizyki, która opisuje jedy-

nie, j a k przebiegają zjawiska w przyrodzie, a nie d l a c z e go przebiegają

—————— 122 M. Heller, Względność przeciw absolutom, [w:] M. Heller, J. Życiński, Wszechświat…,

s. 103.

Leibniz

71

tak, a nie inaczej. Metafizyka Leibniza ma charakter na wskroś spekulatyw-

ny — najpewniejszą drogą poznania prawdy są, zdaniem tego filozofa, czy-

sto rozumowe dociekania natury rzeczywistości123

. Skrajny racjonalizm

Leibniza oznacza w tym kontekście postulat zbudowania takiej teorii świata,

z której wszystko wynikałoby jako jej logiczne konsekwencje i żadne dane

nie musiałyby być brane z doświadczenia. Znaczy to, że — w przeciwień-

stwie do Newtona — metafizyka była u Leibniza na pierwszym miejscu

i dopiero z ogólnego filozoficznego widzenia świata wynikały postulaty

dotyczące nauk empirycznych124

. W każdym razie zasady logiczno-meta-

fizyczne Leibniza odgrywają podstawową rolę w krytyce atomizmu, Newto-

nowskiej teorii przestrzeni absolutnej i absolutnego czasu oraz stanowią

podstawę relacjonistycznej koncepcji przestrzeni i czasu.

Najpełniejszy materiał historyczny, zawierający poglądy Leibniza na

ontologiczny status czasu i przestrzeni znajdujemy w polemice między

Leibnizem a zwolennikiem Newtona, duchownym anglikańskim Samuelem

Clarkiem125

. Korespondencja tych dwóch uczonych, prowadzona od listo-

pada 1715 roku do października 1716 roku dostarcza nam jednocześnie

wspaniałego przykładu piśmiennictwa naukowego tamtych czasów.

W ostrej niekiedy wymianie zdań znajdujemy zarówno precyzyjną logikę,

jak i ironię, a czysto naukowe argumenty przemieszane są z teologicznymi.

Na dobrą sprawę cały spór między Newtonem a Leibnizem ma właśnie

podłoże teologiczne: Leibniz przeciwstawia się materializmowi i ateizmo-

—————— 123 Ibidem. 124 Por. M. Tempczyk, Fizyka ruchu i czasoprzestrzeni, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa 1993, s. 95. 125 Leibniz niezależnie od Newtona wynalazł rachunek różniczkowy, ale został posądzony

o plagiat. Towarzystwo Królewskie rozstrzygnęło spór na niekorzyść Leibniza, co było źró-

dłem ambicjonalnych niechęci między tymi dwoma uczonymi. Gdy księżna Walii, Wilhelma

von Anspach, poinformowała Leibniza, że tłumaczem na angielski jego Teodycei ma zostać

przyjaciel Newtona, Samuel Clarke, Leibniz zaprotestował, a w uzasadnieniu swej decyzji

przeprowadził krytykę filozoficznych poglądów Newtona. Księżna Walii przekazała pismo

Leibniza Clarke’owi, ten zaś odpisał na ręce księżnej. W ten sposób wywiązała się słynna

korespondencja. (Por. M. Heller, Względność przeciw absolutom, [w:] M. Heller, J. Życiński,

Wszechświat…, s. 102; por. także notę bibliograficzną w: G. W. Leibniz, Wyznanie wiary

filozofa, [w:] idem, Wyznanie wiary filozofa. Rozprawa metafizyczna. Monadologia. Zasady

natury i łaski oraz inne pisma filozoficzne, tłum. S. Cichowicz, J. Domański, H. Krzeczkow-

ski, H. Moese, PWN, Warszawa 1969, s. 510–514).

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

72

wi, do których — jak sądzi — prowadzą matematyczne zasady filozofii

przyrody Newtona.

Już na samym początku polemiki Leibniz wyśmiewa teologiczną inter-

pretację przestrzeni absolutnej przedstawioną przez Newtona. Pisze on na-

stępująco: „Pan Newton powiada, że przestrzeń jest narządem, którego Bóg

używa, aby doznawać rzeczy. Jeśli wszelako potrzebuje czegoś, aby ich

doznawać, nie są one bynajmniej zależne odeń całkowicie i nie są bynajm-

niej jego wytworem. Pan Newton i jego stronnicy mają jeszcze jedno nader

zabawne mniemanie o dziele Bożym. Wedle nich Bóg potrzebuje nakręcać

od czasu do czasu swój zegar. W przeciwnym razie ustałoby jego działanie.

Nie był bowiem na tyle przezorny, aby nadać mu ruch wieczny”126

.

Przede wszystkim dla Leibniza przestrzeń nie jest „bytem absolutnym

i rzeczywistym”. „Co do mnie, niejednokrotnie podkreślałem — pisze Leib-

niz — że mam p r z e s t r z e ń za coś czysto względnego, podobnie jak

c z a s, mianowicie za porządek współistnienia rzeczy, podczas gdy czas

stanowi porządek ich następstwa. Albowiem przestrzeń oznacza z punktu

widzenia możliwości porządek rzeczy istniejących równocześnie, jako ist-

niejących razem, abstrahując od szczegółowego sposobu istnienia każdej

z nich z osobna; i gdy ogląda się wiele rzeczy naraz, spostrzega się w nich

ten porządek”127

.

Biorąc za punkt wyjścia podstawową własność przestrzeni, jaką jest jed-

norodność, Leibniz dowodzi, że brak jest r a c j i d o s t a t e c z n e j do przy-

jęcia poglądu o istnieniu absolutnej przestrzeni, niezależnej od materii. Oto

klasyczny tekst Leibniza: „Przestrzeń jest czymś absolutnie jednorodnym i

gdy brak rzeczy w niej umieszczonych, jeden punkt przestrzeni nie różni się

absolutnie niczym od drugiego. Otóż przy założeniu, że przestrzeń sama w

sobie jest czymś odmiennym od porządku, w jakim pozostają ciała wzglę-

dem siebie, okazuje się, że niemożliwe jest, aby istniała racja, dla jakiej Bóg,

zachowując te same położenia ciał względem siebie, umieścił je

w przestrzeni właśnie tak, a nie inaczej, i dla jakiej nie ułożył wszystkiego

na opak, zastępując (na przykład) zachód wschodem”128

. W tej sytuacji Bóg

—————— 126 G. W. Leibniz, Polemika z S. Clarkiem. Pierwsze pismo Leibniza, [w:] idem, Wyzna-

nie…, s. 321 (wszystkie wyróżnienia pochodzą od Leibniza). 127 Idem, Polemika z S. Clarkiem. Trzecie pismo Leibniza, s. 336. 128 Ibidem.

Leibniz

73

działałby w sposób irracjonalny, co, rzecz jasna, nie przystoi „Umysłowi

Doskonałemu”. Jeżeli natomiast przestrzeń jest jedynie porządkiem rzeczy

i nie istnieje bez ciał, wówczas nie pojawiają się tego typu problemy — na

przykład zachód i wschód można odróżnić od siebie wyłącznie na podstawie

w z g l ę d n y c h położeń ciał. Leibniz wyraża to następująco: „Jeżeli jednak

przestrzeń nie jest niczym innym, jak tym porządkiem czy związkiem, i bez

ciał jest niczym innym, jak tylko możliwością ich umieszczenia w niej, to

oba te stany — jeden taki, jaki jest, drugi zaś z założenia odwrotny — nie

różniłyby się zgoła między sobą, różnica ich tkwi bowiem jedynie w naszym

urojonym założeniu o rzeczywistości przestrzeni samej w sobie, ale napraw-

dę jeden będzie akurat tym samym, co drugi, skoro oba są absolutnie nieroz-

różnialne; a zatem nie ma potrzeby pytać o rację pierwszeństwa jednego

z nich przed drugim”129

.

Podobne zresztą argumenty skierowane są przeciwko koncepcji czasu

absolutnego, który — według Newtona — może istnieć niezależnie od mate-

rii i jest wówczas trwaniem pustej przestrzeni. Przyjmując — pisze Leibniz

— „że ktoś pyta, dlaczego Bóg nie stworzył wszystkiego raczej o rok wcze-

śniej, oraz że ta sama osoba zechce stąd wnosić, iż uczynił coś, dla czego

niepodobna znaleźć racji, dla jakiej uczynił właśnie tak, a nie inaczej, nale-

żałoby mu odpowiedzieć, że jego wywód byłby słuszny, gdyby czas był

czymś zewnętrznym wobec rzeczy czasowo trwających, jako że niepodobna

znaleźć racji, dla jakiej rzeczy przy zachowaniu tego samego ich następstwa

miałyby być połączone raczej z tymi chwilami niż z innymi. Atoli już to

samo dowodzi, że zewnętrzne wobec rzeczy chwile nie są niczym i polegają

wyłącznie na porządku następczym tych rzeczy, tak że gdy ten porządek

pozostaje bez zmiany, wtedy z dwóch stanów rzeczy jeden — wyobrażony

w antycypacji — nie różni się niczym i nie może być odróżniony od tego,

który zachodzi obecnie”130

.

Clarke, argumentując za istnieniem absolutnej przestrzeni, podaje nastę-

pujący przykład. Gdyby przestrzeń była jedynie porządkiem rzeczy współ-

istniejących, to wynikałoby z tego, że jeśli Bóg poruszyłby z miejsca świat

i wprawiłby go w ruch po linii prostej z dowolnie wielką szybkością, nie

nastąpiłby nawet najmniejszy wstrząs, nawet przy nagłym zatrzymaniu tego

—————— 129 Ibidem, s. 336–337. 130 Ibidem, s. 337.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

74

ruchu131

. Byłoby to oczywistą sprzecznością z zasadami dynamiki Newtona.

Przy nagłym zatrzymaniu ruchu układu odniesienia powinniśmy bowiem

obserwować siły bezwładności, których efektem byłyby zjawiska podobne

do tych, jakie omawiałem już, analizując nagłą zmianę prędkości pociągu,

w szczególności zaś jego gwałtowne zatrzymanie. Podobnie, gdyby wszech-

świat materialny został wprawiony w ruch obrotowy, powinniśmy obserwo-

wać siły odśrodkowe we wszystkich jego częściach132

.

Newton i Clarke mają jeszcze inne argumenty za istnieniem pustej prze-

strzeni — próżni. Można na przykład wskazać na nocne niebo i powiedzieć:

„Patrzcie! Oto niezmierzone obszary pustej przestrzeni (vacuum) pozbawio-

ne materii”. Albo, wskazując na deformację powierzchni wody w omawia-

nym wcześniej doświadczeniu z wirującym wiadrem, powiedzieć: „Oto

przykład ruchu absolutnego”.

Istnienie próżni wynikało również z doświadczeń Guerickego i Torricel-

lego. W 1650 roku niemiecki fizyk Otto von Guericke (1602–1686) wyna-

lazł pompę próżniową i wykonując różne doświadczenia zauważył, że za jej

pomocą nie da się wypompować wody ze studni o głębokości większej niż

10 m. Po przekroczeniu tej różnicy poziomów słup wody w rurze, którą pły-

nęła woda, rozrywał się. Ponieważ tłok był szczelny, to do rury nie mogło

dostać się powietrze, musiała zatem tam wystąpić próżnia. W 1643 roku

włoski fizyk i matematyk Evangelista Torricelli (1608–1647) wykonał po-

dobne doświadczenie dowodzące istnienia próżni, używając do tego celu

rtęci („żywego srebra” — jak ją wówczas nazywano). Napełnił on rtęcią

długą szklaną zasklepioną z jednej strony rurę, a następnie zanurzył ją

otwartym końcem w misie pełnej rtęci i ustawił pionowo. Część rtęci wy-

płynęła do misy i jej słup obniżył się do wysokości ok. 76 cm, a ponad nim,

w części poprzednio wypełnionej rtęcią była teraz tylko próżnia.

Clarke na podstawie tych doświadczeń może zatem powiedzieć: „Mimo

iż w naczyniu, z którego wypompowano powietrze, są promienie światła

i być może jakaś inna materia w niezmiernie małych ilościach, brak oporu

jasno dowodzi, że większa część tej przestrzeni jest opróżniona z materii”133

.

Ale Leibniz nie poddaje się i tym razem. W odpowiedzi na argument Clar-

—————— 131 Ibidem, Trzecia odpowiedź Clarke’a, s. 342–343. 132 Ibidem, Piąta odpowiedź Clarke’a, s. 419. 133 Ibidem, Czwarta odpowiedź Clarke’a, s. 358.

Leibniz

75

ke’a twierdzi on, że w naczyniu nie ma wcale próżni, skoro przez szkło mo-

gą przedostawać się na przykład promienie światła134

.

Ostatecznie: „przestrzeń sama w sobie jest czymś idealnym, podobnie jak

czas”135

. „Nie twierdzę — dodaje Leibniz — że materia i przestrzeń są tym

samym; powiadam tylko, że nie ma przestrzeni tam, gdzie nie ma materii,

i że przestrzeń sama w sobie nie jest rzeczywistością absolutną. Przestrzeń

i materia różnią się między sobą tak jak czas i ruch. Rzeczy te, chociaż róż-

ne, są jednakże nierozdzielne”136

. Przestrzeń jest bowiem jedynie p o -

r z ą d k i e m p o ł o ż e ń c i a ł; umysł dochodzi do abstrakcyjnego położe-

nia przestrzeni na podstawie analizy r e l a c j i, w jakich jedne ciała znajdują

się w stosunku do drugich i wcale nie potrzebuje jakiegoś absolutnego i rze-

czywistego bytu, który by poza umysłem przestrzeni odpowiadał137

.

„P r ó ż n i a n i e i s t n i e j e, albowiem rozmaite części próżnej przestrzeni

byłyby zupełnie do siebie podobne, w pełni odpowiadałyby sobie i nie dały-

by się same przez się rozróżnić, a ponadto różniłyby się jedynie liczbą, co

jest absurdem. W ten sam sposób dowodzę również, że czas nie jest

rzeczą”138

.

Podsumujmy zasadnicze tezy teorii czasu i przestrzeni Newtona i Leibni-

za: dla Newtona czas i przestrzeń są absolutne. Znaczy to, że istnieją nieza-

leżnie od rzeczy, umieszczenie w przestrzeni ciał w żaden sposób nie wpły-

wa na jej własności, jak również sama przestrzeń nie wpływa na własności

ciał. Dla Leibniza natomiast czas i przestrzeń są jedynie systemem relacji —

rzeczywistych i możliwych, w jakich jedne rzeczy pozostają do drugich,

czyli nie mają charakteru obiektów, ale są atrybutami świata rzeczy mate-

rialnych. Gdy nie ma zbioru rzeczy, pojęcia czasu i przestrzeni, czyli relacji

porządkujących zbiór rzeczy, stają się bezsensowne i oczywiste jest, że czas

i przestrzeń rozumiane w sposób relacjonistyczny nie mogą istnieć niezależ-

nie od rzeczy.

Na argumentach o charakterze logiczno-metafizycznym oparta jest rów-

nież Leibniza krytyka atomistycznej koncepcji materii. Atomy, według tra-

—————— 134 Ibidem, Piąte pismo Leibniza, s. 380. 135 Ibidem. 136 Ibidem, s. 394. 137 Ibidem, s. 407. 138 G. W. Leibniz, Prawdy pierwotne metafizyki, [w:] idem, Wyznanie…, s. 92–93.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

76

dycji greckiej, różnią się między sobą kształtem i wielkością. Jeśli jednak nic

nie dzieje się bez racji dostatecznej, to — pyta Leibniz — dlaczego atomy

o danej wielkości nie są już dalej podzielne? „N i e i s t n i e j e a t o m —

pisze Leibniz — a co więcej, żadne ciało nie jest tak drobne, żeby nie mogło

być aktualnie podzielne. […] Nie można podać racji, dla której ciała o pew-

nej wielkości nie są już dalej podzielne”139

. Oto pierwszy argument Leibniza

przeciwko istnieniu najmniejszych, niepodzielnych składników materii.

Drugi argument Leibniza przeciwko realnemu istnieniu atomów jest

oparty na z a s a d z i e i d e n t yc z n o ś c i n i e r o z r ó ż n i a l n y c h (princi-

pium identitatis indiscernibilium). Stwierdza ona, że „Nie istnieją dwa nie-

rozróżnialne indywidua. […] Dwie krople wody lub mleka dadzą się rozróż-

nić, gdy są oglądane przez mikroskop. Jest to argument przeciwko atomom

obalonym na równi z próżnią przez sądy prawdziwej metafizyki. Te wielkie

zasady mówiące o racji dostatecznej i o tożsamości nierozróżnialnych,

zmieniają stan metafizyki, która za ich pośrednictwem staje się rzeczywista

i dowodliwa. W innych natomiast przypadkach były to niemal tylko puste

słowa. Jeśli dane są dwie rzeczy nierozróżnialne, to dana jest rzecz ta sama

pod dwiema nazwami”140

. W innym miejscu Leibniz pisze, że „n i e m o g ą

i s t n i e ć w n a t u r z e d w i e r z e c z y r ó ż n i ą c e s i ę j e d y n i e

l i c z b ą; bo zaiste trzeba móc podać rację, dla której są to rzeczy różne,

a taką rację musi się wywieść z jakiejś różnicy w nich samych”141

. Gdyby

bowiem istniały atomy, to istniałoby w i e l e p r z e d mi o t ó w o i d e n -

t yc z n y c h w ł a s n o ś c i a c h, a l e n u me r yc z n i e o d r ę b n yc h. Nie-

prawdą zaś jest, zdaniem Leibniza, „aby dwie substancje były całkiem do

siebie podobne i różniły się solo numero”142

, każda bowiem substancja za-

wiera pewną cechę indywidualizującą i wyróżniającą ją spośród wszystkich

innych. Według Leibniza zatem „atom nie godzi się z rozumem ni z ładem,

zawiera wszak już aktualne części, z których się składa, i na nic się nie zda

rozróżnienie, czy są one oddzielone, czy też nie”143

.

—————— 139 Ibidem, s. 92–93. 140 Idem, Polemika z Clarkiem. Czwarte pismo Leibniza, s. 347. 141 Idem, Prawdy pierwotne metafizyki, s. 89. 142 Idem, Rozprawa metafizyczna, [w:] idem, Wyznanie…, s 106. 143 Idem, Nowy system…, Zarzuty…, Uwagi…, Odpowiedzi, [w:] idem, Wyznanie…,

s. 165–166. Problem stosowalności principium identitatis indiscernibilium jest współcześnie

żywo dyskutowany, szczególnie w odniesieniu do zagadnienia nieodróżnialności cząstek

Leibniz

77

Atomistycznej koncepcji m a t e r i i przeciwstawia Leibniz a t o mi z m

me t a f i z y c zn y, wedle którego ostatecznymi składnikami natury są proste

substancje o charakterze d u c h o w y m144

— mo n a d y. Ponieważ koncep-

cja ta wykracza poza przedmiot badań zakreślony w niniejszej pracy, ograni-

czę się jedynie do skrótowego przedstawienia najbardziej podstawowych

kwestii. Leibniz pisze: „M o n a d a, o której będziemy tutaj mówili, nie jest

niczym innym, jak tylko substancją prostą, wchodzącą w skład rzeczy zło-

żonych; prostą, tzn. pozbawioną części. Jest zaś nieodzowne, aby istniały

substancje proste, skoro istnieją rzeczy złożone; rzecz złożona bowiem to nic

innego jak skupisko czy też aggregatum substancji prostych. Otóż tam gdzie

nie ma części, nie jest możliwa rozciągłość ani kształt, ani podzielność.

I monady te są prawdziwymi atomami natury — elementami rzeczy”145

.

Według Leibniza monady nie oddziałują między sobą: „Monady nie mają

okien, przez które cokolwiek mogłoby do nich się dostać czy też z nich wy-

dostać”146

. Monady są j a k o ś c i o w o z r ó ż n i c o wa n e — każda monada

różni się od każdej innej, ponieważ nie ma w naturze dwóch absolutnie iden-

tycznych bytów. Różnią się przede wszystkim „stopniem wyrazistości po-

strzeżeń” — te najbardziej świadome są to dusze ludzkie. Dusze i ciała pod-

legają swoistym dla siebie prawom — dusze działają poprzez przyczyny

celowe, natomiast poprzez przyczyny sprawcze ciała, nie działają natomiast

na siebie nawzajem, „schodzą się zaś na mocy harmonii wprzód ustanowio-

nej między wszystkimi substancjami”147

, która jest dziełem Boga.

Wszystkie pisma Leibniza, nie wyłączając polemiki z Clarkiem, prze-

siąknięte są argumentami teologicznymi. Niemal na każdej stronie słowo

„Bóg” powtarza się przynajmniej pół tuzina razy. Leibniz pisze na przy-

kład, że istnienie atomów i próżni nie jest „rzeczą absolutnie niemożliwą,

lecz że pozostaje w niezgodzie z mądrością Bożą”148

. Na to słusznie repli-

—————— identycznych w mechanice kwantowej. Pewne jego wątki związane z osobliwością statystyk

kwantowych omawiam w ostatnim rozdziale książki. 144 Wszystkie monady są natury duchowej, ale „nie ma dusz całkiem o d d z i e l o n y c h

ani też duchów pozbawionych ciała. Jeden tylko Bóg jest całkowicie odeń odłączony”,

G. W. Leibniz, Zasady filozofii, czyli monadologia, [w:] idem, Wyznanie…, s. 312. 145 Idem, Zasady…, s. 297. 146 Ibidem, s. 298. 147 Ibidem, s. 313–314. 148 Idem, Nowy system…, s. 378.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

78

kuje Clarke: „Skądże jednak wie autor, że nie byłoby to zgodne z mądro-

ścią Bożą?”149

.

Trudno ustosunkować się do tego typu argumentów — to już nie nauka

i filozofia, lecz teologia. Można jednak spór ten rozważać niezależnie od

jego związków z teologią i potraktować jako spór o obiektywną strukturę

świata realnego dotyczący natury czasu, przestrzeni i materii. Jeżeli przyj-

miemy postulat, by w racjonalnych dociekaniach filozoficznych nie odwo-

ływać się do świata nadnaturalnego w wyjaśnianiu zjawisk tego świata

i zjawiska wyjaśniać wyłącznie przez wykrywanie ich związków z innymi

zjawiskami, wówczas zważyć należy moc argumentów przez odwołanie się

do obserwowalnych stanów rzeczy i efektywności programów badawczych

zaproponowanych przez Newtona i Leibniza.

Jeśli chodzi o samo istnienie atomów, to zarówno Newton, jak i Leibniz

znajdują się w podobnej sytuacji: stan techniki eksperymentalnej w czasach,

gdy żyli i tworzyli ci uczeni, nie pozwalał na potwierdzenie albo falsyfikację

teorii atomistycznej. Współcześnie w istnienie atomów nikt, poza skrajnymi

instrumentalistami, nie wątpi. Jeżeli rozpatrujemy natomiast efektywność

programów badawczych zaproponowanych przez dwóch wielkich rywali, to

stwierdzić trzeba, że program Leibniza czysto dedukcyjnej nauki o świecie

nie został nigdy zrealizowany. Matematyczna i zarazem empiryczna fizyka

Newtona osiągnęła natomiast niebywałe sukcesy i uczeni uwierzyli również,

niejako przy okazji, w absolutny czas i absolutną przestrzeń. Na dwa i pół

wieku Newton pokonał swego wielkiego rywala.

Upadek koncepcji absolutnego czasu i absolutnej przestrzeni spowodo-

wany ogłoszeniem w 1905 roku przez Alberta Einsteina (1879–1955)

szczególnej teorii względności sprawił, że koncepcja relacyjnej przestrzeni

Leibniza potraktowana została jako atrakcyjna kontrpropozycja. W fizyce

relatywistycznej bowiem mamy do czynienia ze ścisłym powiązaniem po-

jęć przestrzeni i czasu. Einstein pisał: „Podobnie jak z punktu widzenia

mechaniki newtonowskiej, można wypowiedzieć dwa zgodne twierdzenia:

tempus est absolutum, spatium est absolutum, tak z punktu widzenia

szczególnej teorii względności musimy stwierdzić: continuum spatii et

temporis est absolutum. W tym ostatnim twierdzeniu absolutum znaczy nie

tylko »fizycznie rzeczywiste«, ale również »niezależne pod względem

—————— 149 Idem, Polemika z Clarkiem. Piąta odpowiedź Clarke’a, s. 418.

Leibniz

79

własności fizycznych, oddziałujące fizycznie, ale nie podlegające wpły-

wom warunków fizycznych«”150

.

W fizyce Newtona przestrzeń i czas są absolutne i zupełnie niezależne od

siebie. Jednak w pojęciu absolutnej przestrzeni tkwi poważna trudność, na

którą zwrócił uwagę Leibniz. Zgodnie bowiem z prawami Newtona ruch jest

względny, czyli nie istnieje żaden wyróżniony stan spoczynku. Można na

przykład powiedzieć, że ciało A spoczywa, a ciało B porusza się względem

niego ze stałą prędkością, ale równie dobrze można też powiedzieć, że B

spoczywa, natomiast A porusza się względem niego. Jeżeli jednak nie istnie-

je stan absolutnego spoczynku, to nie można stwierdzić, że dwa zdarzenia,

które miały miejsce w różnym czasie, zaszły w tym samym miejscu absolut-

nej przestrzeni. Nie można zatem przypisać zdarzeniom absolutnego położe-

nia w przestrzeni151

. Jak pisze S. Hawking, Newton w istocie odmówił przy-

jęcia do wiadomości braku podstaw do założenia istnienia absolutnej prze-

strzeni, choć była to konsekwencja jego praw ruchu, „ponieważ nie zgadzało

się to z jego koncepcją absolutnego Boga”152

.

Struktura mechaniki Newtona nie wymaga zatem istnienia absolutnej

przestrzeni, ale wymaga istnienia absolutnego czasu. Ponieważ w świecie

Newtona prędkość, z jaką mogą rozchodzić się oddziaływania, może być

dowolnie duża — nawet nieskończona, jak w wypadku oddziaływań grawi-

tacyjnych — można określić absolutną równoczesność zdarzeń. Innymi sło-

wy, można wprowadzić bezwzględną parametryzację zdarzeń właśnie

w postaci absolutnego czasu. Określenie odstępów czasu między dowolnymi

dwoma zdarzeniami nie zależy zatem od układu odniesienia, z którego do-

konywane są pomiary. Pogląd ten wydaje się zupełnie oczywisty i zgodny ze

zdrowym rozsądkiem.

Dalsze badania doprowadziły jednak do wniosku, że równania Maxwella

opisujące zjawiska elektromagnetyczne są niezgodne z Newtonowską zasadą

względności ruchu. Okazało się bowiem, że prędkość światła w próżni jest

zawsze taka sama (c = 300 000 km/s) i nie zależy od prędkości układu od-

—————— 150 A. Einstein, Istota teorii względności, tłum. A. Trautmann, Prószyński i S-ka, Warsza-

wa 1997, s. 59. 151 Por. S. Hawking, Krótka historia czasu. Od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur,

tłum. P. Amsterdamski, Alfa, Warszawa 1990, s. 26. 152 Ibidem, s. 27.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

80

niesienia, z którego przeprowadza się pomiary. Absolutny charakter prędko-

ści światła w próżni przyjął Einstein jako fundamentalne twierdzenie szcze-

gólnej teorii względności. Drugim podstawowym postulatem jest, że prawa

przyrody są jednakowe we wszystkich układach poruszających się ruchem

jednostajnym prostoliniowym153

. Konsekwencje teorii względności mają

charakter rewolucyjny i przeczą (z pozoru) zupełnie oczywistym prawdom

dotyczącym czasu i przestrzeni.

P r ze s t r ze ń j e s t w z g l ę d n a. Nie tylko nie można określić absolut-

nych położeń ciał w przestrzeni, a jedynie przestrzenne relacje między cia-

łami, ale również relacje te (np. odległości między dwoma ciałami albo prze-

strzenne wymiary ciał) zależą od układu odniesienia, z jakiego dokonywane

są pomiary. Powiedzmy, że mam pręt sztywny o długości jednego metra.

Jeżeli ten pręt wprawię w ruch (z dostatecznie wielką prędkością, by efekt

był obserwowalny) i zmierzę jego długość w ruchu, to okaże się, że jest

mniejsza niż długość pręta znajdującego się w spoczynku. Poruszające się

ciała ulegają skróceniu w kierunku ruchu. Efekt ten nazywa się s k r ó c e -

n i e m L o r e n t z a.

C z a s j e s t w z g l ę d n y. Oznacza to, że nie można określić absolutnego

czasu zdarzeń, a tylko relacje czasowe między zdarzeniami. Możemy rów-

nież określić jedynie w zg l ę d n ą r ó wn o c z e s n o ś ć dwóch zdarzeń: to,

czy zdarzenia Z1 i Z2 są równoczesne, zależy od układu odniesienia. Ale

oznacza to także coś więcej: czas płynie inaczej w układzie „spoczywają-

cym” i „poruszającym się”. W poruszającym się układzie czas płynie wol-

niej. Efekt ten nazywa się d y l a t a c j ą c za s u. Jeżeli dwaj obserwatorzy A

i B posiadają dwa doskonale chodzące zegary i obserwator A wyruszy

w podróż kosmiczną, to z układu odniesienia, w którym B spoczywa, zegar

obserwatora A będzie chodził wolniej. Jednakże, ponieważ ruch jest względ-

ny, A może powiedzieć, że to on spoczywa, a B się porusza, zatem czas

w układzie odniesienia związanym z B płynie wolniej. Obydwa stwierdzenia

są prawdziwe: na tym właśnie polega względność czasu. To samo dotyczy

również przestrzeni. Nie można zdefiniować jednego czasu i jednej prze-

strzeni, uniwersalnych dla całego wszechświata, ale jedynie lokalne czasy

i przestrzenie zrelatywizowane do układów odniesienia. Współczesna fizyka

—————— 153 Por. A. K. Wróblewski, Przedmowa, [w:] A. Einstein, Teoria względności i inne eseje,

tłum. P. Amsterdamski, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997, s. 11.

Leibniz

81

uczy nas zatem, że obiektywną realność fizyczną można przypisać jedynie

czterowymiarowemu continuum czasoprzestrzennemu i mówienie o prze-

strzeni w oderwaniu od czasu nie ma żadnego fizycznego znaczenia. Ele-

mentami czterowymiarowej czasoprzestrzeni (zwanej czasoprzestrzenią

Minkowskiego) są zdarzenia Z, czyli punkty o współrzędnych Z (x, y, z, t),

gdzie x, y i z są współrzędnymi przestrzennymi zdarzenia, a t — czasem

(w danym układzie odniesienia).

Zapytajmy zatem, czy szczególna teoria względności jednoznacznie prze-

sądza argumentację na korzyść Leibniza? Otóż nie. Wprawdzie z perspek-

tywy teorii względności nie istnieje ani absolutny czas, ani absolutna prze-

strzeń, ale c za s o p r z e s t r ze ń j e s t a b s o l u t n a. I n t e r w a ł c z a s o -

p r z e s t r z e n n y, czyli odległość między dowolnymi dwoma zdarzeniami

w czasoprzestrzeni, nie zależy bowiem od układu odniesienia. Zatem

zamiast Newtonowskiej absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu mamy

absolutną czasoprzestrzeń. Absolutną jeszcze w takim sensie, że czasoprze-

strzeń szczególnej teorii względności jest w swoich własnościach zupełnie

niezależna od materii.

Ogólna teoria względności (1916) — Einsteina teoria grawitacji — jest

krokiem dalej w powiązaniu własności czasu, przestrzeni i materii. Pokazu-

je, że obecność materii modyfikuje strukturę czasoprzestrzeni (duże masy

„zakrzywiają” czasoprzestrzeń, czyli powodują, że jej geometria przestaje

być geometrią Euklidesa), a geometria czasoprzestrzeni determinuje ruch

ciał. W tym sensie czas, przestrzeń i materia są od siebie zależne. Na przy-

kład tempo upływu czasu zależy od wartości natężenia pola grawitacyjnego:

czas płynie wolniej w pobliżu dużych mas. Jeżeli jeden zegar umieścimy na

poziomie morza, drugi zaś — wysoko w górach, to zegar na poziomie morza

będzie chodził wolniej, ponieważ większe jest przyciąganie ziemskie. Efekty

te są mierzalne za pomocą bardzo precyzyjnych urządzeń i doskonale zga-

dzają się z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Podobnie niezwy-

kle dokładnie jest potwierdzone „zakrzywienie przestrzeni” w pobliżu du-

żych mas grawitacyjnych, czyli odstępstwa geometrii czasoprzestrzeni od

geometrii Euklidesa.

Niektórzy upatrywali w ogólnej teorii względności wręcz realizacji idei

Leibniza, odmawiającego przestrzeni niezależnego od materii istnienia. Za-

uważyć jednak trzeba, że równania ogólnej teorii względności posiadają

rozwiązania pozbawione materii, tzn. takie, w których może istnieć pusta

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

82

czasoprzestrzeń, co jednak — jak zauważa M. Heller — „jest wybitnie anty-

leibnizjańskim elementem teorii”154

.

Spór Newtona z Leibnizem nie stracił więc dzisiaj na aktualności. Rzecz

jasna, we współczesnych dyskusjach nikt nie powołuje się na racje, jakimi

kierował się Bóg w stworzeniu świata — nauki przyrodnicze i filozofia

uniezależniły się od teologii w stopniu, o jakim zapewne ani Leibniz, ani

Newton nawet nie śnili. Nadal jednak w filozofii nauki pozostają ważne

problemy, które spędzały sen z powiek tym myślicielom. Mają one nawet

znaczenie szersze niż tylko pytanie o ontologiczny status przestrzeni, czasu

i atomów (ściślej: cząstek elementarnych): „Czy świat da się zamknąć

w jednej formule matematycznej? Czy wszystkie wnioski empiryczne będą

wynikami rozwiązania tego jednego superrównania, czy też eksperyment na

zawsze będzie potrzebny jako dostarczyciel istotnie nowych informacji

o rzeczywistości”155

. Jest to pewna wersja sporu racjonalizmu (aprioryzmu)

z empiryzmem. Obydwa stanowiska — Newtona i Leibniza — znajdują

współcześnie swoich zwolenników w dyskusjach nad możliwością zbudo-

wania „teorii ostatecznej”.

—————— 154 M. Heller, Filozofia świata…, s. 93. 155 M. Tempczyk, Fizyka ruchu i czasoprzestrzeni, s. 95.

ROZDZIAŁ SIÓDMY

ATOMY I DOŚWIADCZENIE

Gdyby wykształconego obywatela starożytnej Grecji zapytać, czy można

zobaczyć atom, „to pewnie pokiwałby głową z politowaniem nad nieuctwem

pytającego, bo przecież atom to z »definicji« najmniejsza cząstka materii,

tak mała, że nie można jej zobaczyć”156

. Skąd zatem wiemy, że atomy na-

prawdę istnieją, że nie jest to jedynie wygodny sposób tłumaczenia zjawisk,

skoro atomów nie można bezpośrednio zaobserwować?157

—————— 156 J. A. Kozubowski, Jak odkrywano mikroświat, „Wiedza i Życie” 1998, nr 7, s. 36 A. 157 Ściślej rzecz biorąc, pogląd na to, czy atomy są realnie istniejącymi obiektami czy też

jedynie pewnymi konstruktami teoretycznymi umożliwiającymi uporządkowanie rezultatów

obserwacji zależy od przyjmowanego stanowiska w kwestii statusu poznawczego teorii na-

ukowych — r e a l i s t y c z n e g o bądź i n s t r u m e n t a l i s t y c z n e g o. R e a l i z m

e p i s t e m o l o g i c z n y należy odróżnić od r e a l i z m u m e t a f i z y c z n e g o, który

jest niezmiernie rzadko kwestionowany przez uczonych. Einstein realizm metafizyczny okre-

ślał jako wiarę w istnienie świata zewnętrznego, niezależnego od postrzegającej go świado-

mości i uznawał za podstawę wszystkich nauk przyrodniczych (A. Einstein, The World As

I See It, Covici Friede, New York 1934, s. 60). Natomiast za klasyczne przypadki epistemolo-

gicznych stanowisk realizmu i instrumentalizmu uznaje się często filozoficzne stanowiska

Einsteina i Bohra. Realiści, jak Einstein, utrzymują, że teorie naukowe opisują świat takim,

jaki jest w rzeczywistości (przynajmniej w przybliżeniu), oraz że terminy używane w teoriach

odnoszą się do rzeczywiście istniejących przedmiotów i własności. Instrumentaliści, jak Mach

czy Bohr, przeciwnie, uważają teorie naukowe jedynie za narzędzia albo instrumenty do

wiązania ze sobą danych empirycznych — wyników eksperymentów i obserwacji; wszystko,

czego można żądać od teorii naukowej, to spójność i empiryczna adekwatność. Nie wierzą oni

w ontologie implikowane przez teorie (por. F. Rohrich, Scientific Realism: A Challlenge to

Physicists, „Foundations of Physics” 1996, vol. 26, nr 4, s. 443). Zdaniem Bohra, celem nauki

nie jest dociekanie „realnej istoty zjawisk” (N. Bohr, Atomic Theory and the Description of

Nature, Cambridge University Press, Cambridge 1934, s. 118), ale „ustanowienie ilościowych

zależności między wynikami pomiarów” (N. Bohr, Fizyka atomowa i wiedza ludzka, tłum.

W. Staszewski, S. Szpikowski, A. Teske, PWN, Warszawa 1963, s. 105). Por. H. Eilstein,

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

84

Pośrednie dowody istnienia atomów związane są oczywiście z hipote-

tyczno-dedukcyjnym charakterem nauk przyrodniczych. Wysuwamy hipote-

zę, że atomy istnieją i mają takie a takie własności, wyprowadzamy stąd

dedukcyjnie wnioski dotyczące obserwowalnych własności świata i spraw-

dzamy je w doświadczeniu. Chociaż doświadczenie nigdy nie sprowadza się

po prostu do odczytania „nagich faktów”, zawsze jest obciążone teoretycznie

i zawodne, to jednak w fizyce jest podstawowym sposobem sprawdzania

teorii. Demokryt i inni atomiści opierali się, rzecz jasna, na danych doświad-

czalnych, przemawiających za atomistyczną budową materii. Były to jednak

dane bezpośredniego doświadczenia zmysłowego, w którym obserwujemy

przedmioty wprost gigantyczne w porównaniu z rozmiarami atomów. Czy

jednak mamy również nieco bardziej bezpośrednie dowody istnienia ato-

mów? Czy można zobaczyć choć „cienie” atomów?

Według współczesnego stanu wiedzy rozmiary atomów są rzędu 10–10

m,

a więc mniej więcej sto milionów razy mniejsze niż najdrobniejsze przed-

mioty, jakie możemy dostrzec gołym okiem. W celu zilustrowania tego sta-

nu rzeczy posłużę się poglądowym przykładem podanym przez Feynma-

na158

. Najlepsze mikroskopy optyczne dają powiększenie około 2000-krotne.

Kropla wody o średnicy pół centymetra miałaby w takim powiększeniu 10 m

średnicy. Spoglądając na tak powiększoną kroplę wody nie zobaczymy jesz-

cze atomów. Przy kolejnym powiększeniu o dalsze 2000 razy (oczywiście

nieosiągalnym za pomocą mikroskopów optycznych, musimy tu zdać się na

wyobraźnię) kropla wody miałaby 20 km średnicy i zaczęlibyśmy postrzegać

drobne nieregularności. Powiększając kroplę jeszcze 25 razy moglibyśmy

ledwie dostrzec cząsteczki wody — dwa atomy wodoru połączone z jednym

atomem tlenu. Jednak teraz powiększenie wynosi już sto milionów i kropla

wody ma około 500 km średnicy. Na obszarze Polski zmieściłyby się zaled-

wie cztery takie krople.

W nowożytnej fizyce hipoteza atomistyczna osiągnęła wiele wspaniałych

sukcesów w wyjaśnieniu zjawisk przyrody i sprowadzeniu najrozmaitszych

procesów do „atomów i próżni”.

—————— Uwagi w sporze realizmu naukowego z instrumentalizmem, [w:] E. Kałuszyńska (red.), Pod-

miot poznania z perspektywy nauki i filozofii, Wydawnictwo IFiS PAN, Warszawa 1998,

s. 147–164. 158 R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, t. 1, s. 22–23.

Atomy i doświadczenie

85

Pierwszym spektakularnym sukcesem atomizmu w nowożytnej fizyce,

a nawet — jak pisze Max von Laue — „pierwszą formą atomistyki fizycz-

nej”159

była k i n e t y c z n a t e o r i a g a z ó w i wynikająca z niej redukcja

termodynamiki fenomenalistycznej do fizyki statystycznej. Termodynamika

fenomenalistyczna opisuje układy fizyczne, posługując się takimi makro-

skopowymi, bezpośrednio mierzalnymi parametrami, jak ciśnienie, tempera-

tura i objętość i nie wnika w wewnętrzną budowę ciał. Spory o naturę ciepła

rozpoczęły się w starożytności i jeszcze w osiemnastym stuleciu fizycy nie

byli zgodni co do natury ciepła — czy polega ono na niedostrzegalnym ru-

chu cząstek materii, czy też na przepływie od jednego ciała do drugiego

specjalnej substancji, zwanej cieplikiem160

.

Teoria atomistyczna zapoczątkowana przez R. Boyle’a, a rozwinięta

przez J. C. Maxwella, Rudolfa Juliusa Emmanuela Clausiusa (1822–1888)

i Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844–1906) wyjaśniła, że ciepło nie jest

w istocie żadną substancją, ale p r o c e s e m, który polega na przekazywaniu

energii kinetycznej od jednego ciała do drugiego w wyniku wzajemnych

zderzeń między cząsteczkami tych ciał. „Kluczową cechą tych nowych po-

mysłów było zastosowanie praw mechaniki Newtona do bardzo dużej liczby

atomów lub cząsteczek i wytłumaczenie zachowania gazu statystycznie,

poprzez uśrednienie zachowania pojedynczych cząsteczek […]. Ta idea do-

prowadziła do matematycznego opisu procesów gazowych, nazwanego me-

chaniką statystyczną”161

.

Weźmy na przykład pod uwagę gaz zamknięty w naczyniu. Składa się on

z olbrzymiej liczby (rzędu 1023

) cząsteczek, które są w nieustannym, cha-

otycznym ruchu, ciągle zderzając się ze sobą i ze ściankami naczynia,

w którym się znajdują. Teoria atomistyczna pozwoliła zrozumieć, że tempe-

ratura gazu jest w jednoznaczny sposób związana ze średnią energią kine-

tyczną poruszających się cząsteczek. Im cząsteczki mają większą prędkość,

—————— 159 M. von Laue, Historia fizyki, tłum. A. Teske, PWN, Warszawa 1957, s. 152. 160 Historię różnych cieplików, fluidów i innych zapomnianych wytworów pracy fizyków

można znaleźć w książce A. K. Wróblewskiego, Prawda i mity w fizyce, Iskry, Warszawa

1987. Autor opisuje niezmiernie złożoną historię fizyki, w której nie brak błędnych teorii,

ślepych uliczek i kroków wstecz, i która z pewnością nie przypomina marszu do z góry okre-

ślonego celu. 161 J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera. Realizm w fizyce kwantowej, tłum.

J. Bieroń, Zysk i S-ka, Poznań 1997, s. 33.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

86

tym większa jest ich energia, a zatem i temperatura gazu. Podobnie, przez

ruch cząsteczek, można wyjaśnić ciśnienie gazu. Każda cząsteczka, zderza-

jąc się ze ścianką naczynia, przekazuje jej pewien pęd i energię, czyli —

obrazowo mówiąc — popycha ją. Takich drobnych pchnięć jest bardzo wiele

i one są odpowiedzialne za ciśnienie wywierane przez gaz na ścianki naczy-

nia. Wszystkie prawa termodynamiki fenomenalistycznej można wyprowa-

dzić, opierając się na założeniu, że obserwowalne własności ciał są spowo-

dowane ruchem atomów.

Boltzmann pokazał również, że sławną drugą zasadę termodynamiki —

zasadę wzrostu entropii — można wyjaśnić mikroskopowo. Przypomnę, że

druga zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie zamkniętym mogą

zachodzić jedynie takie procesy, w których entropia S nie maleje. (W proce-

sach odwracalnych entropia pozostaje stała, natomiast rośnie dla procesów

nieodwracalnych.) Mówiąc obrazowo, entropia jest miarą chaosu, nieupo-

rządkowania układu. Im układ jest bardziej uporządkowany, tym mniejszą

ma entropię, wzrost entropii odpowiada ewolucji układu w kierunku stanów

coraz mniej uporządkowanych. Druga zasada termodynamiki stwierdza za-

tem, że w przyrodzie, w układach zamkniętych, występuje określone ukie-

runkowanie zdarzeń w czasie — stany późniejsze charakteryzują się większą

entropią, czyli układy ewoluują od stanów uporządkowanych do coraz mniej

uporządkowanych. Stygnięcie gorącej kawy w filiżance, czyli wyrównywa-

nie się jej temperatury z temperaturą otoczenia, czy rozbicie się filiżanki,

która spadła ze stołu, są przykładami działania drugiej zasady termodynami-

ki. Nie obserwujemy natomiast procesów odwrotnych do wyżej opisanych.

Pojawia się jednak niezmiernie interesujące pytanie. Jeżeli, zgodnie z dy-

namiką Newtona, wszystkie procesy mechaniczne są odwracalne w czasie,

to dlaczego nie obserwujemy procesów takich jak na przykład wzrost tempe-

ratury kawy w niepodgrzewanym naczyniu?

Boltzmann powiązał entropię z prawdopodobieństwem. Wyobraźmy so-

bie naczynie zawierające gaz przegrodzone tak, że w chwili początkowej

wszystkie cząsteczki gazu znajdują się po jednej stronie przegrody. Mamy

zatem pewien stan uporządkowany. Gdy zrobimy w przegrodzie otwór, czą-

steczki gazu będą stopniowo przechodziły również do drugiej części naczy-

nia. „Mając »do wyboru« całe naczynie, jest mało prawdopodobne, aby

wszystkie zgromadziły się tylko w jednej jego połowie. Jest więc bardziej

prawdopodobne, że gaz rozprzestrzeni się z połowy na całe naczynie. Ina-

Atomy i doświadczenie

87

czej mówiąc, gdy zrobimy dziurkę, wówczas od stanu o mniejszym prawdo-

podobieństwie (cząsteczki tylko w jednej połowie naczynia) układ przejdzie

do stanu o większym prawdopodobieństwie (cząsteczki w całym naczyniu).

Entropia układu wzrośnie — zaobserwujemy więc przepływ gazu i wyrów-

nanie się ciśnienia w obu połówkach naczynia”162

.

Kolejnym ważnym empirycznym świadectwem przemawiającym za

istnieniem atomów było p r a w o s t o s u n k ó w w i e l o k r o t n y c h

sformułowane w 1805 roku przez Johna Daltona (1766–1844). Dalton po-

wszechnie uznawany jest za twórcę n o w o c z e s n e j a t o m i s t y k i. Pro-

wadząc badania chemiczne, zauważył on, że różne ilości jakiegoś pierwiast-

ka, które wiążą się z określonymi i zawsze takimi samymi ilościami innego

pierwiastka, mają się do siebie jak małe liczby całkowite. Na przykład

w różnych związkach azotu 10 g azotu wiąże się z 5,7; 11,4; 17,1; 22,8 albo

28,5 g tlenu, a ilości te mają się do siebie jak kolejne liczby całkowite:

1: 2: 3: 4: 5. To nasunęło Daltonowi myśl, że rzeczywiście wszystkie ciała

składają się z atomów. Poszczególne atomy pierwiastka chemicznego nie

różnią się swymi własnościami, podobnie jak cząsteczki w związku

chemicznym. Najdrobniejsze cząstki danego materiału powinny mieć jedna-

kową wielkość, kształt i masę. Dalton przypuszczał, że nie jest możliwe

stworzenie albo zniszczenie atomu, natomiast analizy chemiczne mogą do-

prowadzić jedynie do łączenia albo rozdzielania atomów.

Opierając się na teorii atomowej Daltona, włoski fizyk Amadeo Avogadro

(1776–1856) wprowadził w 1811 roku sławną hipotezę (zwaną dziś „hipotezą

Avogadro”), że w ustalonej temperaturze i pod stałym ciśnieniem jednakowe

ilości gazów zawierają tę samą liczbę cząsteczek: mol gazu pod ciśnieniem

jednej atmosfery i w temperaturze 0o C zawiera 6,02293 10

23 cząsteczek.

Avogadro ustalił również właściwy stosunek pierwiastków w niektórych

związkach chemicznych. Na przykład stwierdził on, że molekuła wody za-

wiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu, amoniak zaś zawiera jeden

atom azotu i trzy atomy wodoru163

.

W latach 1868–1871 Julius Lothar Meyer (1830–1895) i Dmitryj Iwano-

wicz Mendelejew (1834–1907) doszli niezależnie od siebie do prawidłowe-

—————— 162 A. Drzewiński, J. Wojtkiewicz, Opowieści z historii fizyki, Wyd. Naukowe PWN, War-

szawa 1995, s. 153–154. 163 Por. Struktura materii. Przewodnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa 1980, s. 13.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

88

go uporządkowania pierwiastków chemicznych, opierającego się na cięża-

rach atomowych i własnościach chemicznych. Powstał w ten sposób sławny

u k ł a d o k r e s o w y p i e r w i a s t k ó w. Okazało się, że każdy pierwia-

stek X można jednoznacznie sklasyfikować w tablicy Mendelejewa przez

przyporządkowanie mu dwóch liczb: XAZ , gdzie Z jest l i c z b ą p o r z ą d -

k o w ą, która jednoznacznie określa typ pierwiastka i jego własności che-

miczne, natomiast A jest l i c z b ą m a s o w ą. (Wiadomo obecnie, że pier-

wiastki mogą ponadto występować w postaci kilku czy nawet kilkudziesię-

ciu i z o t o p ó w, które różnią się ciężarem, a zatem i liczbą masową A, ale

mają takie same własności chemiczne164

.) Rosyjski uczony odkrył, że wła-

ściwości chemiczne pierwiastków zmieniają się regularnie, to znaczy powta-

rzają się cyklicznie. Mendelejew przewidział ponadto własności nieznanych

jeszcze wówczas pierwiastków — galu, skandu i germanu — mających za-

pełnić luki w układzie okresowym. Odkrycie tych pierwiastków i stwierdze-

nie, że ich własności bardzo dokładnie odpowiadają przewidywaniom Men-

delejewa, przekonało uczonych, że znaleziono ogólną prawidłowość doty-

czącą pierwiastków chemicznych165

.

Potwierdzenia teorii atomistycznej dostarczały także zjawiska niezwiąza-

ne bezpośrednio z chemicznymi własnościami substancji. W 1827 roku an-

gielski botanik Robert Brown (1773–1858) odkrył, że drobne cząsteczki

(np. pyłki roślin) zawieszone w cieczy lub w gazie wykazują niewielkie,

chaotyczne drgania, które można obserwować przez mikroskop o nawet

stosunkowo niewielkim powiększeniu. Obecnie nazywane są one r u c h a -

m i B r o w n a. Drgania te są tym silniejsze, im mniejsze są cząsteczki za-

wiesiny i im wyższa jest temperatura. Zjawisko to można wytłumaczyć tylko

wówczas, jeżeli przyjmie się, że cząsteczki zawiesiny są nieustannie bom-

bardowane przez cząsteczki cieczy, co oczywiście opiera się na założeniu

atomistycznej budowy materii. Teorię ruchów Browna na podstawie hipote-

zy atomistycznej podali (1905) niezależnie od siebie Albert Einstein i polski

fizyk Marian Smoluchowski (1872–1917). Sformułowanie tej teorii miało

przełomowe znaczenie w sporze o realność atomów.

—————— 164 Obecnie wiadomo, że Z określa liczbę elektronów i jednocześnie równą jej liczbę pro-

tonów w jądrze, A — liczbę nukleonów w jądrze, czyli sumę liczb protonów i neutronów. 165 Por. Struktura materii…, s. 18.

Atomy i doświadczenie

89

Rozwój fizyki jeszcze w XIX wieku zrodził jednak przypuszczenie, że

atomy, jeśli w ogóle istnieją, mogą jednak nie być obiektami pozbawionymi

struktury wewnętrznej. Zaobserwowanie d y s k r e t n y c h l i n i i w i d -

m o w y c h sugerowało, że są one w jakiś sposób związane z wewnętrzną

budową atomów. Tak przynajmniej rzecz się przedstawia, gdy przyglądamy

się historii fizyki z perspektywy czasu — dla fizyków XIX wieku wniosek

ten nie był bynajmniej oczywisty.

Pierwszego rozszczepienia światła dokonał Newton w 1666 roku. Prze-

puszczając światło słoneczne przez mały otwór w zasłonie okiennej, a na-

stępnie przez pryzmat, zaobserwował barwne w i d m o s ł o n e c z n e, coś,

co wyglądało mniej więcej jak mały fragment tęczy166

. W 1802 roku Wil-

liam Hyde Wollaston (1766–1828) dokonał pierwszych obserwacji ciem-

nych linii w widmie słonecznym. W 1814 roku Joseph von Fraunhofer

(1787–1826), umieszczając za pryzmatem mały teleskop, zbudował tym

samym pierwszy spektrometr i zauważył w widmie słonecznym kilkaset

ciemnych prążków występujących w obszarach różnych barw167

. W 1834

roku William Henry Fox Talbot (1800–1877) wpadł na pomysł rozróżniania

substancji chemicznych na podstawie ich widma168

. W 1859 roku Gustav

Robert Kirchhoff (1824–1887) i Robert Bunsen (1811–1899) podali wyja-

śnienie pochodzenia ciemnych linii w widmie słonecznym jako rezultat ab-

sorpcji światła o określonej barwie przez różne pierwiastki.

Okazało się, że na podstawie analizy widm można wnosić o składzie

chemicznym bardzo odległych źródeł światła. Można wnioskować na przy-

kład o składzie atmosfery Słońca: Jeśli w płomieniu świecy, do którego

wprowadzono zwykłą sól, występują jasne linie, które zbiegają się z ciem-

nymi liniami w widmie Słońca, to można stąd wnioskować, że w atmosferze

Słońca znajduje się sód, który absorbuje światło o tych długościach fal pod-

czas przejścia światła przez atmosferę słoneczną. Dalsze badania doprowa-

—————— 166 Przypomnę, że według Newtona światło polega na ruchu bardzo drobnych cząstek, na-

zywanych przez niego k o r p u s k u ł a m i. W danym ośrodku korpuskuły mają określoną

prędkość i pęd. Zjawiska odbicia światła na granicy dwóch ośrodków Newton tłumaczył

podobnie jak odbicie sprężystych kul. Załamanie światła jest natomiast spowodowane zmianą

prędkości korpuskuł przy przejściu od jednego ośrodka do drugiego. 167 Por. L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 493. 168 Por. M. Rival, Wielkie eksperymenty naukowe, tłum. K. Pruski, Cykady, Warszawa

1997, s. 96–100.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

90

dziły do rozróżnienia widma emisyjnego i absorpcyjnego oraz sformułowa-

nia praw spektroskopii Kirchhoffa:

1. Każdemu pierwiastkowi odpowiada charakterystyczne widmo.

2. Każdy pierwiastek zdolny jest absorbować promieniowanie, które

może emitować.

Rozgrzany pierwiastek emituje więc światło o ściśle określonych liniach

widmowych, chłodny natomiast — absorbuje dokładnie te same barwy. Ba-

dając widmo, można określić skład chemiczny dowolnej mieszaniny. Był to

na dobrą sprawę początek nowej nauki — astrofizyki.

W 1885 roku Johann Jakob Balmer (1825–1989) podał prosty empirycz-

ny (tzn. niepodbudowany właściwie żadną teorią) wzór opisujący linie

wodoru, który z nadzwyczajną dokładnością odpowiadał obserwowanym

liniom169

. Długość fali linii widmowej dana jest wyrażeniem:

42

2

n

nb ,

gdzie b = 3645,6 jest tzw. stałą Balmera, n = 3, 4, 5, …

Powstaje naturalnie pytanie, dlaczego każdy pierwiastek ma charaktery-

styczne widmo, na podstawie którego może być jednoznacznie zidentyfiko-

wany? Widma atomowe bowiem są dla pierwiastków niczym linie papilarne

dla ludzi. Istnienie wewnętrznej struktury atomu mogły sugerować dwa ko-

lejne wielkie odkrycia — promienie Röntgena i radioaktywność. Badanie

tych zjawisk doprowadziło na początku XX wieku do przewrotu w poglą-

dach na atomistyczną budowę materii i odkrycia, że same atomy nie są naj-

mniejszymi, niepodzielnymi cząstkami materii, ale obiektami złożonymi

z bardziej podstawowych składników. Co prawda już w pierwszej połowie

XIX wieku angielski lekarz William Prout (1785–1850) wysunął hipotezę,

że wszystkie atomy pierwiastków chemicznych zbudowane są z najlżejszego

z nich — wodoru, lecz hipoteza ta nie znalazła wielu zwolenników wśród

współczesnych mu uczonych170

.

—————— 169 L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 496. 170 Por. A. A. Czerwiński, Energia jądrowa i promieniotwórczość, Oficyna Edukacyjna

Krzysztof Pazdro, Warszawa 1998, s. 7.

Atomy i doświadczenie

91

Promienie X zostały odkryte w 1895 roku przez Wilhelma Conrada

Röntgena (1845–1923)171

. Prowadząc badania nad wyładowaniami w ga-

zach, stwierdził on występowanie nieznanego dotąd, niezwykle przenikliwe-

go promieniowania. W tym czasie fizycy znali już dość dobrze własności

promieniowania pojawiającego się podczas wyładowań w gazach, które

zwano p r o m i e n i a m i k a t o d o w y m i. (Ich własności zostaną opisane

w następnym rozdziale.) Röntgen wiedział, że promienie katodowe przeni-

kają powietrze na odległość rzędu kilku centymetrów. Był więc wielce

zdziwiony, gdy zaobserwował migocący obraz w tak znacznej odległości od

rury do wyładowań, iż „nie ulegało wątpliwości, że nie mógł zostać wytwo-

rzony przez promienie katodowe, chociaż pojawiał się tylko w ich obecno-

ści”172

. Röntgen stwierdził, że promieniowanie to rozchodzi się po liniach

prostych, nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym ani magnetycznym (jest

zatem pozbawione ładunku elektrycznego), wywołuje fluorescencję, czyli

świecenie pewnych substancji, i z łatwością przechodzi przez różne materia-

ły nieprzezroczyste nawet dla silnego światła widzialnego, pozostawiając na

kliszy fotograficznej bardzo wyraźny ślad. Röntgen pierwszy wykonał obraz

kości ludzkiej ręki, a jego odkrycie wywołało niezwykłe wprost zaintereso-

wanie społeczeństwa i natychmiast dostrzeżono jego potencjał diagnostycz-

ny — m.in. umożliwienie badań wnętrza ciała ludzkiego bez ingerencji

chirurgicznej. Już po trzech tygodniach promienie Röntgena zaczęto wyko-

rzystywać praktycznie173

.

Antoine Henri Becquerel (1852–1908) w 1896 roku odkrył zjawisko

promieniotwórczości. Badając sole uranu stwierdził występowanie niezna-

nego dotąd, niewidzialnego promieniowania, którego własności przypomina-

ły niektóre własności promieni Röntgena. Becquerel początkowo sądził —

—————— 171 Opis historii odkrycia Röntgena por. G. Farmelo, Odkrycie promieni X, „Świat Nauki”

1996, nr 1, s. 70–75. 172 Ibidem, s. 70. Obecnie wiadomo, że promienie X stanowią rodzaj promieniowania

elektromagnetycznego, różniącego się od światła widzialnego znacznie mniejszą długością

fali. 173 Najbardziej osobliwym pomysłem wykorzystania promieni X był prawdopodobnie

pomysł zastosowania ich do rzutowania diagramów anatomicznych bezpośrednio do mózgów

studentów, aby stworzyć znacznie trwalszy od konwencjonalnego system zapamiętywania

szczegółów anatomii. (G. Farmelo, Odkrycie promieni X, s. 70 B.) Niektórzy przedsiębiorcy

natomiast oferowali paniom specjalną bieliznę odporną na działanie promieni X.

Atomizm i filozofia mechanicyzmu

92

zgodnie z hipotezą sformułowaną przez Henriego Poincarégo — że emisja

promieni X przez pewne minerały ma związek ze zjawiskiem fosforescencji,

czyli opóźnionym wysyłaniem promieniowania po uprzednim naświetleniu

danej substancji174

. Do swoich doświadczeń użył Becquerel siarczanu urany-

lowo-potasowego z bogatej kolekcji minerałów należącej do jego ojca, który

był również profesorem fizyki. Ponieważ w dniach, w których rozpoczął

swoje doświadczenia, słońce świeciło tylko chwilami, schował klisze foto-

graficzne razem z kryształami soli uranu do szuflady. Następnych kilka dni

było również pochmurnych, pomimo to Becquerel postanowił wywołać kli-

sze, spodziewając się, że znajdzie na nich jedynie bardzo słabe obrazy. Wy-

wołane klisze ukazały jednak bardzo wyraźne kontury pozostawionych na

nich minerałów, co było dowodem na to, że siarczan uranylowo-

-potasowy wywołuje zaczernienie klisz fotograficznych również bez uprzed-

niego naświetlenia, co znaczy, że mamy do czynienia z nowym, nieznanym

uprzednio zjawiskiem.

Kontynuując badania nad zjawiskiem promieniotwórczości, Pierre Curie

(1859–1906) i Maria Skłodowska-Curie (1867–1934) stwierdzili występo-

wanie radioaktywności w przypadku toru i odkryli nowe pierwiastki rad

i polon (1898) o milion razy silniejszym promieniowaniu. Zjawisko samo-

istnego emitowania promieniowania przez pewne substancje Maria Skłodo-

wska-Curie nazwała właśnie p r o m i e n i o t w ó r c z o ś c i ą175

. Później

Ernest Rutherford (1897) wyodrębnił w promieniowaniu radu dwie różne

składowe, które nazwał i 176

.

Odkrycie przemian promieniotwórczych sugerowało, że atomy nie są

rzeczywiście niepodzielne i niezniszczalne, jak sądzili Demokryt, Epikur,

Lukrecjusz, Newton i wszyscy pozostali atomiści, ale że mają jakąś głębszą,

wewnętrzną strukturę. W związku z tym pozostaje szereg doniosłych teore-

tycznie pytań: Czym jest promieniowanie emitowane przez pewne substan-

cje i w jaki sposób powstaje? Jakie mechanizmy są odpowiedzialne za połą-

—————— 174 Por. A. K. Wróblewski, Promieniotwórczość odkrywana na raty, „Wiedza i Życie”

1998, nr 4, s. 16–22. Obserwacje Becquerela dotyczyły, jak wiemy dzisiaj, skutków wywoły-

wanych przez szybkie elektrony. 175 Por. A. A. Czerwiński, Energia jądrowa…, s. 11. 176 Bardziej szczegółowe informacje na temat odkryć związanych ze zjawiskiem promie-

niotwórczości por. M. von Laue, Historia fizyki, s. 170–175.

Atomy i doświadczenie

93

czenia atomów w związkach chemicznych? Skąd bierze się regularność

w okresowym układzie pierwiastków odkryta przez Mendelejewa? Na czym

polegają zjawiska elektryczne? Skąd biorą się dyskretne linie widmowe?

Rozwój fizyki przyniósł odpowiedzi na postawione wyżej pytania, spo-

wodował jednak głębokie przemiany w naszym rozumieniu atomistycznej

budowy materii. „Ostatecznie jednak, właśnie w pogoni za tym starym

i nieuchwytnym pojęciem (atomem) świat stworzony przez Newtona i Kar-

tezjusza, świat Demokryta, Epikura, Lukrecjusza i Gassendiego osiągnął

kres swej użyteczności”177

.

—————— 177 L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 499.

CZĘŚĆ TRZECIA

FIZYKA ATOMOWA

I CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

Rzeczy mogą być realne, choć bardzo różne

od tych rzeczy, które znamy.

Max Born

ROZDZIAŁ ÓSMY

ATOM THOMSONA

W 1897 roku Joseph John Thomson (1856–1940) odkrył e l e k t r o n.

Odkrycie to zapoczątkowało zupełnie nowy etap w badaniu atomistycznej

struktury materii i przekonało uczonych, że atomy nie są absolutnie elemen-

tarnymi, pozbawionymi struktury wewnętrznej składnikami materii. W re-

zultacie, obok pytań o to, w jaki sposób materia zbudowana jest z ato-

mów, powstają naturalnie pytania o charakterze bardziej podstawowym:

J a k z b u d o w a n e s ą s a m e a t o m y ?

Odkrycie Thomsona zapoczątkowało fizykę atomową. Z badań nad ato-

mową strukturą materii zrodziła się mechanika kwantowa, która jest obecnie

uznawana za jedną z dwóch (obok teorii względności Einsteina) podstawo-

wych teorii w fizyce.

Przekonanie o istnieniu elektronu torowało sobie jednak drogę w fizyce

przez blisko pięćdziesiąt lat i związane było zarówno z badaniami procesów

elektrolizy, zjawisk elektromagnetycznych, jak i z badaniami nad wyłado-

waniami elektrycznymi w rozrzedzonych gazach.

Już ilościowe prawo elektrolizy, sformułowane przez angielskiego fizyka

i chemika Michaela Faradaya (1791–1867) stwierdzające, że masa substancji

wydzielonej na elektrodzie podczas przepływu prądu elektrycznego przez

elektrolity jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego przenoszonego

między elektrodami, sugerowało myśl o ziarnistej naturze elektryczności178

.

W 1874 roku irlandzki fizyk George Jonstone Stoney (1826–1911) podjął

próby oszacowania wartości ładunku elementarnego, a sam termin „elek-

tron” wprowadził — właśnie jako nazwę dla jednostkowego ładunku prze-

noszonego w procesach elektrochemicznych — w 1891 roku. Hipotezę ziar-

—————— 178 Bardziej szczegółowy opis historii odkrycia elektronu por. A. K. Wróblewski, Długie

narodziny elektronu, „Wiedza i Życie” 1998, nr 5, s. 36–42.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

98

nistej natury elektryczności Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz

(1821–1894) przedstawił na wykładzie dotyczącym praw elektrolizy Fara-

daya, wygłoszonym w Londynie w 1881 roku. „Sława Helmholtza sprawiła,

że treść jego wykładu była powszechnie znana i często cytowana, a w litera-

turze niemieckiej wartość ładunku elementarnego nazywano nawet »elemen-

tarnym kwantem Helmholtza«”179

.

Koncepcję wprowadzenia dyskretnej struktury elektryczności do równań

elektrodynamiki Maxwella zaproponował w 1892 roku holenderski fizyk

Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928) i na tej podstawie zinterpretował od-

kryte w 1896 roku przez swojego rodaka Petera Zeemana (1865–1943) zja-

wisko rozszczepienia w silnym polu magnetycznym linii widmowych pobu-

dzonych do świecenia gazów. Jednak przeprowadzone pomiary stosunku

ładunku do masy „elementarnych jednostek elektryczności” dawały inne

rezultaty niż pomiary dla zjawisk elektrolizy, zatem nie widać było dosta-

tecznych powodów do utożsamienia „elektronów Lorenza” z „elektronami

Stoneya i Helmholtza”180

.

Od połowy XIX wieku prowadzono również, na stosunkowo szeroką ska-

lę, badania nad wyładowaniami elektrycznymi w rozrzedzonych gazach.

Typowy przyrząd do badania tego typu zjawisk stanowi szczelnie zamknięta

szklana rura z wtopionymi w nią elektrodami: podłączoną do ujemnego bie-

guna źródła napięcia k a t o d ą i połączoną z biegunem dodatnim a n o d ą

(por. rys. 4). Rura może być napełniona rozrzedzonym powietrzem albo

jakimś innym gazem, np. neonem czy argonem. Podłączając do rury pompę

próżniową, możemy obniżać panujące w niej ciśnienie gazu.

Po przyłożeniu do elektrod napięcia obserwujemy świecenie gazu w ru-

rze. Przy obniżaniu ciśnienia pojawiają się różne efekty: Dla rury wypełnio-

nej powietrzem jasna iskra stopniowo przechodzi w równomiernie wypełnia-

jące rurę świecenie o zabarwieniu purpurowym. W przypadku neonu świe-

cenie ma zabarwienie czerwone, znane z wielu reklam świetlnych, dla argo-

nu — niebieskie. Dla jeszcze niższych ciśnień świecący obszar zmienia swą

strukturę i pojawiają się jasne i ciemne strefy. Dla bardzo niskich

ciśnień samo szkło w części rury położonej naprzeciwko katody zaczyna

—————— 179 Ibidem, s. 36. 180 Obliczenia Lorenza stosunku ładunku do masy zgadzały się jednak z późniejszymi ob-

liczeniami Thomsona.

Atom Thomsona

99

świecić zielonkawym światłem. Zjawisko to nazywa się fluorescencją i zo-

stało po raz pierwszy zaobserwowane Faradaya w 1838 roku. Julius Plücker

(1801–1868) zaś wykazał w 1858 roku, że świecąca wiązka odchyla się pod

wpływem działania pola magnetycznego.

Można więc było przypuszczać, że świecenie szkła naprzeciwko katody

spowodowane jest tym, iż emitowane są z niej pewnego rodzaju promienie.

Nazwano je p r o m i e n i a m i k a t o d o w y m i181

. Zostały po raz pierwszy

opisane w 1867 roku przez niemieckiego fizyka Johanna Hittorfa

(1824–1914) jako Glimmstrahlen (promienie świecące), a sama nazwa

„promienie katodowe” została wprowadzona przez niemieckiego fizyka

Eugene Goldsteina (1850–1930) w 1876 roku182

. Badania prowadzone

w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia przez brytyjskiego fizyka

Williama Crookesa (1832–1919) przekonały uczonych, że promienie kato-

dowe rozchodzą się po liniach prostych oraz niosą pęd i energię.

Rysunek 4. Schemat przyrządu do badania wyładowań w gazach. W szklanej, szczel-

nej rurze znajduje się rozrzedzony gaz. Wyładowania elektryczne zachodzą między

dwiema elektrodami: katodą i anodą, do których przyłożona jest duża różnica poten-

cjałów (napięcie).

Jeśli bowiem między elektrodami ustawimy przesłonę, świecenie szkła

częściowo znika i naprzeciwko katody widoczny jest cień o kształcie do-

—————— 181 Opis historii badań nad promieniami katodowymi por. J. A. Kozubowski, Mała wielka

cząstka, „Wiedza i Życie” 1998, nr 2, s. 36–41. 182 A. K. Wróblewski, Promieniotwórczość odkrywana na raty, „Wiedza i Życie” 1998,

nr 4, s. 17.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

100

kładnie odpowiadającym kształtowi przesłony. Obserwacja ostrego cienia na

ekranie upoważnia zatem do wniosku, że promienie katodowe rozchodzą się

po liniach prostych. Z kolei umieszczenie w pobliżu rury magnesu umożli-

wia obserwację odchylenia promieni w polu magnetycznym. Wiadomo, że

kierunek odchylenia zależy od znaku ładunku — dodatnio naładowane ciała

odchylane są w przeciwnym kierunku niż ciała naładowane ujemnie. Jeśli

natomiast wewnątrz rury do wyładowań umieścić na drodze promieni kato-

dowych mały wiatraczek, to zaczyna się on obracać, gdy padają na niego

promienie katodowe, co jest dowodem na to, że następuje przekaz pędu. Gdy

zaś zastosujemy katodę w kształcie czaszy kulistej, która ogniskuje promie-

nie w środku rury i umieścimy tam cienką blaszkę, po przyłożeniu wysokie-

go napięcia blaszka rozżarza się do białości, co dowodzi, że promienie kato-

dowe przekazują znaczną energię.

Powstaje oczywiście pytanie, jaka jest natura promieni katodowych? Czy

(jak wówczas uważali fizycy niemieccy) są one pewnego rodzaju f a l a m i

i — podobnie jak fale świetlne — rozchodzą się w eterze183

, czy też (jak na

ogół sądzili fizycy angielscy) są to c z ą s t k i materii niosące ujemny ładu-

nek elektryczny?

Cromwell Fleetwood Varley (1828–1883) — jeden z badaczy promieni

katodowych — w 1871 roku wysunął przypuszczenie, że promienie wyrzu-

cane z katody mają charakter naładowanych korpuskuł. Jean-Baptiste Perrin

(1870–1942) wykazał w 1895 roku, że promienie katodowe mają ładunek

ujemny, a więc że są cząstkami. Korpuskularną hipotezę promieni katodo-

wych podtrzymywał Crookes, a najwyraźniej sformułował ją w 1897 roku

Emil Wiechert (1861–1918), który również wykonał pomiary stosunku ła-

dunku do masy. Pomiarów stosunku ładunku do masy dokonał także w 1897

roku Walter Kaufmann (1861–1947), ale promieni katodowych nie zinter-

pretował jako strumienia cząstek.

Przeciwko korpuskularnej teorii promieni katodowych wydawały się

świadczyć wykonane w 1883 roku doświadczenia Heinricha Hertza

(1857–1894), w których nie udało mu się stwierdzić ich odchylenia przez

pole elektryczne, oraz doświadczenia Philipa Eduarda Antona Lenarda

—————— 183 Pamiętajmy, że przed ogłoszeniem przez Einsteina szczególnej teorii względności

w 1905 roku pogląd, iż promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w specjalnym

ośrodku przenikającym wszystkie ciała — eterze, był powszechnie akceptowany.

Atom Thomsona

101

(1862–1947) i nieco późniejsze (1892) doświadczenia Hertza, w których

stwierdzono, że promienie katodowe mogą również przenikać przez bardzo

cienkie folie metalowe. Wydawało się bowiem, że materia nie może być

przenikliwa dla cząstek materialnych.

Thomson (1897) zmierzył stosunek ładunku do masy (e/m) dla promieni

katodowych i zinterpretował je jako strumień cząstek. Prowadząc wyłado-

wania przy użyciu różnych gazów, wykazał, że zmierzona wartość e/m dla

promieni katodowych nie zależy ani od rodzaju gazu wypełniającego rurę do

wyładowań, ani też od materiału, z jakiego wykonana była katoda. Sformu-

łował więc śmiałe przypuszczenie, że mamy do czynienia z nowo odkrytymi

cząstkami, które są s k ł a d n i k a m i w s z y s t k i c h a t o m ó w.

„Ponieważ — pisał — promienie katodowe niosą ładunki ujemnej elek-

tryczności, są odchylane przez siłę elektrostatyczną, tak jakby były ujemnie

naelektryzowane i siła magnetyczna działa na nie w taki sam sposób, w jaki

działałaby na ujemnie naładowane ciało poruszające się wzdłuż drogi tych

promieni, nie widzę sposobu uniknięcia konkluzji, że są one ładunkami

ujemnej elektryczności niesionymi przez cząstki materii. Powstaje więc na-

stępujące pytanie: Czym są te cząstki? Czy są one atomami, molekułami lub

materią w stanie jeszcze drobniejszego podziału? Aby rzucić światło na tę

kwestię, wykonałem szereg pomiarów stosunku masy tych cząstek do nie-

sionego przez nie ładunku”184

.

Wyjaśnijmy nieco dokładniej, na czym polegały pomiary Thomsona.

Schemat aparatury Thomsona przedstawia rysunek 5. Podstawę stanowi

szklana, szczelnie zamknięta rura do wyładowań, w której znajduje się gaz

pod niskim ciśnieniem. Wtopione są w nią elektrody: katoda (–) i anoda (+).

Dalej znajduje się przesłona umożliwiająca zogniskowanie promieni kato-

dowych w wąską wiązkę; kondensator, między okładkami którego istnieje

pole elektryczne E (skierowane pionowo do góry w płaszczyźnie rysunku);

magnes, wytwarzający pole magnetyczne B (skierowane w stronę czytelnika

i prostopadle do płaszczyzny rysunku), oraz ekran pokryty odpowiednim

materiałem (np. siarczkiem cynku ZnS), który świeci pod wpływem padają-

cych na niego promieni katodowych. Rura do wyładowań Thomsona, po

wielu udoskonaleniach technicznych, stała się niezwykle ważnym elemen-

—————— 184 Cyt. za: L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 502.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

102

tem współczesnej elektroniki — na tej zasadzie działają wszystkie kineskopy

w telewizorach i monitorach komputerowych.

Rysunek 5. Schemat aparatury J. J. Thomsona do pomiaru odchylenia promieni kato-

dowych w polu elektrycznym i magnetycznym.

Ponieważ promienie katodowe rozchodzą się prostoliniowo, to w wy-

padku gdy pole elektryczne E i pole magnetyczne B są wyłączone, obser-

wujemy świecenie ekranu E w miejscu znajdującym się dokładnie naprze-

ciwko katody. Thomson, przykładając pole elektryczne lub magnetyczne

(obydwa prostopadle do biegu promieni i prostopadle do siebie), mógł

odchylać tor promieni katodowych i obserwować zmianę położenia plamki

światła na końcu rury.

Na ładunek q umieszczony w polu elektrycznym o natężeniu E działa siła

elektryczna o wartości Fe = qE. W doświadczeniu Thomsona pole elektrycz-

ne znajduje się między okładkami kondensatora. Ponieważ ładunki promieni

katodowych są ujemne, siła elektryczna powoduje odchylenie cząstek

w kierunku przeciwnym do linii sił pola (w dół w płaszczyźnie rysunku).

Siła magnetyczna o wartości Fm = qvB działa natomiast prostopadle do kie-

runku prędkości cząstek v i prostopadle do kierunku pola magnetycznego B

(zatem w górę w płaszczyźnie rysunku). Pod jej wpływem cząstki poruszają

się w polu magnetycznym po okręgu, którego promień można obliczyć

Atom Thomsona

103

w elementarnych rachunkach185

. Po wyjściu z pola cząstki poruszają się

dalej po liniach prostych. Wykonując proste obliczenia, można otrzymać

wzory na odchylenie elektronów w polu elektrycznym i magnetycznym.

Dobierając natomiast odpowiednio wartości natężenia pola elektrycznego E

i indukcji magnetycznej B, można spowodować, że siły elektryczna i magne-

tyczna równoważą się i świecąca plamka na końcu rury (powstająca dokład-

nie w tym miejscu, na które padają promienie katodowe) pozostaje nieod-

chylona. Stąd można wyznaczyć stosunek ładunku do masy dla promieni

katodowych. Według współczesnych pomiarów wynosi on (w przybliżeniu):

q/m = 1,76 1011

C kg.

Nieco później (1909) amerykański fizyk Robert Andrews Millikan

(1868–1953) wyznaczył doświadczalnie bezwzględne wartości ładunku

i masy elektronu. Użył w tym celu rozpylonego oleju, którego bardzo

drobne kropelki ładowały się elektrycznie podczas rozpylania między płyt-

kami kondensatora o dużym natężeniu pola elektrycznego. Włączanie

i wyłączanie pola elektrycznego powodowało, że kropelki oleju między

okładkami kondensatora unosiły się lub opadały. Pomiar prędkości ruchu

tych kropli pozwalał na obliczenie ładunku elektrycznego znajdującego się

na każdej z nich. Stanowił on zawsze całkowitą wielokrotność ładunku

elementarnego186

.

Ładunek elektronu e i masa spoczynkowa elektronu me są współcześnie

uznawane za podstawowe stałe fizyczne. Wartości ich wynoszą odpowied-

nio: e = 1,6 10– 19

C; m e = 9,1 10– 31

kg. Niezmiernie ważny jest empi-

ryczny fakt, że ładunek elektryczny elektronu jest najmniejszą wartością

ładunku obserwowaną w przyrodzie. Z tego właśnie względu określa się go

mianem ł a d u n k u e l e m e n t a r n e g o. Ładunki elektryczne wszystkich

ciał naładowanych są zawsze c a ł k o w i t ą w i e l o k r o t n o ś c i ą ł a -

d u n k u e l e k t r o n u187

.

—————— 185 Odpowiednie obliczenia por. np. H. A. Enge, M. R. Wehr, J. A. Richards, Wstęp do fi-

zyki atomowej, tłum. A. Kopystyńska, K. Ernst, PWN, Warszawa 1983, s. 43–47. 186 Por. Struktura materii…, s. 26. 187 Teoria kwarków, o której będzie mowa w ostatnim rozdziale tej książki, przypisuje

kwarkom ułamkowe wartości ładunku elektrycznego. Nie zmienia to jednak faktu, że jak

dotąd nigdy nie zaobserwowano swobodnych kwarków, a zatem nie zaobserwowano cząstek

elementarnych o ułamkowym ładunku elektrycznym.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

104

Odkrycie cząstki elementarnej, drobniejszej niż atom, było pierwszym

e m p i r y c z n y m dowodem na to, że atomy nie są absolutnie elementar-

nymi składnikami materii, pozbawionymi wewnętrznej struktury.

W 1902 roku William Thomson, Lord Kelvin188

(1824–1907) zapropo-

nował model atomu zwany „modelem ciasta z rodzynkami”. W modelu

tym ładunek dodatni był rozmieszczony równomiernie w mniej więcej

kulistym obszarze o promieniu rzędu 10–10

m, a wewnątrz niego, jak ro-

dzynki w cieście, osadzone były ujemnie naładowane elektrony. Ponieważ

atom jako całość jest elektrycznie obojętny, ładunek dodatni związany

z kulą materii musi być równy sumie ujemnych ładunków elektrycznych

elektronów.

Rysunek 6. Model atomu Thomsona (1902) — „ciasto z rodzynkami”. W dodatnio na-

ładowanej, kulistej kropli materii o promieniu rzędu 10–10 m tkwią ujemnie nałado-

wane elektrony. Atom jako całość jest elektrycznie obojętny.

Ponieważ, zgodnie z klasyczną teorią elektromagnetyzmu Maxwella,

drgające ładunki elektryczne powinny emitować światło, w stanie równowa-

gi dodatnio naładowana materia i elektrony znajdują się w atomie przypusz-

—————— 188 Ponieważ sławnych fizyków o nazwisku Thomson było kilku, podkreślić trzeba, że

chodzi tu nie o sir Josepha Johna Thomsona, odkrywcę elektronu, ale o Williama Thomsona,

lorda Kelvin. Ciekawe, że J. J. Thomson otrzymał nagrodę Nobla z fizyki za udowodnienie,

że elektrony są cząstkami, a nieco później jego syn George Paget Thomson (1892–1975) za

udowodnienie falowej natury elektronów (por. J. A. Kozubowski, Mała wielka cząstka, s. 40).

Obecnie mówi się o „dualizmie korpuskularno-falowym”, będącym fundamentalną własno-

ścią mikroobiektów. Zagadnienie to omawiam w części książki poświęconej mechanice kwan-

towej.

Atom Thomsona

105

czalnie w spoczynku. Świecenie różnych substancji mogłoby być spowodo-

wane zaburzeniem atomu i wprawieniem w ruch drgający elektronów. Ideę

tę rozwinął J. J. Thomson, który w ten sposób miał nadzieję wyjaśnić po-

chodzenie dyskretnych linii widmowych i budowę układu okresowego pier-

wiastków. „Wyraził on przypuszczenie, że być może stabilne konfiguracje

elektrycznej materii dawały w wyniku nieczynne chemicznie pierwiastki

(takie jak gazy szlachetne), podczas gdy inne, mniej stabilne konfiguracje

elektrycznej materii tworzyłyby bardziej aktywne pierwiastki. […] Gdyby

zaburzyć taki atom (np. w wysokiej temperaturze płomienia), należało przy-

puszczać, że to właśnie elektrony, ponieważ były lekkie, zaczęłyby drgać,

podczas gdy ciężki dodatni materiał pozostawałby w spoczynku. Te drgania

mogłyby być źródłem obserwowalnych linii spektralnych. Inne rozmiesz-

czenie elektronów w każdym atomie tworzyłoby charakterystyczną sygnatu-

rę atomu — jego własne linie spektralne”189

.

Oszacowania rozmiarów kuli dodatnio naładowanej materii podał Thom-

son na podstawie analiz długości fal z widzialnego zakresu widma promie-

niowania emitowanego przez rozgrzane substancje. Według obliczeń powin-

na mieć promień rzędu 10–10

m. Wynik ten znakomicie się zgadzał z ocenami

rozmiarów atomu na podstawie teorii kinetycznej. Thomson doszedł również

do wniosku, że ładunek dodatni stanowi większą część masy atomu, nato-

miast ujemnie naładowane elektrony mają bardzo małą masę — rzędu jednej

dwutysięcznej masy atomu wodoru.

Jednak liczba elektronów znajdujących się w różnych atomach była jesz-

cze zupełnie nieznana. „Jeszcze w 1911 roku można było spotkać się z po-

glądem, że atom wodoru liczy osiem elektronów. Nawet pojawienie się ją-

drowego modelu atomu, opracowanego przez Ernesta Rutherforda, nie roz-

wiązało do końca sprawy, ponieważ nie było metody dokładnego wyznacze-

nia ładunku jądra”190

. Bez odpowiedzi pozostało również szereg innych py-

tań: Od czego zależy liczba elektronów? W jaki sposób elektrony są ułożone

w atomie? W jaki sposób oddziałują ze sobą i z ładunkiem dodatnim? Jakie

właściwości atomu tłumaczą okresowość pierwiastków i naturę wiązań che-

micznych? Dlaczego każdy pierwiastek posiada charakterystyczne dla siebie

linie spektralne?

—————— 189 L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 506. 190 A. K. Wróblewski, Długie narodziny elektronu, s. 42.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

106

Już wkrótce okazało się, że pojawienie się nowych technik eksperymen-

talnych umożliwia odpowiedź przynajmniej na niektóre z powyższych pytań.

Okazało się jednak również, że budowa atomu w ogóle nie przypomina cia-

sta z rodzynkami i nasze wyobrażenia na temat atomu trzeba poddać rady-

kalnej rewizji.

ROZDZIAŁ DZIEWIĄTY

ATOM RUTHERFORDA

Wyobrażenie atomu podane przez Demokryta przetrwało w filozofii pra-

wie dwa i pół tysiąca lat. Każdy, kto wierzył w istnienie atomów, wyobrażał

je sobie jako niezwykle małe i twarde bryłki materii pozbawione wewnętrz-

nej struktury. Gdy J. J. Thomson odkrył elektron, jasne stało się, że atomy są

obiektami złożonymi. Model atomu Thomsona stanowił ważny etap w roz-

woju fizyki, przetrwał jednak jedynie 9 lat.

Na początku XX wieku fizycy rozwinęli nowe metody doświadczalne

umożliwiające eksperymentowanie z atomami. Jedna z nich polegała na

przepuszczaniu cząstek przez cienką warstwę materii i obserwacji ich odchy-

leń. Metoda ta nazywa się r o z p r a s z a n i e m c z ą s t e k i pozwala na

zbadanie rzeczywistego rozkładu ładunków elektrycznych w atomie. Nała-

dowana cząstka, przechodząc przez cienką warstwę materii, ulega odchyle-

niu w rezultacie oddziaływania z ładunkami elektrycznymi w atomach i na

podstawie analizy kątów odchyleń można wnioskować o rozmieszczeniu

ładunku wewnątrz atomu.

Fundamentalne znaczenie miały doświadczenia nowozelandzkiego fizyka

Ernesta Rutherforda (1871–1937) z rozpraszaniem cząstek alfa na cienkich

foliach złota, które zostały uwieńczone odkryciem j ą d r a a t o m o w e g o

i nowym poglądem na budowę atomu — planetarnym modelem atomu za-

proponowanym w 1911 roku. „Dokonał on rzeczywiście czegoś, co nie tylko

pozwoliło zrozumieć, czym właściwie jest atom, ale miało przynieść ponad-

to trudne z początku do oszacowania konsekwencje dla całej fizyki, burząc

dotychczasowe koncepcje budowy materii”191

.

Rutherford od 1906 roku, a od 1908 roku wspólnie z Hansem Geigerem

(1882–1945) i swoim studentem Ernestem Marsdenem, prowadził w labo-

—————— 191 M. Rival, Wielkie eksperymenty naukowe, s. 120.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

108

ratorium w Cambridge eksperymenty rozproszeniowe. W doświadczeniach

tych chodziło o zbadanie pojedynczych zderzeń cząstek alfa z atomami

tarczy i w tym celu należało użyć możliwe najcieńszych tarcz. W przeciw-

nym bowiem wypadku kolejne rozproszenia na wielu atomach zamaskowa-

łyby efekt pojedynczych zderzeń. Użyto złotej folii bynajmniej nie

z przyczyn ekonomicznych, ale z tego powodu, że stosunkowo łatwo moż-

na otrzymać niezwykle cienkie folie. W doświadczeniach Rutherforda folie

miały grubość około 10–7

m, co odpowiada mniej więcej 400 warstwom

atomów złota.

Rysunek 7. Schemat doświadczenia Rutherforda nad rozpraszaniem cząstek. Odpo-

wiednio zbudowane źródło pozwala na uzyskanie wąskiej wiązki cząstek α o zbliżo-

nych prędkościach. Cząstki bombardują tarczę T (złotą folię) i przy użyciu ruchomego

detektora rejestruje się cząstki rozproszone pod różnymi kątami.

Cząstki alfa ( ) powstają podczas naturalnego rozpadu pierwiastków

promieniotwórczych, mają dodatni ładunek elektryczny i niosą bardzo dużą

energię. Są to po prostu podwójnie zjonizowane atomy helu He++

, czyli ato-

my helu, które zostały pozbawione dwóch elektronów. Rutherford zasuge-

rował, że znakomicie nadają się do sondowania wnętrza atomu. Masa cząstki

alfa wynosi 6,62 10–27

kg. W doświadczeniach Rutherforda cząstki alfa

pochodziły z radioaktywnego źródła i miały prędkość v = 1,6 107 m/s.

Atom Rutherforda

109

Schemat doświadczenia Rutherforda — oczywiście, jeśli pominąć

ogromne różnice rozwiązań technicznych — jest schematem wszystkich

eksperymentów rozproszeniowych, stosowanych również we współczesnej

fizyce cząstek elementarnych. W zasadzie pomysł jest bardzo prosty —

bombardujemy tarczę cząstkami i obserwujemy rezultaty.

W doświadczeniu Rutherforda ekran pokryty był siarczkiem cynku ZnS,

który emitował błysk światła (scyntylował), gdy padała na niego cząstka

alfa. Można więc było, używając na przykład mikroskopu, obserwować te

błyski i policzyć liczbę cząstek rozproszonych pod danym kątem.

Pominę techniczną stronę eksperymentu i przejdę od razu do wyników

ogłoszonych przez Rutherforda. Były one wprost zdumiewające. Rutherford

stwierdził, że znakomita większość cząstek przelatywała przez folię p r a -

w i e b e z ż a d n y c h o d c h y l e ń, tak jakby składająca się z 400 warstw

atomowych złota folia była całkowicie przezroczysta dla cząstek alfa! Jed-

nak zdarzały się cząstki r o z p r o s z o n e d o t y ł u, tzn. odchylone o kąty

większe niż 90 stopni, w liczbie średnio jedna na 8000. Był to zupełnie nie-

oczekiwany rezultat. To z pewnością najbardziej niewiarygodna rzecz, która

wydarzyła mi się w życiu — napisał Rutherford. Było to tak samo niewiary-

godne, jakby 15-calowy pocisk, który wystrzeliliście w kierunku kawałka

bibułki, wrócił i trafił w was192

.

Otóż masa cząstki alfa jest około 8000 razy większa od masy elektronu

i zderzenie cząstki alfa z elektronem ma prawie niezauważalny wpływ na jej

tor — leci ona „jak 15-calowy pocisk przez rój komarów”. Jednak masa

atomu złota jest około 50 razy większa od masy cząstki alfa. Ponieważ elek-

trony są blisko 2000 razy lżejsze niż atom najlżejszego pierwiastka wodoru,

to prawie cała masa jest związana z dodatnim ładunkiem atomu złota. Jeżeli

siła odpychania elektrycznego między tym dodatnim ładunkiem i cząstką

alfa była dostatecznie duża, zderzenie mogło odchylić cząstkę alfa z jej kur-

su, tak jak ulega odchyleniu kilogramowa kula uderzająca w kulę pięćdzie-

sięciokilogramową. Rutherford wywnioskował stąd, że rozproszenie do tyłu

musi być rezultatem zderzenia cząstki alfa z bardzo małym, dodatnio nała-

dowanym i zawierającym prawie całą masę atomu j ą d r e m a t o m o w y m.

Z obliczeń bowiem wynika, że odchylenie o kąty większe niż 90 stopni nie

—————— 192 Por. L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 510.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

110

może być spowodowane przez ładunek dodatni wypełniający kulę o promie-

niu 10–10

m, jaką miał być atom według modelu Thomsona.

Rysunek 8. Planetarny model atomu Rutherforda — elektron porusza się po orbicie

kołowej wokół dodatnio naładowanego jądra w rezultacie działania sił przyciągania

elektrycznego.

W 1911 roku Rutherford zaproponował nowy model atomu, nazywany

p l a n e t a r n y m m o d e l e m a t o m u. Ładunek dodatni znajduje się

w środku, stanowiąc jądro atomowe o rozmiarach rzędu 10–15

m. W nim

skoncentrowana jest prawie cała masa atomu. Wokół jądra, podobnie jak

planety wokół Słońca, po kołowych orbitach krążą elektrony. Ponieważ

rozmiary atomu są rzędu 10–10

m, prawie całe wnętrze atomu stanowi pusta

przestrzeń. Próżnia istnieje nie tylko poza ciałami i wewnątrz ciał, jak

utrzymywali starożytni atomiści, ale nawet wewnątrz atomów.

Jeżeli w centrum atomu znajduje się niezwykle małe jądro atomowe,

można łatwo zrozumieć, dlaczego większość cząstek alfa przechodzi przez

folię metalową, prawie nie ulegając odchyleniu — po prostu cząstki te nie

trafiają w jądro. Natomiast odrzucenie cząstki alfa do tyłu jest rezultatem jej

zderzenia z mikroskopijnym, masywnym i dodatnio naładowanym jądrem.

Na podstawie zasady zachowania energii można w dość łatwy sposób

oszacować promień dodatnio naładowanej materii — jądra atomowego.

Energia cząstki alfa w polu sił elektrycznych atomu o liczbie porządko-

wej Z wynosi: Ee = 2Ze2/(4 0r), gdzie 0 jest pewną stałą fizyczną — prze-

nikalnością dielektryczną próżni. Energia kinetyczna cząstki alfa poruszają-

cej się z prędkością v dana jest wzorem Ek = mv2/2. Zderzenie cząstki alfa

Atom Rutherforda

111

z jądrem, czyli najmniejszą odległość, na jaką cząstka alfa może się zbliżyć

do jądra, można obliczyć z warunku, że jej energia kinetyczna zostanie cał-

kowicie przekształcona na pracę przeciwko siłom odpychania elektrycznego.

Wówczas: 2Ze2/(4 0r) = mv

2/2. Otrzymujemy stąd minimalną odległość r

między cząstką alfa a jądrem, co z dobrym przybliżeniem odpowiada roz-

miarowi jądra atomowego. Jest ona rzędu zaledwie 10–14

–10–15

m (w zależ-

ności od rodzaju jądra), czyli sto tysięcy razy mniejsza niż rozmiar całego

atomu! Gdyby powiększyć jądro atomowe, tak by miało rozmiar 1 mm, wte-

dy pierwszy elektron znajdowałby się w odległości około 100 m. Jeżeli wy-

obrazimy sobie tak powiększone jądro atomowe jako główkę szpilki wbitej

w środkowy punkt boiska piłkarskiego, to najbliższe elektrony znajdowałyby

się gdzieś w okolicach bieżni otaczającej boisko. Między elektronem i ją-

drem jest tylko pusta przestrzeń. Ciała sprawiające na nas wrażenie ciągłych

substancji „zbudowane są” przede wszystkim z próżni.

Model Rutherforda powoduje jednak poważne problemy teoretyczne.

Przede wszystkim powstaje pytanie, w jaki sposób składniki atomu trzymają

się razem? Oczywiście dominujące znaczenie ma w tym wypadku przycią-

ganie elektryczne między dodatnio naładowanym jądrem i ujemnie nałado-

wanymi elektronami. To jednak oznacza, że elektrony i jądro nie mogą po-

zostawać we wzajemnym spoczynku, ponieważ w rezultacie przyciągania

spadłyby na siebie. Elektrony muszą krążyć wokół jądra, podobnie jak Zie-

mia i inne planety krążą wokół Słońca.

Układ planetarny istnieje dzięki sile przyciągania grawitacyjnego. Dla

układu jądro — elektrony siłą wiążącą składniki w całość jest siła przycią-

gania elektrycznego, która z formalnego punktu widzenia jest bardzo podob-

na do siły grawitacji — jej wartość jest wprost proporcjonalna do iloczynu

ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Jednak tu analogia między układem planetarnym a atomem się kończy, po-

nieważ z równań klasycznej elektrodynamiki Maxwella wynika, że nałado-

wane cząstki, takie jak elektrony, poruszając się po okręgu tracą energię,

gdyż emitują promieniowanie elektromagnetyczne. Wynika stąd, że elek-

tron, tracąc prędkość, powinien zbliżać się do jądra po torze spiralnym

i spaść na nie w ciągu ułamka sekundy. Gdyby tak rzeczywiście wyglądał

atom, nie mógłby być układem stabilnym — świat w krótkim czasie prze-

stałby istnieć, co jednak przeczy obserwacjom. Zatem nie jest możliwy sta-

bilny układ jądro — elektron przypominający układ planetarny!

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

112

Druga trudność związana jest z faktem, że w modelu planetarnym elek-

tron może się znajdować w d o w o l n e j odległości od jądra. Oznacza to, że

energia elektronu na orbicie może zmieniać się w sposób c i ą g ł y —

w zależności od odległości od jądra. Przy zmianie orbity widmo promienio-

wania atomów byłoby więc ciągłe, co jednak nie zgadza się z obserwacjami.

Na podstawie modelu planetarnego trudno również zrozumieć, dlaczego dwa

atomy tego samego rodzaju emitują dokładnie takie same dyskretne linie

widmowe.

Podsumujmy: badania Rutherforda doprowadziły do odkrycia jądra ato-

mowego, odkrycia otwierającego przed fizyką i chemią całkowicie nowe

perspektywy i przynoszącego trudne do przecenienia korzyści — zarówno

teoretyczne, jak i praktyczne. Model atomu Rutherforda oparty był całkowi-

cie na fizyce klasycznej, był krańcowym zastosowaniem jej pojęć i prowa-

dził w ślepy zaułek. Zwiastował potrzebę wprowadzenia do nauki o atomach

całkowicie nowych idei.

ROZDZIAŁ DZIESIĄTY

KWANT DZIAŁANIA PLANCKA

Od czasów Newtona fizycy opierali swoje teorie atomistycznej budowy

materii na mechanice klasycznej, o której powszechnie sądzono, że jest teo-

rią fundamentalną. Odkrycie nowych zjawisk, takich jak promieniotwór-

czość, promienie katodowe i inne, omawiane uprzednio, w żaden sposób nie

podważało słuszności praw mechaniki. Również po odkryciu, że atomy nie

są absolutnie elementarnymi składnikami materii, lecz posiadają jakąś struk-

turę wewnętrzną, zaproponowane — najpierw przez Thomsona (1902), po-

tem przez Rutherforda (1911) — modele atomów, całkowicie opierały się na

ideach mechaniki klasycznej. Jednak jeszcze przed ogłoszeniem pierwszego

z tych modeli, bo w 1900 roku, pojawiły się w fizyce koncepcje, które w

konsekwencji całkowicie zmieniły nasze wyobrażenia o naturze rzeczywi-

stości fizycznej, budowie atomów i prawach rządzących podstawowymi

składnikami materii. Jedno z najbardziej przełomowych odkryć było dziełem

Maxa Ernsta Plancka (1858–1947).

Z doświadczenia wiadomo, że temperatura ciał ma wpływ na wysyłane

przez nie promieniowanie. Na przykład rozżarzone węgle świecą światłem

słabym i czerwonawym, natomiast żarówka świeci bielej i jaśniej. Emisja

promieniowania elektromagnetycznego przez różne substancje spowodowa-

na jest drganiami ładunków elektrycznych. Widmo promieniowania tempe-

raturowego (zależność energii promieniowanej przez ciało od długości fali

i temperatury) rozciąga się od infraczerwieni poprzez światło widzialne do

ultrafioletu. Przy stosunkowo niskiej temperaturze ciała promieniują energię

głównie w zakresie fal podczerwonych, niewidzialnych dla oka ludzkiego,

które przechodzi w świecenie światłem czerwonym, a stopniowo, w miarę

wzrostu temperatury, barwa ciał zmienia się w żółtą, białą, niebieską, aż do

również niewidzialnego ultrafioletu. Promieniowanie widzialne pojawia się

w temperaturze powyżej 950 K i przy temperaturze bliskiej 1500 K widmo

obejmuje już cały zasięg widzialny.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

114

Pod koniec XIX wieku fizycy próbowali stworzyć teorię opisującą pro-

mieniowanie termiczne ciał. Problem wydawał się z pozoru prosty i sądzo-

no, że powinien „poddać się pierwszemu atakowi przy użyciu pojęć fizyki

klasycznej”193

. Nikt wówczas nie przypuszczał, że badanie tego na pierwszy

rzut oka niczym nie wyróżniającego się problemu doprowadzi do jednej

z największych rewolucji pojęciowych w dziejach przyrodoznawstwa.

Normalną procedurą stosowaną wówczas przez fizyków było zreduko-

wanie badanego zjawiska fizycznego do prostego modelu mechanicznego.

Zamiast rozważać realne ciała w całym ich bogactwie i złożoności, rozważa

się szczególnie prosty model promieniujących ciał. Modelem takim jest

c i a ł o d o s k o n a l e c z a r n e. Charakteryzuje się ono tym, że ma mak-

symalną zdolność emisyjną i maksymalną zdolność absorpcyjną w każdej

temperaturze, tzn. ogrzane promieniuje największą możliwą ilość energii,

natomiast zimne całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie.

Oczywiście jest to pewna idealizacja i żadne realne ciało nie zachowuje się

ściśle jak ciało doskonale czarne, można jednak znaleźć w przyrodzie dosta-

tecznie dobre jego przybliżenia.

Rysunek 9. Model ciała doskonale czarnego.

Fizyczny model ciała doskonale czarnego stanowi pusta wnęka z małym

otworkiem. Wpadające promieniowanie elektromagnetyczne ulega wielo-

krotnym odbiciom i w rezultacie zostaje praktycznie całkowicie pochłonięte

—————— 193 J. Norwood, Fizyka współczesna, tłum. J. Zięborak, PWN, Warszawa 1982, s. 122.

Kwant działania Plancka

115

przez atomy wewnętrznej części ścianek, zanim zdąży wydostać się na ze-

wnątrz. Jeżeli natomiast ogrzewamy ciało doskonale czarne, to otwór zaczy-

na świecić, najpierw na czerwono, a w miarę wzrostu temperatury barwa

emitowanego światła staje się coraz bardziej niebieska. Widmo promienio-

wania ciała doskonale czarnego nie zależy od materiału, z jakiego jest zbu-

dowane.

W 1896 roku Wilhelm Carl Wien (1864–1928) sformułował prawo empi-

ryczne, określające zależność energii promieniowania ciała doskonale czar-

nego od długości fali i temperatury, które dobrze zgadzało się z doświadcze-

niem dla małych długości fal (zatem dla dużych częstości). Według wzoru

Wiena ilość promieniowanej przez ciało doskonale czarne energii w danej

temperaturze maleje wykładniczo wraz ze wzrostem częstości194

. Lord John

William Strutt Rayleigh (1842–1919) i James Hopwood Jeans (1877–1946)

podali natomiast teoretyczny wzór na energię promieniowania ciała dosko-

nale czarnego, wychodząc z założeń elektrodynamiki klasycznej Maxwella.

Według prawa Rayleigha–Jeansa195

energia jest odwrotnie proporcjonalna do

czwartej potęgi długości fali. Oznacza to, że w każdej temperaturze ilość

energii promieniowana przez ciało doskonale czarne powinna być tym więk-

sza, im krótsze są fale. Zatem największą ilość promieniowanej energii po-

winniśmy obserwować dla fal ultrafioletowych i krótszych. Ponieważ jednak

fale mogą być dowolnie krótkie, przy długości fali dążącej do zera ilość

promieniowanej energii powinna rosnąć do nieskończoności. Rezultat ten

prowadził do oczywistej sprzeczności teorii z faktami doświadczalnymi

i paradoks ten nazwano k a t a s t r o f ą w u l t r a f i o l e c i e. Wzór ten

zawierał jednak cząstkę prawdy, ponieważ zgodny był z pomiarami dla dłu-

gich fal.

—————— 194 Prawo to ma następującą postać:

dTBAdTu )/exp(),( 5 ,

gdzie u( ,T) jest gęstością energii, oznacza długość fali, T — temperaturę w skali Kelvina,

natomiast A i B są pewnymi liczbowymi stałymi wyznaczanymi z doświadczenia. Wzór ten

dobrze opisuje dane doświadczalne tylko dla małych wartości . 195 Wzór Rayleigha–Jeansa ma postać:

dkTdTu 48),( ,

gdzie k jest stałą Boltzmanna. Ostateczna postać wzoru Rayleigha–Jeansa pochodzi z roku

1905. (Por. A. K. Wróblewski, Prawda i mity w fizyce, s. 12.)

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

116

Planck badał promieniowanie ciała doskonale czarnego od 1895 roku.

Znając wcześniejsze nieudane próby opisu promieniowania ciała doskonale

czarnego, chciał początkowo jedynie odgadnąć wzór, który dobrze zgadzał-

by się z doświadczeniem dla wszystkich zakresów długości fal. 14 grudnia

1900 roku na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego przed-

stawił słynny wzór, który z doskonałą zgodnością z doświadczeniem opisy-

wał zależność emitowanej energii od częstości i temperatury. „Od tego dnia

datuje się teoria kwantów”196

.

Wzór Plancka ma następującą postać:

1

12),(

5

2

kT

hc

e

hcTE ,

gdzie E jest energią emitowaną w jednostce czasu przez ciało doskonale

czarne; T — temperaturą w skali Kelvina; h — pewną uniwersalną stałą fi-

zyczną, zwaną obecnie s t a ł ą P l a n c k a, albo elementarnym kwantem

działania (h = 6,62419 10–34

J s); c — prędkością światła w próżni;

k — stałą Boltzmanna; e — podstawą logarytmów naturalnych; — długo-

ścią fali promieniowania, która związana jest z prędkością fali elektroma-

gnetycznej c i częstością promieniowania wzorem: = c.

W teoretycznym uzasadnieniu tego wzoru Planck z m u s z o n y b y ł

przyjąć zaskakującą i nie mającą żadnego uzasadnienia w całej dotychcza-

sowej nauce hipotezę, że energia jest emitowana i absorbowana nie w spo-

sób ciągły, jak wynikało z potwierdzonej w licznych eksperymentach

klasycznej elektrodynamiki Maxwella, ale w sposób dyskretny, czyli

k w a n t a m i, proporcjonalnie do stałej wielkości h i częstości Przytoczę

w związku z tym charakterystyczną wypowiedź Plancka — który był zresz-

tą, jak podkreślają biografowie, uczonym o dość konserwatywnym usposo-

bieniu — uwidaczniającą fakt, że wprowadzenie nowej i zupełnie rewolu-

cyjnej idei kwantów promieniowania było w tym wypadku koniecznością,

wynikającą z samej natury rzeczywistości fizycznej, a nie rezultatem arbi-

tralnej decyzji uczonego. Można to potraktować jako przyczynek do argu-

—————— 196 M. von Laue, Historia fizyki, s. 201.

Kwant działania Plancka

117

mentu na rzecz realistycznego stanowiska w filozofii nauki. „Starałem się

przeto — pisał Planck — włączyć w jakiś sposób pojęcie kwantu działania h

do teorii klasycznej. Jednakże wielkość ta okazała się krnąbrna i oporna na

wszelkie próby zmierzające w tym kierunku. […] Moje bezskuteczne próby

włączenia w jakiś sposób pojęcia kwantu działania do teorii klasycznej trwa-

ły wiele lat i kosztowały mnie wiele trudu. Niektórzy moi koledzy dopatry-

wali się w tym swoistego elementu tragizmu. Mam odmienny pogląd na to,

dla mnie bowiem korzyść, jaką uzyskałem dzięki gruntownemu wyjaśnieniu

sobie sprawy, była tym cenniejsza. Wiedziałem teraz dobrze, że kwant dzia-

łania odgrywa w fizyce o wiele większą rolę, niż początkowo skłonny byłem

przypuścić; dzięki temu zrozumiałem konieczność wprowadzenia do fizyki

atomowej całkowicie nowych metod ujmowania problemów i przeprowa-

dzania obliczeń”197

.

Rysunek 10. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego — zależność zdolno-

ści emisyjnej (energii emitowanej w jednostce czasu przez ciało doskonale czarne) od

długości fali promieniowania i temperatury ciała T.

—————— 197 M. Planck, Jedność fizycznego obrazu świata. Wybór pism filozoficznych. tłum.

R. i S. Kernerowie, Książka i Wiedza, Warszawa 1970, s. 243–244.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

118

Według Plancka związek energii E z częstością promieniowania wyra-

ża następujący prosty wzór:

hE .

W elektrodynamice klasycznej energia jest związana z a m p l i t u d ą, a nie

z częstością fali i w zasadzie nie widać żadnego powodu do wiązania ze sobą

energii niesionej przez falę i częstości drgań. Każdy, kto choć raz był nad mo-

rzem, łatwo to zrozumie. Jeśli morze jest spokojne, fale mają małą amplitudę

(małą wysokość) i niosą małą energię. Natomiast podczas sztormu, gdy morze

jest wzburzone, fale mają dużą amplitudę i niosą olbrzymią energię — mogą

wywracać okręty i powodować zniszczenia urządzeń portowych. Jeżeli nato-

miast, powiedzmy, stoję na plaży i bardzo szybko uderzam kijem w wodę,

mogę wytworzyć fale o stosunkowo dużej częstości, ale o małej amplitudzie.

Mogę wprawić wodę w bardzo szybkie drgania, które mają jednak małą am-

plitudę, a zatem i małą energię — z pewnością nie wywrócę w ten sposób

okrętu.

Jednak zastosowanie elektrodynamiki klasycznej do zagadnienia promie-

niowania ciała doskonale czarnego prowadziło do wniosków rażąco niezgod-

nych z doświadczeniem. Poprawne przewidywania umożliwiła natomiast hi-

poteza Plancka, według której atomy i cząsteczki mogą wysyłać i pochłaniać

promieniowanie jedynie w pewnych dyskretnych porcjach, których energia

jest zawsze równa iloczynowi stałej Plancka h i częstości Prawo Plancka

stanowiło podstawę i zarazem początek fizyki kwantowej. „Hipoteza Plancka

wprowadzająca kwanty energii nie jest kontynuacją uprzedniej myśli fizycz-

nej. Oznacza przełom zupełny. Jego głębię i konieczność wykazały wyraźniej

następne dziesięciolecia. Idea kwantów była kluczem do zrozumienia niedo-

stępnych nam uprzednio zjawisk atomowych”198

.

Warto podkreślić, że sama stała Plancka h jest e l e m e n t a r n y m

k w a n t e m d z i a ł a n i a, a nie energii. Działanie jest wielkością fizyczną

(zwykle oznaczaną symbolem S) o wymiarze energia czas. Jak pisze

Eddington, dla każdego rodzaju promieniowania energia „będzie coraz inną

liczbą ergów, okres — coraz inną liczbą sekund, lecz iloczyn będzie zawsze

—————— 198 M. von Laue, Historia fizyki, s. 201–202.

Kwant działania Plancka

119

tą samą liczbą erg-sekund. […] Widoczne jest, że h jest rodzajem atomu,

czymś, co zachowuje się w procesach promieniowania jak spójna jednostka.

Nie jest to atom materii, lecz atom — lub jak go zwykle nazywamy k w a n t

mniej uchwytnego tworu, działania”199

. Odkrycie elementarnego kwantu

działania wyrażało zasadniczą nieciągłość przyrody, objawiającą się zarów-

no w istnieniu atomów, jak i kwantów promieniowania. Jak pisze Heisen-

berg, Planck wskazał swym odkryciem na możliwość, że istnienie atomów

i cząstek elementarnych nie jest jakimś faktem ostatecznym, dalej niewyja-

śnialnym, ale stanowi konsekwencję ogólniejszego prawa przyrody, jest

wyrazem jakiejś bardziej podstawowej struktury rzeczywistości200

.

Warto jeszcze raz podkreślić przełomowe znaczenie odkrycia Plancka

w ludzkim dążeniu do zrozumienia podstawowych praw rządzących świa-

tem. Fizycy często dzielą fizykę na „klasyczną” i „kwantową”, zaliczając

nawet szczególną i ogólną teorię względności Einsteina, która zrewolucjoni-

zowała nasze pojęcia o naturze czasu i przestrzeni, do fizyki klasycznej.

Sformułowane w pierwszych trzech dekadach XX wieku prawa mechaniki

kwantowej ukazują tak zaskakujące cechy mikroświata, że do tej pory nie

wypracowano powszechnie przyjętej interpretacji tej teorii. Nie słabną rów-

nież kontrowersje filozoficzne wokół mechaniki kwantowej, pomimo jej

spektakularnych sukcesów w opisie atomistycznej budowy materii. O nie-

których z powyższych problemów będzie jeszcze mowa w dalszej części

książki.

—————— 199 A. S. Eddington, Nowe oblicze natury, tłum. A. Wundheiler, nakładem Mathesis Pol-

skiej, Warszawa 1934, s. 171. 200

Por. W. Heisenberg, Ponad granicami, s. 29.

ROZDZIAŁ JEDENASTY

FOTONY EINSTEINA

Newton sformułował korpuskularną teorię światła, zgodnie z którą świa-

tło składa się z bardzo małych cząstek, poruszających się z olbrzymią pręd-

kością. Współczesny Newtonowi Christiaan Huygens (1629–1695) podał

natomiast teorię, według której światło jest falą rozchodzącą się, jak wów-

czas sądzono, w pewnym ośrodku — e t e r z e. Teorię falową rozwijali

Augustin Jean Fresnel (1788–1827), Thomas Young (1773–1829) i Joseph

von Fraunhofer (1787–1826). Najdoskonalszą postać uzyskała w klasycznej

elektrodynamice stworzonej w 1864 roku przez Jamesa Clerka Maxwella

(1831–1879). Teoria Maxwella zyskała wspaniałe potwierdzenie w 1887

roku w doświadczeniach Heinricha Rudolfa Hertza (1857–1894), który

pierwszy wytworzył nieoptyczne fale elektromagnetyczne (fale radiowe).

W 1895 roku Gugliemo Marconi (1874–1937) skonstruował pierwszy tele-

graf bez drutu i w 1902 roku po raz pierwszy przesłał fale radiowe przez

Atlantyk. Każdy, kto włącza radio, potwierdza tym samym elektrodynamikę

Maxwella. O falowej naturze światła świadczą również bezsprzecznie

dyfrakcja, interferencja i polaryzacja201

, a więc zjawiska typowe dla ruchu

falowego.

Ponowne wprowadzenie do fizyki korpuskularnej teorii światła związane

jest z badaniem z j a w i s k a f o t o e l e k t r y c z n e g o. Polega ono na wybi-

janiu elektronów z powierzchni ciała stałego pod wpływem padającego

światła. Pierwszy ślad tego zjawiska znalazł w 1887 roku Hertz. Wykonując

doświadczenie, które miało potwierdzić — i potwierdziło! — przewidywane

przez elektrodynamikę Maxwella istnienie fal elektromagnetycznych „przy

okazji wykrył też fakt z nią niezgodny, którego wcale nie oczekiwał”202

.

—————— 201 Por. Słowniczek. 202 G. Białkowski, Stare i nowe drogi fizyki. Fizyka XX wieku, Wiedza Powszechna, War-

szawa 1982, s. 26.

Fotony Einsteina

121

Hertz bowiem w doświadczeniach potwierdzających falową teorię światła

natknął się na zjawisko, które można wyjaśnić jedynie na podstawie teorii

korpuskularnej.

Podstawą aparatu Hertza była cewka indukcyjna z przerwą iskrową, wy-

twarzająca fale elektromagnetyczne. Drugi taki sam przyrząd służył do detek-

cji fal. Prowadząc badania nad falami radiowymi Hertz zauważył, że światło

ultrafioletowe, przechodząc między elektrodami, ułatwia wyładowanie iskro-

we203

, tak jakby między elektrodami pojawiały się dodatkowe nośniki elek-

tryczności. Nie poświęcił jednak wiele czasu temu zjawisku — jego głównym

przedmiotem zainteresowania były fale radiowe204

.

W 1888 roku Wilhelm Hallwachs (1859–1922) wykazał natomiast, że

przyczyną wzrostu natężenia wyładowania iskrowego w doświadczeniu

Hertza jest występowanie naładowanych cząstek, które później (Thomson,

1897) zostały zidentyfikowane jako elektrony. Stwierdził on, że ciała nałado-

wane elektrycznie tracą ładunek pod wpływem oświetlania. Na przykład płyt-

ka cynkowa oświetlona promieniowaniem nadfioletowym ładuje się dodatnio.

Słowem — Hallwachs odkrył zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Empiryczne prawa rządzące zjawiskiem fotoelektrycznym ustalił w 1902

roku Philipp Eduard Anton Lenard (1862–1947). Są one następujące:

1) liczba emitowanych z powierzchni fotokatody elektronów jest proporcjo-

nalna do natężenia padającego promieniowania elektromagnetycznego;

2) maksymalna energia kinetyczna elektronów zależy wprost proporcjonal-

nie od częstości promieniowania, nie zależy natomiast od jego natężenia;

3) istnieje graniczna częstość gr, poniżej której efekt nie zachodzi, tzn. pro-

mieniowanie o częstości niższej niż charakterystyczna dla danego materiału

częstość graniczna nie powoduje emisji elektronów.

Rezultaty te nie dają się wyjaśnić na podstawie elektrodynamiki kla-

sycznej. Na przykład nie można wyjaśnić występowania częstości granicz-

nej. Zgodnie bowiem z teorią falową, energia powinna być absorbowana

przez elektrony w sposób ciągły i promieniowanie niosące małą energię

powinno, po odpowiednio długim czasie, spowodować emisję elektronów.

Jednak niczego takiego w rzeczywistości nie obserwowano — emisja elek-

tronu następuje praktycznie w tej samej chwili, w której na metal pada

—————— 203 M. von Laue, Historia fizyki, s. 205. 204 J. Norwood, Fizyka współczesna, s. 143.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

122

światło, i nie może być mowy o kumulacji energii w wyniku dłuższego

naświetlania.

Rysunek 11. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Padające na powierzchnię fotoka-

tody K światło (linia falista na rysunku) wybija elektrony z jej powierzchni. Elektrony

są przyspieszane w polu elektrycznym między fotokatodą i anodą A i w obwodzie

płynie prąd elektryczny, co można stwierdzić, obserwując wskazania galwanometru

G. Zjawisko fotoelektryczne ma obecnie szerokie zastosowanie — na jego podstawie

działają fotokomórki i fotopowielacze.

Teoria zjawiska fotoelektrycznego została sformułowana w 1905 roku

przez Alberta Einsteina (1879–1955). Einstein założył, że światło jest stru-

mieniem cząstek — f o t o n ó w. Każdy foton niesie energię, która jest pro-

porcjonalna do częstości fali świetlnej E = h i posiada określony pęd,

związany z długością fali świetlnej wzorem: p = h/ = h c. Założenie to

było zdecydowanie niezgodne z panującym poglądem o falowej naturze

światła i w pewnym sensie było powrotem do Newtonowskiej, korpuskular-

nej teorii światła, chociaż w pojęciu kwantu świetlnego — fotonu wielkości

charakteryzujące korpuskuły — energia i pęd były w określony sposób

związane z wielkościami charakterystycznymi dla zjawisk falowych — czę-

stością i długością fali.

Jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne jest strumieniem cząstek, to

wybijanie elektronów z powierzchni fotokatody jest rezultatem zderzenia

pojedynczego elektronu z pojedynczym fotonem. Jasne staje się, dlaczego

liczba emitowanych elektronów zależy od natężenia światła — natężenie jest

Fotony Einsteina

123

przecież proporcjonalne do liczby fotonów. Im więcej fotonów pada na ka-

todę, tym więcej elektronów może zostać wybitych. W zderzeniu poje-

dynczego elektronu z pojedynczym fotonem energia jest zatem przekazywa-

na ś c i ś l e o k r e ś l o n y m i p o r c j a m i h i nie ma nic wspólnego

z natężeniem padającego światła, ale z jego c z ę s t o ś c i ą . Foton niosący

energię h jest pochłaniany przez elektron na powierzchni fotokatody:

zgodnie z zasadą zachowania energii część energii, jaką uzyskał elektron

absorbując foton, idzie na pokonanie sił wiążących elektron, czyli na p r a -

c ę w y j ś c i a elektronu z metalu, pozostała energia ujawnia się jako ener-

gia kinetyczna elektronów. Wyraża to wzór Einsteina:

h = A + mv2/2,

gdzie A jest pracą wyjścia elektronu z metalu, natomiast mv2/2 jest jego

energią kinetyczną. Łatwo również zrozumieć występowanie częstości gra-

nicznej: jeżeli foton niesie zbyt małą energię, to pochłaniający go elektron

nie uzyska wystarczającej energii na pokonanie sił wiążących go w sieci

krystalicznej i nie może opuścić powierzchni katody.

Podana przez Einsteina interpretacja promieniowania elektromagnetycz-

nego jako strumienia cząstek — fotonów w równie wielkim stopniu jak hi-

poteza Plancka przyczyniła się do przełomu w fizyce i sformułowania me-

chaniki kwantowej. Pozostawała bowiem niezgodna z klasyczną falową

teorią promieniowania elektromagnetycznego. Tłumaczyła występowanie

zjawiska fotoelektrycznego, chociaż nie tłumaczyła takich zjawisk charakte-

rystycznych dla fal elektromagnetycznych, jak interferencja, dyfrakcja i po-

laryzacja. Postawiła również na nowo problem natury światła — czy światło

jest zbiorem poruszających się z olbrzymią prędkością cząstek — korpuskuł,

jak sądził Newton, czy też jest falą elektromagnetyczną, jak utrzymywali

Huygens, Young, Hertz i Maxwell? Zarówno bowiem teoria fotonowa, jak

i falowa wyjaśniała pewne zjawiska, których nie wyjaśniała druga.

ROZDZIAŁ DWUNASTY

ATOM BOHRA

Wiemy już, że atomy nie przypominają twardych bryłek materii, ciasta

z rodzynkami czy też miniaturowego układu planetarnego. Ale dlaczego

właściwie miałyby przypominać? Jakie mamy powody do tego, by przy-

puszczać, że natura zarówno w skali kosmicznej, jak i w makroświecie oraz

mikroświecie powtarza wciąż te same struktury? Może przyroda jest znacz-

nie bardziej wyrafinowana i budowa atomów niekoniecznie musi odpowia-

dać naszym prymitywnym wyobrażeniom ukształtowanym na podstawie

codziennego doświadczenia?

Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju fizyki atomowej jest model ato-

mu wodoru podany w 1913 roku przez duńskiego fizyka Nielsa Henrika

Davida Bohra (1885–1962). Opiera się on na koncepcji Rutherforda uzupeł-

nionej sprzecznymi z fizyką klasyczną w a r u n k a m i k w a n t o w y m i,

zwanymi też p o s t u l a t a m i B o h r a. Model ten jest podstawowym ele-

mentem tzw. s t a r s z e j t e o r i i k w a n t ó w — teorii sformułowanej

w pierwszych dwóch dekadach XX wieku w odpowiedzi na nieudane próby

zastosowania fizyki klasycznej do wyjaśnienia zagadnienia promieniowania

ciała doskonale czarnego. Z teorii tej rozwinęła się współczesna mechanika

kwantowa, która zrewolucjonizowała nasze wyobrażenia o atomistycznej

strukturze świata. Teoria Bohra zawierała kwantowe idee Plancka i Einsteina

i przewidywała dyskretne linie widmowe, jak również w niezwykle prosty

sposób tłumaczyła regularności występujące w układzie okresowym pier-

wiastków. J. Gribbin pisze, że atom Bohra „był hybrydą pomysłów klasycz-

nych i kwantowych, pomieszanych ad hoc”205

. Pamiętajmy jednak, że ato-

mów nie widać, a model ten powstał bez uprzedniej jednolitej podstawy

—————— 205 J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera, s. 63.

Atom Bohra

125

teoretycznej, jako próba odgadnięcia wewnętrznej struktury atomów na pod-

stawie obserwowalnych własności różnych pierwiastków.

W planetarnym modelu atomu Rutherforda elektron porusza się po or-

bicie kołowej wokół dodatnio naładowanego jądra. Opis ruchu elektronu

jest całkowicie oparty na fizyce klasycznej: stosujemy drugą zasadę dyna-

miki Newtona (F = ma) i uwzględniamy fakt, że przyspieszenie dośrod-

kowe nadaje elektronowi siła oddziaływania elektrycznego (siła Coulom-

ba206

) między dodatnio naładowanym jądrem i ujemnie naładowanym elek-

tronem.

Wynika stąd, że — podobnie jak w wypadku układu planetarnego —

elektron może krążyć w d o w o l n e j odległości od jądra. Jednak na każdej

orbicie elektron porusza się ruchem przyspieszonym po okręgu i, zgodnie

z elektrodynamiką klasyczną, powinien tracić energię, wskutek czego

zmniejszałaby się odległość między elektronem a jądrem atomowym.

W rezultacie elektron powinien spaść po spirali na jądro, co przeczyłoby

obserwowanej trwałości atomów. Ponadto elektron, zmieniając w sposób

ciągły prędkość, promieniowałby ciągłe widmo elektromagnetyczne, co nie

zgadza się z obserwowanymi dyskretnymi liniami widmowymi, charaktery-

stycznymi dla danego pierwiastka.

Bohr wysunął więc przypuszczenie, że w atomie istnieją pewne w y r ó ż -

n i o n e stany, zwane s t a n a m i s t a c j o n a r n y m i, które określają odle-

głości elektronów od jądra, wartości energii i charakter emitowanego promie-

niowania. Ideę tę wyrażają t r z y p o s t u l a t y k w a n t o w e B o h r a:

1. Ze wszystkich możliwych klasycznych orbit kołowych tylko niektóre są

dozwolone, takie mianowicie, dla których wartość momentu pędu elektronu

(iloczynu pędu p = mv i promienia orbity R) jest całkowitą wielokrotnością

pewnej stałej fizycznej, a mianowicie stałej Plancka h podzielonej przez 2 :

mvR = nh/2 .

—————— 206

Siła Coulomba oddziaływania elektrycznego między dwoma ciałami o ładunkach Q1 i Q2,

znajdującymi się w odległości R od siebie wyraża się wzorem:

,4 2

0

21

R

QQF

gdzie 0 jest przenikalnością dielektryczną próżni.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

126

Mówimy, że orbity są s k w a n t o w a n e, co znaczy, że ich promienie

mogą przybierać jedynie ściśle określone wartości.

2. Elektron na dozwolonej (tzw. stacjonarnej) orbicie nie promieniuje

energii207

.

3. Elektron emituje lub absorbuje energię tylko podczas przejścia z jednej

orbity stacjonarnej na drugą; energia wypromieniowanego lub pochłoniętego

kwantu promieniowania elektromagnetycznego równa jest (wartości bez-

względnej) różnicy energii stanu początkowego Em i końcowego En:

hEE nm .

Każdemu przeskokowi elektronu z jednej orbity na drugą odpowiada ści-

śle określona wartość wypromieniowanej lub pochłoniętej energii, a zatem

i ściśle określona linia spektralna. Olbrzymia liczba takich kombinacji — na

przykład przeskok z orbity drugiej na pierwszą, z trzeciej na drugą, z trzeciej

na pierwszą itd. — tłumaczy, że nawet w widmie tak prostego układu jak

atom wodoru (który, jak wiemy obecnie, złożony jest z jednego protonu

i jednego elektronu) obserwujemy ponad sto linii spektralnych. Część tego

promieniowania leży w zakresie światła widzialnego, zatem świecenie róż-

nych substancji jest po prostu emisją promieniowania elektromagnetycznego

podczas przejść elektronów między różnymi poziomami energetycznymi,

gdy elektrony z wyższych orbit „spadają” na orbity położone bliżej jądra.

Natomiast jeżeli przez chłodny gaz przepuścimy światło białe, to elektrony

w atomach tego gazu przeskakują na wyższe orbity, czyli orbity położone

dalej od jądra, wskutek pochłonięcia ściśle określonej porcji energii. Dany

pierwiastek absorbuje zatem jedynie promieniowanie o ściśle określonych

częstościach, które odpowiadają wzbudzeniu atomu na wyższe poziomy

energetyczne, czyli przeskokowi elektronu z orbity pierwszej na drugą,

z pierwszej na trzecią itd., co tłumaczy pochodzenie ciemnych prążków

w widmach absorpcyjnych pierwiastków.

„Każde z tych założeń — warunek kwantyzacji, brak promieniowania

podczas pobytu na jednej ze skwantowanych orbit i promieniowanie w trak-

—————— 207 Założenie to było tak wielkim odstępstwem od praw elektrodynamiki klasycznej, że

L. N. Cooper pisze nawet, iż Bohr rozwiązał problem promieniowania elektronu na orbitach

„drogą rozporządzenia” (L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, s. 528).

Atom Bohra

127

cie przeskoku między orbitami, było sprzeczne ze znaną wówczas klasyczną

teorią”208

.

Rysunek 12. Model atomu wodoru Bohra. Elektron, podobnie jak w modelu Ruther-

forda, porusza się wokół jądra po orbicie kołowej. Jednak promień orbity nie jest do-

wolny, lecz ściśle określony przez pierwszy warunek kwantowy Bohra. Orbity elek-

tronu oraz poziomy energetyczne są skwantowane i numerowane główną liczbą kwan-

tową n (n = 1, 2 itd.). Ponieważ dozwolone poziomy energetyczne tworzą nieciągły

zbiór, przeskokowi elektronu z jednej orbity na drugą towarzyszy emisja lub absorp-

cja ściśle określonej porcji (kwantu) energii o wartości: hEE nm. Przejścia

między poziomami dają w rezultacie różne serie linii widmowych — każdej parze po-

ziomów, między którymi może przeskakiwać elektron, odpowiada określona linia

widmowa.

Na podstawie postulatów Bohra dają się wyznaczyć dozwolone promie-

nie, po których może krążyć elektron, czyli orbity stacjonarne. Elektron

o masie m porusza się wokół jądra w wyniku przyciągania elektrycznego

przez dodatnio naładowane jądro o ładunku + e, czyli: mv2/R = e

2/(4 0R

2).

Zgodnie z pierwszym warunkiem kwantowym: mvR = nh/(2 ), stąd można

obliczyć prędkość elektronu na danej orbicie: v = nh/(2 Rm).

Ostatecznie promień n-tej o r b i t y b o h r o w s k i e j wyraża się nastę-

pującym wzorem:

—————— 208 Ibidem.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

128

,2

220

me

nhRn

gdzie n = 1, 2,… nosi nazwę g ł ó w n e j l i c z b y k w a n t o w e j.

Najmniejszy promień orbity Bohra otrzymujemy, kładąc w powyższym

wzorze n = 1. Po obliczeniach otrzymujemy R = 0,5292 10–10

m, co bardzo

dobrze zgadza się z obserwacjami i oszacowaniami wielkości atomu poda-

nymi przez Rutherforda.

Energia na n-tej dana jest wzorem:

220

2

4 1

42

1

nh

meEn .

Widzimy zatem, że nie tylko promienie orbit, ale również poziomy ener-

getyczne są w atomie s k w a n t o w a n e, czyli mogą przybierać jedynie

ściśle określone, nieciągłe wartości. Ze wzoru widać, że mają one charakter

„schodkowy”, przy czym odległość między poszczególnymi poziomami jest

proporcjonalna do 1/n2.

Częstość linii widmowej — kwantu energii emitowanej lub absorbowanej

przy przeskoku elektronu z n-tej na m-tą orbitę otrzymujemy, podstawiając

powyższy wzór na energię do wzoru występującego w trzecim postulacie

kwantowym Bohra:

2220

3

4 11

8 mnh

me.

Wzór ten również bardzo dobrze zgadza się z doświadczalnymi wzora-

mi serii widmowych dla atomu wodoru i tłumaczy empiryczny wzór serii

Balmera.

Na podstawie kwantowej teorii Bohra można zrozumieć, że odkryta przez

Mendelejewa zdumiewająca regularność w chemicznych własnościach pier-

wiastków nie jest dziełem przypadku, ale wynika z fundamentalnych zasad

fizyki atomowej. Bohr wykazał, że elektrony układają się w kolejnych war-

stwach wokół jądra, a pierwiastki o takiej samej liczbie elektronów na po-

włoce zewnętrznej wykazują zbliżone właściwości chemiczne. W miarę

Atom Bohra

129

przechodzenia do coraz wyższych liczb atomowych i wypełniania się elek-

tronami kolejnych powłok ujawnia się okresowa powtarzalność pierwiast-

ków pod względem chemicznym do siebie podobnych. Okresowość własno-

ści chemicznych jest więc zjawiskiem całkowicie zależnym od struktury

elektronowej atomu209

.

Przepis na budowę atomu według Bohra wygląda więc następująco: Bie-

rzemy jądro atomowe i dodajemy do niego kolejne elektrony. Ponieważ

atomy są elektrycznie obojętne, dla danego pierwiastka liczba elektronów na

orbitach jest oczywiście równa liczbie protonów w jądrze, czyli liczbie ato-

mowej Z. Niezależnie od liczby atomowej pierwszy elektron trafia na po-

ziom energii odpowiadający stanowi podstawowemu atomu wodoru, czyli na

poziom o najniższej energii. Następny elektron umieszczamy na tej samej

orbicie, co daje atom helu o dwóch elektronach. Zdaniem Bohra, pierwsza

orbita może zawierać jedynie d w a elektrony, trzeci elektron musi już trafić

na inny, wyższy poziom energetyczny. Następny pierwiastek, lit, ma zatem

dwa elektrony na pierwszej orbicie a trzeci na ostatniej, co tłumaczy podo-

bieństwo własności chemicznych z jednoelektronowym wodorem — wiemy

bowiem, że za chemiczne własności pierwiastków odpowiedzialne są jedy-

nie elektrony z zewnętrznych, czyli walencyjnych orbit. Przez nie dany atom

oddziałuje z innymi atomami. Według Borha na pierwszej orbicie mogą

znajdować się co najwyżej dwa elektrony, na drugiej natomiast co najwyżej

osiem, zatem podobne własności jak wodór i lit ma pierwiastek o jedenastu

elektronach. Jest to sód, znajdujący się w układzie okresowym osiem miejsc

dalej niż lit.

Podobieństwo własności chemicznych niektórych pierwiastków, a zatem

i miejsce w układzie okresowym, mimo różnicy mas związane jest właśnie

z jednakową liczbą elektronów na ostatniej orbicie. Z danych spektroskopo-

wych Bohr wywnioskował, że powłoka zawierająca dwa lub osiem elektro-

nów jest „zapełniona” — takie pierwiastki jak neon (10 elektronów) czy

argon (18 elektronów) tworzą gazy szlachetne, które nie reagują z innymi

pierwiastkami. W pewnym sensie atomy „dążą” do tego, by mieć zapełnione

powłoki. Wodór, który ma tylko jeden elektron, występuje w postaci czą-

steczkowej H2, natomiast dwuelektronowy hel, ponieważ ma zamkniętą po-

włokę, należy do nie reagujących gazów szlachetnych.

—————— 209 Por. M. Rival, Wielkie eksperymenty naukowe, s. 113.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

130

Rysunek 13. Mechanizm tworzenia się związków chemicznych na przykładzie chlor-

ku sodu (soli kuchennej) NaCl. Sód ma liczbę porządkową 11, tzn. atom sodu zawiera

11 elektronów na orbitach. Na ostatniej, walencyjnej orbicie jest jeden elektron. Atom

chloru (liczba porządkowa 17, czyli 17 elektronów na orbitach) na ostatniej orbicie

ma 7 elektronów. Elektron przynależący do obydwu atomów oznaczony został na ry-

sunku białą kropką.

Mechanizm „wymiany” elektronów między atomami różnych pierwiast-

ków tłumaczy również reakcje chemiczne. Na przykład sód „oddaje” jeden

ostatni elektron atomowi chloru i w ten sposób uzyskuje zamkniętą powłokę.

Przez „przyjęcie” jednego elektronu zapełnia się także powłoka chloru. Je-

den elektron przynależy w ten sposób do dwóch atomów. Sód, który oddał

jeden elektron, stał się naładowany dodatnio, natomiast chlor, przez przyję-

cie elektronu — ujemnie. Ładunki różnoimienne przyciągają się i właśnie

dzięki przyciąganiu elektrycznemu powstaje chlorek sodu NaCl, czyli sól

kuchenna. Właściwie wszystkie reakcje chemiczne można wytłumaczyć jako

wymianę elektronów pomiędzy atomami, w której atomy uzyskują zam-

knięte powłoki elektronowe.

Odkrycie „brakujących” w układzie okresowym pierwiastków o własno-

ściach dokładnie przepowiedzianych przez Bohra było wspaniałym sukce-

sem teorii kwantów, porównywalnym z sukcesem teorii Newtona związanej

z odkryciem Neptuna.

Atom Bohra

131

Teoria Bohra była pierwszą kwantową teorią atomu i stanowiła olbrzymi

postęp w poznaniu mikroświata. Jednak dawała ona nadzwyczaj poprawne

ilościowo wyniki dla wodoru, ale już nie dla cięższych pierwiastków. Ponad-

to przewidywała znacznie więcej linii widmowych, niż rzeczywiście można

zobaczyć, obserwując promieniowanie różnych atomów. Wprowadzono

zatem arbitralnie pewne reguły „zakazujące” niektórych przejść pomiędzy

różnymi stanami atomu. W celu dopasowania modelu do danych doświad-

czalnych różnym stanom zostały przypisane nowe własności — liczby

kwantowe — również bez trwałej teoretycznej podstawy, która by tłumaczy-

ła, dlaczego są one konieczne albo dlaczego niektóre przejścia są zakazane.

Teoria Bohra była dość zagadkową kombinacją fizyki klasycznej i zupełnie

nieklasycznych warunków kwantowych. Wyjaśniła jednak w zdumiewająco

prosty sposób trwałość atomów, pochodzenie dyskretnych linii widmowych i

budowę układu okresowego pierwiastków. Jak każda dobra teoria postawiła

jednak nowe problemy: Dlaczego tylko niektóre orbity są dozwolone? Jeżeli

tylko ściśle określone orbity są dozwolone, to gdzie elektrony są podczas

przejść? Czy istnieją między orbitami? Teoria Bohra była świadectwem

tego, że doświadczenie może narzucić bardzo nieintuicyjne teorie.

Odkrycie tzw. subtelnej struktury widma, czyli faktu, że obserwowane li-

nie widmowe nie są pojedyncze, ale składają się z dwóch lub kilku linii

widmowych o zbliżonej długości fali, wymagało modyfikacji teorii Bohra.

Niemiecki fizyk Arnold Sommerfeld (1868–1951) sformułował teorię

atomu, w której elektrony poruszały się po orbitach eliptycznych, a jądro

znajdowało się w jednym z ognisk elipsy. Teoria ta była nieco bardziej

skomplikowana niż teoria Bohra: wymagała dwóch warunków kwantowych

i wprowadzenia, obok głównej liczby kwantowej n, tzw. a z y m u t a l n e j

l i c z b y k w a n t o w e j l (por. rozdział Atom Schrödingera). Sommerfeld

uwzględnił również relatywistyczną zmianę masy elektronu podczas jego

ruchu (por. Słowniczek), to znaczy przyjął, że elektrony krążące bliżej jądra

atomowego mają większą masę (ze względu na większą prędkość) niż elek-

trony na orbicie położonej daleko od jądra.

ROZDZIAŁ TRZYNASTY

FALE MATERII DE BROGLIE’A

Od czasu wprowadzenia hipotezy kwantów świetlnych nie było bynajm-

niej jasne, jak należy rozumieć falowe i korpuskularne własności światła.

Zachowanie światła polegające na tym, że w pewnych zjawiskach przejawia

ono własności falowe, w innych zaś korpuskularne, fizycy określili mianem

d u a l i z m u k o r p u s k u l a r n o - f a l o w e g o. Natomiast elektrony i pro-

tony, będące wówczas jedynymi znanymi składnikami atomów, traktowano

jako zwykłe cząstki, chociaż już model atomu Bohra wskazywał na bardzo

dziwne zachowanie elektronów. Wkrótce okazało się, że dualizm korpusku-

larno-falowy dotyczy nie tylko promieniowania elektromagnetycznego, ale

jest podstawową własnością wszystkich mikroobiektów.

Francuski fizyk Louis Victor de Broglie (1892–1987) w swej pracy dok-

torskiej (1924) postawił niezwykle śmiałą hipotezę f a l m a t e r i i. Wysunął

on przypuszczenie, że skoro fale elektromagnetyczne mogą przejawiać naturę

korpuskularną, to również cząstki materii, takie jak np. elektrony, mogą prze-

jawiać własności falowe. Według hipotezy de Broglie’a z każdą cząstką

o pędzie p stowarzyszona jest pewna fala materii o długości = h/p, gdzie

h jest stałą Plancka. Ponieważ długość fali materii jest odwrotnie proporcjo-

nalna do pędu cząstki, dla ciał makroskopowych, takich jak kule bilardowe

czy planety, których masy są o wiele rzędów wielkości większe niż masy elek-

tronów i atomów, długość fali materii jest bardzo mała i aspekt falowy nie

odgrywa w ich zachowaniu praktycznie żadnej roli. Jednak w świecie atomów

i elektronów falowy aspekt materii powinien być obserwowalny. Sam de Bro-

glie przedstawił możliwość eksperymentalnego wykrycia fal materii przez

dyfrakcję elektronów na krysztale.

Przeprowadzone w 1927 roku sławne doświadczenia Clintona Davissona

(1881–1958) i Lestera Germera (1896–1971) potwierdziły hipotezę de Bro-

Fale materii de Broglie’a

133

glie’a i ujawniły, że elektrony, podobnie jak fale elektromagnetyczne, ulega-

ją dyfrakcji i interferencji, a więc zjawiskom typowym dla fal210

.

Rysunek 14. Eksperyment Davissona i Germera z rozpraszaniem elektronów na po-

wierzchni metalu. Wiązkę elektronów przepuszczono przez cienką folię metalową,

w której odległości między atomami w sieci krystalicznej d są porównywalne z dłu-

gością fali de Broglie’a elektronów. Wiązka ulega dyfrakcji (ugięciu) dokładnie tak

samo jak wiązka światła. Gdy n = dsinα, następuje wzmocnienie fali, czyli interfe-

rencja konstruktywna, którą można obserwować na przykład na kliszy fotograficznej

w postaci większego zaczernienia emulsji. Odległość między atomami sieci krysta-

licznej d jest rzędu 10–10 m. Mierząc kąt α, można obliczyć długość fali materii elek-

tronu .

—————— 210 Jak podaje J. Gribbin, odkryto „to dziwne zachowanie elektronów rozpraszanych na

kryształach w latach 1922 i 1923, kiedy de Broglie dopiero formułował swoje idee. Nieświa-

domy tego de Broglie próbował przekonać doświadczalników do zweryfikowania hipotezy fal

elektronowych. Tymczasem promotor jego pracy doktorskiej, Paul Langevin, wysłał kopię

pracy Einsteinowi, który jak można się było spodziewać, uznał ją za coś więcej niż matema-

tyczny chwyt lub analogię i zdał sobie sprawę, że fale materii muszą być realne. Z kolei Ein-

stein przesłał wiadomość Maxowi Bornowi w Getyndze, gdzie szef wydziału fizyki doświad-

czalnej, James Franck, stwierdził, że eksperymenty Davissona »już wykazały istnienie ocze-

kiwanego efektu«” (J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera, s. 89–90).

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

134

Davisson i Germer rozpraszali elektrony na powierzchni metalu. Okazuje

się, że sieć krystaliczna spełnia dla elektronów analogiczną rolę jak siatka

dyfrakcyjna dla światła i można zaobserwować charakterystyczne obrazy

dyfrakcyjne. Wynika stąd, że cząstki są zatem w jakimś sensie falami, po-

dobnie jak Planck i Einstein wykazali, że w przypadku światła fale są

w jakimś sensie cząstkami. Późniejsze doświadczenia wykazały, że własno-

ści falowe przejawiają nie tylko elektrony, ale również atomy, a nawet duże

molekuły.

Rysunek 15. Interferencja fal: gdy nakładają się fale o takiej samej długości zgodne

w fazie (grzbiet z grzbietem i dolina z doliną), prowadzi to do wzmocnienia amplitudy

drgań (interferencja konstruktywna). W przeciwnym wypadku, gdy spotykają się fale

w przeciwnych fazach (grzbiet jednej fali pokrywa się z doliną drugiej), następuje wy-

gaszenie drgań (interferencja destruktywna). Rezultat interferencji fal przedstawiony jest

na rysunku linią pogrubioną. W ogólnym wypadku nakładania się fal o różnych długo-

ściach i różnych amplitudach fala powstająca w wyniku interferencji może przyjąć

znacznie bardziej złożony kształt. Jeżeli elektrony są f a l a m i m a t e r i i, to powinny

być obserwowane zjawiska dyfrakcji i interferencji elektronów.

Dla tematu niniejszej książki najważniejsze jest to, że na podstawie hi-

potezy de Broglie’a można w prosty sposób wyjaśnić występowanie orbit

stacjonarnych Bohra, tzn. uzasadnić, dlaczego elektron w atomie nie może

znajdować się w dowolnej odległości od jądra, czyli na jakiejkolwiek orbi-

cie, ale jedynie na takiej, na której spełniony jest pierwszy warunek kwan-

towy Bohra.

Schrödinger, zachęcony odkryciem de Broglie’a, wysunął hipotezę, że

elektrony w atomie nie są punktowymi obiektami (resp. cząstkami) krążą-

Fale materii de Broglie’a

135

cymi po orbitach, lecz f a l a m i s t o j ą c y m i, otaczającymi jądro. Fale

stojące powstają na przykład wskutek drgania struny. Uderzona struna gitary

zaczyna drgać. Między punktem zamocowania struny (podstawkiem) i pro-

giem, przy którym została przyciśnięta, powstaje fala stojąca, charakteryzu-

jąca się tym, że w punktach, gdzie struna jest unieruchomiona, występują

tzw. węzły, czyli miejsca o zerowej amplitudzie drgań. Oczywiście mogą

powstać jedynie takie fale stojące, które mają c a ł k o w i t ą liczbę węzłów.

Drgająca struna może zawierać najmniej dwa węzły, między którymi znaj-

duje się p o ł o w a długości fali.

Rysunek 16. Powiązanie fal materii z orbitami stacjonarnymi Bohra. Wyobraźmy so-

bie, że fala de Broglie’a została „zwinięta” wokół okręgu o promieniu R. Aby uzyskać

stan stacjonarny, na orbicie musi zmieścić się całkowita wielokrotność fal de Bro-

glie’a, ponieważ tylko wtedy fale elektronowe związane z obiegiem elektronu nie bę-

dą się wygaszały wskutek interferencji.

Otóż jeżeli elektrony zinterpretujemy jako fale stojące, to w atomie dłu-

gość „orbity stacjonarnej” musi być całkowitą wielokrotnością długości

fali elektronu, ponieważ w przeciwnym wypadku fale w wyniku interfe-

rencji destruktywnej uległyby wygaszeniu. Musi zatem być spełniony nastę-

pujący warunek: n = 2 R, gdzie R jest promieniem dozwolonej orbity

w modelu Bohra. Ponieważ długość fali elektronu związana jest z jego pę-

dem p zależnością: = h/p, to nh/p = 2 R. Stąd pR = nh/2 . Ponieważ zaś

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

136

p = mv, to otrzymujemy mvR = nh/2 — czyli dokładnie warunek kwanto-

wy Bohra!

Interpretacja elektronów jako stojących fal materii wokół jądra atomowe-

go prowadzi więc do naturalnej, a nawet poglądowej interpretacji faktu

skwantowania orbit w atomie. Nadal jednak stajemy przed poważnymi pro-

blemami. Fale na wodzie polegają po prostu na tym, że drgają cząsteczki

wody, dźwięk jest zjawiskiem falowym, które polega na drganiu cząsteczek

powietrza. Co natomiast drga w atomie? Czym jest właściwie „fala związana

z cząstką”? W jakim sensie elektron, który J. J. Thomson zidentyfikował

jako c z ą s t k ę o ładunku e i masie m, jest f a l ą? „Być cząstką albo falą?”

— oto jest pytanie. Problem interpretacji dualizmu korpuskularno-falowego

przewija się przez całą historię mechaniki kwantowej.

Podstawy mechaniki kwantowej sformułowali niemal równocześnie

i niezależnie od siebie W. Heisenberg i E. Schrödinger. Olbrzymi wkład wnio-

sło wielu innych wybitnych fizyków — M. Planck, A. Einstein, N. Bohr,

L. de Broglie, M. Born, P. Jordan, J. von Neumann, W. Pauli, P. A. M. Dirac,

E. Fermi i inni.

Pod koniec 1925 roku Heisenberg podał dość abstrakcyjne, macierzowe

sformułowanie nowej teorii mikroświata. Oparte ono było na inspirowanym

filozofią pozytywistyczną postulacie eliminowania z teorii fizycznej wielko-

ści „zasadniczo nieobserwowalnych”. „Coraz oczywistsze stawało się dla

niego, że przeszkodą w posunięciu naprzód teorii kwantowej było pojęcie,

które uważano za chlubę starszej teorii kwantów — pojęcie wyróżnionej

orbity, wprowadzone przez Bohra. Heisenberg doszedł do wniosku, że poję-

ciu temu nic w przyrodzie nie odpowiada”211

. Gdybyśmy bowiem próbowali

zaobserwować orbitę elektronu, rozumianą jako jego droga wewnątrz atomu,

należałoby użyć mikroskopu o bardzo dużej zdolności rozdzielczej. Ozna-

czałoby to konieczność zastosowania światła o skrajnie małej długości fali.

Jednak wówczas kwanty świetlne niosą bardzo dużą energię (E = hc/ )

i pierwszy foton, który uderzyłby w elektron i odbiłby się od niego, trafiając

następnie do oka obserwatora lub na kliszę fotograficzną, spowodowałby

wybicie elektronu z jego orbity. Jeżeli zatem można obserwować tylko jeden

punkt orbity elektronowej, to — według Heisenberga — należy w ogóle

—————— 211 G. Białkowski, Stare i nowe drogi fizyki. Fizyka XX wieku, Wiedza Powszechna, War-

szawa 1982, s. 122.

Fale materii de Broglie’a

137

odrzucić pojęcie toru elektronu, ponieważ wyrażenie to oznacza wielkość

„zasadniczo nieobserwowalną”. Ostateczne sformułowanie macierzowej

wersji mechaniki kwantowej nastąpiło pod koniec 1925 roku w słynnej pra-

cy Heisenberga, Borna i Jordana.

Niemal równocześnie z mechaniką macierzową, bo w styczniu 1926 roku

Schrödinger sformułował mechanikę falową. Zarówno jego punkt wyjścia,

jak i formalizm matematyczny były całkowicie odmienne od koncepcji

Heisenberga. Schrödinger w sposób znacznie bardziej poglądowy niż Hei-

senberg podszedł do zagadnienia: wyobraził sobie elektron jako rozmytą

w przestrzeni falę materii i podał równanie opisujące fale materii de Bro-

glie’a. Tak więc społeczność fizyków otrzymała nie tylko długo oczekiwaną

teorię, ale nawet dwie — całkowicie odmienne. Na szczęście okazały się one

równoważne, co udowodnili wkrótce Schrödinger, Eckhart i Dirac.

W dalszej części rozważań nad atomistyczną budową materii zajmiemy

się opisem atomu według równania Schrödingera, podstawowego równania

nierelatywistycznej mechaniki kwantowej.

ROZDZIAŁ CZTERNASTY

ATOM SCHRÖDINGERA

Austriacki fizyk Erwin Schrödinger (1887–1961) sformułował w 1926

roku równanie, które stało się kamieniem węgielnym współczesnej mecha-

niki kwantowej i podstawą dzisiejszego rozumienia struktury atomu. Me-

chanika kwantowa jest, obok teorii względności, podstawową teorią fizyki

współczesnej i w przekonaniu większości fizyków stosuje się nie tylko do

mikroświata, ale ma uniwersalny zakres stosowalności, chociaż w sferze

doświadczenia makroskopowego kwantowe własności materii na ogół nie

ujawniają się bezpośrednio. W rozdziale tym zajmiemy się podstawowymi

zasadami mechaniki kwantowej, wybierając z ogromnego bogactwa jej za-

stosowań jedynie te, które bezpośrednio dotyczą budowy atomu.

Zgodnie ze standardową interpretacją mechaniki kwantowej opis ukła-

dów fizycznych opiera się na następujących zasadach212

:

—————— 212 Względnie przystępne omówienie podstawowych zasad mechaniki kwantowej opiera-

jącej się na teorii przestrzeni Hilberta por. M. Heller, Mechanika kwantowa dla filozofów,

OBI, Kraków 1996; G. Białkowski, Stare i nowe drogi fizyki. Fizyka XX wieku, s. 89–108. Jak

zauważa Białkowski, sposób formułowania tych postulatów bywa różny i „zależy trochę od

gustu”, ale ich pełna zawartość jest zawsze taka sama. Przez „standardową interpretację me-

chaniki kwantowej” rozumiem tu interpretację podaną przez Bohra i jego szkołę, określaną

również mianem „kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej”. Istnieją inne, konkuren-

cyjne interpretacje mechaniki kwantowej, których omówienie wykracza jednak poza ramy

niniejszej książki. Stosunkowo prosto omawiają wybrane interpretacje mechaniki kwantowej:

M. Gell-Mann, Kwark i jaguar…, s. 191–230; Cz. Białobrzeski, Podstawy poznawcze fizyki

świata atomowego, PWN, Warszawa 1984, s. 167–308 (w pracy tej Białobrzeski formułuje

również własną, ontologiczną interpretację mechaniki kwantowej); R. Penrose, Nowy umysł

cesarza. O komputerach, umyśle i prawach fizyki, tłum. P. Amsterdamski, Wyd. Naukowe

PWN, Warszawa 1996, (szczególnie rozdział 6: Tajemnica kwantowej magii, s. 254–337);

J. Misiek, Komplementarności zasada, [w:] Filozofia a nauka. Zarys encyklopedyczny,

s. 305–313. Spośród nowszych prac dotyczących interpretacji mechaniki kwantowej, których

lektura wymaga jednak znajomości podstaw tej teorii, warto polecić m.in.: R. Omnès, The

Atom Schrödingera

139

Stan dowolnego układu kwantowomechanicznego, takiego jak na przy-

kład elektron czy atom, opisuje pewne wyrażenie matematyczne określane

zwykle jako f u n k c j a f a l o w a . O interpretacji funkcji falowej i nie-

których problemach filozoficznych z nią związanych będzie mowa w dal-

szej części książki. Na razie wystarczy nam stwierdzenie, że funkcja

zawiera wszystkie informacje, jakie fizyka pozwala uzyskać o danym

układzie.

Wielkości fizyczne mierzalne, takie jak energia, pęd czy położenie cząst-

ki elementarnej, nazywają się w mechanice kwantowej o b s e r w a b l a m i.

Reprezentowane są one w matematycznym formalizmie teorii przez pewne

działania matematyczne nazywane o p e r a t o r a m i. Operatory te spełniają

ściśle określone przez teorię warunki. W rezultacie „działania” operatora A

na funkcję falową , opisującą pewien stan kwantowy, otrzymujemy

w ogólnym wypadku inny stan, powiedzmy ’. Symbolicznie zapisujemy to

następująco: A = ’. Szczególne znaczenie mają takie operatory, których

działanie na stan opisany funkcją falową sprowadza się do pomnożenia

przez pewną liczbę rzeczywistą: A = a . Równanie takie nazywamy

r ó w n a n i e m w ł a s n y m danego operatora, wartości liczbowe a —

w a r t o ś c i a m i w ł a s n y m i, natomiast funkcję falową — f u n k c j ą

w ł a s n ą.

Związek tego wszystkiego z doświadczeniem jest następujący: w rezulta-

cie pomiaru jakiejkolwiek wielkości fizycznej można otrzymać tylko jedną

z liczb rzeczywistych, które są wartościami własnymi operatora reprezentu-

jącego tę wielkość fizyczną. W rezultacie pomiaru układ przechodzi do stanu

opisywanego funkcją falową, która jest funkcją własną operatora odpowia-

dającego mierzonej wielkości, i jest to funkcja własna odnosząca się do war-

tości własnej uzyskanej w rezultacie pomiaru.

—————— Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton University Press, Princeton, New Jersey

1994; R. Healey, The Philosophy of Quantum Mechanics, Cambridge University Press, Cam-

bridge 1991; P. Bush, P. J. Lathi, P. Mittelstaed, The Quantum Theory of Measurement, Sprin-

ger-Verlag, Berlin–Heidelberg–New York–London–Paris–Tokyo–Hong Kong–Barcelona–

–Budapest 1991 (zwłaszcza s. 99–137); D. Z. Albert, Quantum Mechanics and Experience,

Harvard University Press, Cambridge Massachusetts–London,England 1992; J. T. Cushing,

E. McMullin (eds.), Philosophical Consequences of Quantum Theory. Reflections on Bell’s

Theorem, University of Notre Dame Press, Notre Dame, Indiana 1989.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

140

Pamiętamy, iż podstawową własnością fal jest zjawisko interferencji. Po-

lega ono na tym, że fala opisywana funkcją falową 1 nakłada się na falę

opisywaną funkcją falową 2, dając w rezultacie nową falę opisywaną funk-

cją falową = 1 + 2. Rzecz jasna tych „fal składowych” może być

znacznie więcej i amplitudy fal możemy wzmacniać lub osłabiać przed do-

puszczeniem ich do interferencji, co matematycznie reprezentujemy przez

pomnożenie każdej fali składowej przez pewną liczbę zespoloną213

. W me-

chanice kwantowej tę własność fal odzwierciedla z a s a d a s u p e r p o z y -

c j i s t a n ó w. Oznacza ona, że jeżeli układ może znajdować się w stanach

opisywanych przez funkcje falowe 1, 2, …, n, to może znajdować się

w stanie opisywanym przez sumę tych funkcji falowych z odpowiednimi

współczynnikami liczbowymi: = c1 1 + c2 2 + … cn n, gdzie ci ozna-

czają dowolne liczby zespolone. W matematyce suma taka nazywa się kom-

binacją liniową, a z fizycznego punktu widzenia oznacza to, że fale mecha-

niki kwantowej mogą ze sobą interferować. Jak zobaczymy dalej, zasada

superpozycji stanów jest odpowiedzialna za pewne zdumiewające własności

mikroświata, zupełnie odmienne od tych, jakie przejawiają się w świecie

dostępnym bezpośredniej obserwacji.

Jeżeli układ kwantowomechaniczny pozostawiony jest samemu sobie, to

zmiany stanu układu w czasie opisuje r ó w n a n i e S c h r ö d i n g e r a.

W dalszej części rozważań nie będziemy wchodzić głębiej w matema-

tyczne szczegóły opisu świata w mechanice kwantowej i skoncentrujemy się

na fizycznym sensie równania Schrödingera214

, który najłatwiej można wyja-

śnić przez porównanie z opisem układów w dynamice Newtona.

—————— 213 Por. G. Białkowski, Stare i nowe drogi fizyki…, s. 92. 214 Wspomnę jedynie, że w najogólniejszym wypadku dla funkcji falowej , reprezentu-

jącej stan układu, równanie Schrödingera ma następującą postać:

Ht

i ˆ ,

gdzie 1i jest jednostką urojoną, — zredukowaną stałą Plancka, symbol t oznacza

różniczkowanie po czasie, natomiast H jest hamiltonianem układu, czyli pewną wielkością

matematyczną odpowiadającą całkowitej energii układu. Zainteresowanym szczegółami

czytelnikom warto polecić klasyczny podręcznik mechaniki kwantowej: L. I. Schiff, Mecha-

nika kwantowa, tłum. Z. Rek i Z. Rek, PWN, Warszawa 1977.

Atom Schrödingera

141

W dynamice klasycznej stan mechaniczny układu w danej chwili jest

jednoznacznie określony przez położenia i pędy elementów składowych.

Równanie Newtona (F = ma) i warunki początkowe jednoznacznie determi-

nują wszystkie przyszłe zdarzenia w układzie zamkniętym. Podobnie jest

w mechanice kwantowej: jeśli dany jest kształt funkcji falowej dla układu

zamkniętego w pewnej chwili, wówczas równanie Schrödingera jedno-

znacznie determinuje kształt funkcji falowej w dowolnej chwili później-

szej, i w tym sensie równanie Schrödingera jest d e t e r m i n i s t y c z n e,

analogicznie do równania ruchu w dynamice Newtona.

Głębokie różnice między opisem układów fizycznych w mechanice kla-

sycznej i kwantowej wynikają z interpretacji fizycznego znaczenia funkcji

falowej . Max Born (1882–1970) sformułował w 1926 roku s t a t y -

s t y c z n ą i n t e r p r e t a c j ę f u n k c j i f a l o w e j, która stała się podstawą

standardowej (tzn. kopenhaskiej) interpretacji mechaniki kwantowej, i która

współcześnie jest prawie215

powszechnie przyjęta przez fizyków. Zgodnie

z nią funkcja n i e reprezentuje niczego, co można zaobserwować lub zmie-

rzyć, natomiast wyznacza p r a w d o p o d o b i e ń s t w o tego, że cząstka

znajduje się w pewnej chwili w określonym obszarze przestrzeni.

W mechanice klasycznej równania ruchu i warunki początkowe jedno-

znacznie determinują wszystkie przyszłe zdarzenia w układzie zamkniętym,

co czyni przewidywalnym przynajmniej stosunkowo proste procesy mecha-

niczne. Równanie Schrödingera na ogół nie pozwala na jednoznaczne prze-

widywanie przyszłego zachowania układu, ale umożliwia jedynie przewi-

dywanie p r a w d o p o d o b i e ń s t w, czyli w z g l ę d n e j c z ę s t o ś c i

—————— 215 Piszę „prawie” i „dość powszechnie”, unikając tym sposobem kwantyfikatorów ogól-

nych, bliższa bowiem analiza filozoficznych prac fizyków pokazuje, że nawet w ramach

jednej „szkoły” — na przykład kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej — dają się

dostrzec istotne różnice między filozoficznymi stanowiskami poszczególnych jej reprezentan-

tów. Ramy niniejszej książki nie pozwalają na bardziej szczegółową analizę tych subtelnych

kwestii filozoficznych. Jedynie tytułem przykładu wspomnę, że już sama interpretacja pojęcia

prawdopodobieństwa — w szczególności zaś związek pojęcia prawdopodobieństwa z naszą

wiedzą o układzie, resp. brak takiego związku w obiektywistycznej interpretacji prawdopodo-

bieństwa, a zatem i pogląd na obiektywność opisu świata w ramach mechaniki kwantowej —

jest nadal przedmiotem licznych kontrowersji. Jeszcze poważniejsze problemy dotyczące

obiektywności poznania pojawiają się w rezultacie pytania o status obserwatora w mechanice

kwantowej.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

142

r e z u l t a t ó w p o m i a r ó w. Znając odpowiednią funkcję falową, można

na przykład obliczyć prawdopodobieństwo, że w wyniku przeprowadzonego

pomiaru znajdziemy elektron w pewnym obszarze przestrzeni, albo prawdo-

podobieństwo, że układ (np. atom) ma w wyniku pomiaru określoną energię.

Ogólnie rzecz biorąc, na podstawie znajomości funkcji falowej można

obliczyć prawdopodobieństwo tego, że układ, który początkowo znajduje się

w stanie A, znajdzie się w stanie B. Jednakże mechanika kwantowa n i e

o p i s u j e, w jaki sposób nastąpiło przejście między tymi stanami i co działo

się z układem podczas zmiany stanu.

Mechanika kwantowa prowadzi więc do wniosku o całkowitej nieade-

kwatności wyobrażenia atomu jako miniaturowego układu planetarnego,

nawet takiego jak w modelu Bohra lub Sommerfelda, w którym elektrony

mogą krążyć jedynie po wybranych orbitach i wykonywać między nimi

dziwne przeskoki kwantowe. Wynika to z fundamentalnego twierdzenia

mechaniki kwantowej — z a s a d y n i e o z n a c z o n o ś c i H e i s e n b e r -

g a, która stanowi bezpośrednią konsekwencję kwantowomechanicznego

rachunku operatorów. Została ona sformułowana przez Wernera Hei-

senberga (1901–1976) w 1927 roku216

.

Z matematycznego sformułowania mechaniki kwantowej wynika, że nie

jest możliwy j e d n o c z e s n y pomiar z d o w o l n ą dokładnością pewnych

par wielkości fizycznych — nazywamy je wielkościami sprzężonymi. Przy-

kładem takich par wielkości są x-owa składowa pędu i odpowiadająca jej

składowa położenia cząstki elementarnej. W szczególnym przypadku zasada

nieoznaczoności sprowadza się do twierdzenia, że nie można jednocześnie

z dowolną dokładnością określić składowej pędu i odpowiadającej jej skła-

dowej położenia cząstki elementarnej. Wyraża to słynna formuła:

2

xpx .

We wzorze tym x oznacza nieoznaczoność x-owej składowej współ-

rzędnej cząstki elementarnej, natomiast xp — nieoznaczoność x-owej

—————— 216

W. Heisenberg, Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik

und Mechanik, „Zeitschrift für Physik” 1927, nr 43.

Atom Schrödingera

143

składowej pędu. Analogiczne relacje obowiązują również dla pozostałych

par składowych przestrzennych: y i z. (Można natomiast zmierzyć jedno-

cześnie z d o w o l n ą dokładnością np. pęd i energię cząstki elementarnej

czy też x-ową składową położenia i y-ową składową jej pędu.) Ogólne

sformułowanie zasady nieoznaczoności można znaleźć w odpowiedniej

literaturze217

.

Dla dalszych rozważań przydatne będzie jeszcze podanie zasady nie-

oznaczoności dla energii i czasu:

2

tE ,

gdzie: E oznacza nieoznaczoność energii, t — nieoznaczoność czasu.

Relacje nieoznaczoności wyrażają fundamentalne własności świata

kwantowego i nie są w żaden sposób związane z kwestiami technicznymi —

naszą nieumiejętnością w wykonywaniu odpowiednich pomiarów. Dotyczą

bowiem również pomiarów wyidealizowanych, przeprowadzonych z abso-

lutną precyzją. Prowadzi to do zakwestionowania przypuszczenia, że obiek-

towi kwantowemu p r z y s ł u g u j ą jednocześnie ściśle określone wartości

dwu wielkości sprzężonych. Według przeważającej w nauce interpretacji,

uwidacznia to fakt, że fotony, elektrony, protony i inne cząstki elementarne

nie są „cząstkami” w dokładnie takim samym sensie, jak newtonowskie kor-

puskuły. Jeżeli cząstkom kwantowym nie przysługują równocześnie właści-

we cząstkom klasycznym ściśle określone położenie i pęd, to cząstki kwan-

towe nie mają również jednoznacznie określonego toru w czasoprzestrzeni.

Laplace sądził, że dokładna znajomość równań ruchu i warunków po-

czątkowych pozwalałaby (oczywiście tylko komuś, kto by mógł rozwiązać

odpowiednie równania) na przewidywanie przyszłości świata w najdrob-

niejszych szczegółach, a stopień dokładności predykcji byłby ograniczony

jedynie przez — zawsze przecież skończoną — dokładność, z jaką można

określić warunki początkowe. Jednak w obliczu odkryć mechaniki kwan-

towej tak skrajnie optymistyczny pogląd na potencję poznawczą podmiotu

naturalnego, w szczególności zaś opinia co do możliwości jednoznacznego

—————— 217

Por. np. B. Średniawa, Mechanika kwantowa, s. 54 n.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

144

przewidywania zjawisk, okazuje się nie do utrzymania. Z przyczyn natury

obiektywnej nie jest możliwe jednoczesne poznanie warunków początko-

wych (odpowiednich składowych pędu i położenia) z dowolną dokładno-

ścią nawet dla j e d n e j cząstki. Jednoznaczne przewidywanie przyszłego

zachowania nawet pojedynczej cząstki okazuje się niemożliwe, jedno-

znaczne przewidywanie przyszłych losów całego wszechświata okazuje się

fikcją. W przeciwieństwie do mechaniki klasycznej, w której granice

przewidywalności są uwarunkowane naturą poznania — w mechanice

kwantowej granice przewidywalności zjawisk są uwarunkowane samą na-

turą rzeczywistości fizycznej.

Fundamentalne różnice między mechaniką klasyczną a mechaniką kwan-

tową uwidacznia również fakt, że w mechanice kwantowej w zasadniczo

odmienny sposób opisywany jest układ izolowany i układ poddawany proce-

sowi obserwacji (pomiaru). Gdy układ kwantowy pozostawiony jest samemu

sobie, funkcja falowa opisująca stan tego układu zmienia się w czasie w

sposób ciągły i całkowicie przewidywalny, zgodnie z równaniem Schrödi-

ngera. Natomiast w rezultacie pomiaru, podczas którego oczywiście układ

przestaje być układem izolowanym i oddziałuje z urządzeniem eksperymen-

talnym, następuje proces zwany r e d u k c j ą f u n k c j i f a l o w e j.

Jeżeli przed pomiarem układ znajduje się w stanie opisywanym funkcją

falową , która jest superpozycją różnych funkcji własnych odpowiednich

wielkości fizycznych: = c1 1 + c2 2 + … + cn n, to w rezultacie pomia-

ru układ znajdzie się w jednym z jej stanów własnych i, odpowiadającym

wartości własnej uzyskanej w rezultacie pomiaru. Z wielu możliwych sta-

nów w rezultacie pomiaru aktualizuje się jeden. Zmiana ta ma charakter

natychmiastowy i w odniesieniu do pojedynczego pomiaru nieprzewidywal-

ny — można przewidzieć jedynie prawdopodobieństwo (czyli względną

częstość) wyniku pomiaru. Podobnie jak w wypadku rzutu monetą nie mo-

żemy przewidzieć z pewnością, czy wypadnie orzeł, czy reszka, wiemy na-

tomiast, że prawdopodobieństwo wyrzucenia orła wynosi 1/2. Oznacza to, że

w bardzo długiej serii rzutów średnio w połowie przypadków wypadnie nam

orzeł218

.

—————— 218 Szerzej zagadnienie redukcji funkcji falowej w mechanice kwantowej analizuje w nie-

zmiernie interesujący sposób R. Penrose w pracy Makroświat, mikroświat i umysł ludzki. Por.

także R. Penrose, Nowy umysł cesarza…, s. 254–337.

Atom Schrödingera

145

Rysunek 17. Interferencja elektronów na dwóch szczelinach. Elektrony przechodzą

przez przesłonę z dwiema wąskimi szczelinami S1 i S2. Wykresy z prawej strony re-

prezentują prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w poszczególnych miejscach

ekranu w wypadku, gdy otwarte są obydwie szczeliny albo tylko jedna.

Osobliwość zachowania się mikroobiektów w porównaniu z przedmiota-

mi makroskopowego doświadczenia widać bardzo wyraźnie na podstawie

następującego przykładu: Rozważmy skrajnie uproszczoną wersję doświad-

czenia Davissona–Germera, w którym obserwuje się dyfrakcję elektronów

na sieci krystalicznej. W doświadczeniu tym pojedyncze elektrony kieruje-

my na nieprzenikliwą przesłonę z dwiema wąskimi szczelinami S1 i S2, za

którą znajduje się klisza fotograficzna, umożliwiająca rejestrację elektronów.

Rozważmy najpierw przypadek, gdy jedna szczelina jest zasłonięta, a na-

stępnie, gdy otwarte są obie.

W pierwszym przypadku elektron może dotrzeć do kliszy tylko jedną

drogą. Jeżeli elektron przejdzie przez szczelinę i trafi na kliszę fotograficzną,

spowoduje to reakcję chemiczną i po wywołaniu kliszy widoczna będzie

jasna plamka w miejscu, gdzie trafił elektron. Świadczy to o tym, że elek-

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

146

tron, padając na kliszę, zachowuje się jak c z ą s t k a dobrze zlokalizowana

przestrzennie. Jeżeli przez szczelinę przepuścimy jeden elektron, po jakimś

czasie następny itd., wówczas po przejściu bardzo dużej liczby elektronów

i wywołaniu kliszy otrzymamy obraz miejsc, w które trafiły poszczególne

elektrony: najwięcej trafień znajdzie się w punkcie naprzeciwko szczeliny

i ich liczba będzie stopniowo maleć w miarę wzrostu odległości od tego

punktu. Przypomina to nieco widok tarczy strzeleckiej po oddaniu wielu

strzałów — w wypadku dobrego strzelca większość z nich skupi się wokół

„dziesiątki”, ale zwykle uzyskamy pewien rozrzut.

W przypadku drugim otwarte są obydwie szczeliny i elektron m o ż e

dotrzeć do kliszy dwiema drogami. Gdyby prawa fizyki klasycznej i zgodne

z nimi potoczne intuicje poprawnie opisywały zachowanie się elektronów,

należałoby oczekiwać, że elektron — skoro jest niepodzielną cząstką —

może przejść tylko przez jedną ze szczelin i trafić na kliszę fotograficzną.

Wówczas elektrony, które przeszły przez szczelinę S1, powinny utworzyć

obraz podobny do opisanego wyżej, podobnie jak elektrony, które przeszły

przez szczelinę S2. Całkowity obraz na kliszy byłby sumą efektów pocho-

dzących od elektronów n i e z a l e ż n i e przechodzących a l b o przez jedną,

a l b o drugą szczelinę. Innymi słowy: prawdopodobieństwo trafienia elek-

tronu w określony punkt P kliszy powinno być równe s u m i e p r a w d o -

p o d o b i e ń s t w zdarzeń „elektron przeszedł przez szczelinę S1 i trafił

w punkt P” i „elektron przeszedł przez szczelinę S2 i trafił w punkt P”. Do-

świadczenie jednak pokazuje, że tak nie jest! Jeżeli otwarte są obydwie

szczeliny, na kliszy obserwujemy charakterystyczny obraz interferencyjny.

W wyniku otwarcia drugiej szczeliny elektron n i e m o ż e trafić tam, gdzie

mógł trafić, kiedy była otwarta tylko jedna szczelina.

Podobnie jak interferujące fale mogą znosić się wzajemnie, tak w sytuacji

gdy otwarte są obydwie szczeliny pewne miejsca na ekranie, w których

związane z elektronami fale uległy interferencji destruktywnej, okazują

się dla elektronów niedostępne i w tym sensie mówimy, że elektrony interfe-

rują ze sobą. Ważne jest uświadomienie sobie faktu, że dzieje się tak nawet

wówczas, gdy przez układ dwóch szczelin przepuszczamy elektrony p o -

j e d y n c z o, w dowolnie długich odstępach czasu. Efektu tego nie obser-

wowalibyśmy, gdyby każdy elektron przechodził a l b o przez szczelinę S1,

a l b o przez szczelinę S2.

Atom Schrödingera

147

Może zatem elektron ulega jednak podziałowi przy przejściu przez szcze-

liny? Aby sprawdzić tę hipotezę, musimy stwierdzić, przez którą szczelinę

przechodzi elektron. Wystarczy w tym celu skierować w stronę szczelin

wiązkę światła: jeśli foton odbije się od elektronu i trafi do odpowiedniego

detektora, będziemy w stanie zaobserwować, którędy przeszedł elektron.

Oczywiście musimy użyć światła o dostatecznie małej długości fali, która

umożliwi nam rozstrzygnięcie, czy zaobserwowany elektron przeszedł przez

S1 czy przez S2. (Warto przy okazji przypomnieć, że im mniejsza długość

fali, tym większą energię niesie foton.) Stwierdzamy wtedy, że k a ż d y

elektron przechodzi tylko przez j e d n ą szczelinę (a więc nie dzieli się na

części), ale również, że w wypadku gdy znamy drogę elektronu, na kliszy

nie pojawia się obraz interferencyjny. Jeżeli nie oświetlamy elektronów i nie

wiemy, czy dany elektron przeszedł przez S1 czy przez S2, wtedy znów po-

jawia się obraz interferencyjny, który jest w doskonałej zgodności

z obliczonymi z mechaniki kwantowej rezultatami interferencji fal 219

. Jest

to bardzo dziwny rezultat — każdy elektron, trafiając na kliszę fotogra-

ficzną, powoduje ślad charakterystyczny dla oddziaływania cząstki, nato-

miast rozkład przestrzenny tych śladów jest taki jak w wypadku interferen-

cji fal.

W związku z powyższymi wynikami eksperymentu często pada dość iry-

tujące pytanie: Skąd elektron „wie”, czy otwarta jest jedna, czy dwie szcze-

liny, a mówiąc nieco poważniej: dlaczego elektrony zachowują się inaczej,

gdy je „obserwujemy”, a inaczej, gdy tego nie robimy? Rezultatów ekspe-

rymentu interferencyjnego nie można w żaden sposób wyjaśnić na podstawie

mechaniki klasycznej i w tym sensie zawiera się w nim cała istota mechaniki

kwantowej.

Teraz możemy już powrócić do głównego wątku naszych rozważań, to

znaczy do opisu atomu w mechanice kwantowej. Atom składa się z dodatnio

naładowanego jądra i elektronów. Opis atomu w mechanice kwantowej po-

lega więc na rozwiązaniu równania Schrödingera z uwzględnieniem odpo-

wiednich warunków, które dotyczą charakteru sił działających między ją-

drem a elektronami. W pewnych prostych przypadkach, jak na przykład dla

—————— 219 Por. R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, t. 1, cz. 2,

s. 186; R. Penrose, Nowy umysł cesarza…, s. 268 n.; E. H. Wichmann, Fizyka kwantowa,

tłum. W. Gorzkowski, A. Szymacha, PWN, Warszawa 1975, s. 276.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

148

atomu wodoru, równanie Schrödingera może być rozwiązane analitycznie.

Po odpowiednim treningu w rozwiązywaniu równań różniczkowych można,

po kilku godzinach rachunków (lub znacznie szybciej — przy użyciu kom-

putera), obliczyć poziomy energetyczne atomu wodoru, które bardzo dobrze

zgadzają się z mierzonymi doświadczalnie. Można również wyznaczyć

funkcje falowe atomu wodoru i w ogóle wszystkie te rzeczy, które interesują

fizyków, gdy opisują atomy.

Mechanika kwantowa ukazuje zatem naszym oczom (a raczej umysłom)

świat bardzo odmienny od świata codziennego doświadczenia. Mechanika

klasyczna przedstawia model świata jako zbiorowisko twardych, masyw-

nych i bezwładnych atomów poruszających się w przestrzeni po ciągłych

i jednoznacznie określonych trajektoriach. Taki obraz świata łatwo sobie

wyobrazić i jest on zgodny z naszymi intuicjami ukształtowanymi na pod-

stawie codziennego doświadczenia. Jednak próba zastosowania takiego ob-

razu do atomu, w szczególności wyobrażenie elektronu jako klasycznej

cząstki, poruszającej się po orbicie wokół jądra, doprowadziła do nieprze-

zwyciężalnych trudności w modelu Rutherforda. Częściowo pokonał te trud-

ności Bohr, formułując niezgodne z fizyką klasyczną postulaty kwantowe.

W modelu Bohra było jeszcze miejsce na elektrony, traktowane jako zwykłe

cząstki, które różniły się od cząstek opisywanych przez mechanikę klasycz-

ną jedynie tym, że poruszały się po wybranych orbitach i przeskakiwały

z jednej orbity na drugą, nie zajmując żadnego miejsca pomiędzy nimi.

Jeszcze dalsze odejście od poglądowych wyobrażeń na temat struktury

atomu widoczne jest w teorii atomu sformułowanej na podstawie równania

Schrödingera. W odpowiedzi na pytania: „Gdzie jest kwantowa cząstka?”,

„Gdzie w atomie znajduje się elektron?”, „W jaki sposób się porusza?”

można podać tylko odpowiednie prawdopodobieństwa określone przez funk-

cję falową . Można powiedzieć, że kwantowa cząstka, taka jak elektron

w atomie, jest w wielu różnych miejscach w tym samym czasie i poruszając

się z A do B, eksploruje wszystkie możliwe drogi jednocześnie (Feynman),

albo że elektron nie ma ściśle określonego położenia, zanim nie zostanie

przeprowadzony pomiar, lecz istnieje jakoś potencjalnie w określonym ob-

szarze przestrzeni i dopiero przeprowadzony pomiar zmusza niejako elek-

tron do zajęcia określonego miejsca, albo w ogóle nie ma sensu mówić

o tym, co dzieje się z układem kwantowym, zanim zostanie on poddany

Atom Schrödingera

149

obserwacji (Bohr, Heisenberg) — wybór stanowiska zależy już od przyjętej

interpretacji mechaniki kwantowej.

Z zagadnieniem pomiaru w mechanice kwantowej związanych jest wiele

fascynujących i trudnych problemów z pogranicza fizyki i filozofii: Co na-

daje oddziaływaniu charakter pomiaru w sensie przyjętym w mechanice

kwantowej? Czy zajście pomiaru wymaga obecności świadomego obserwa-

tora (np. człowieka), czy też jedynie obecności innych układów czysto fi-

zycznych (np. przyrządów pomiarowych)? Jakie czynniki są odpowiedzialne

za redukcję funkcji falowej? Tym i wielu innym filozoficznym problemom

mechaniki poświęcona jest obszerna literatura220

. Ich dyskusja odwiodłaby

nas jednak od zasadniczego tematu książki.

W każdym razie standardowa wersja mechaniki kwantowej nie przypisu-

je elektronom w atomie orbit w rozumieniu fizyki klasycznej221

. Carl F. von

Weizsäcker pisze w związku z tym, że „w atomie nie istnieją obiektywnie

orbity wymagane przez mechanikę klasyczną. Orbita jest określona, jeżeli

położenie i pęd […] elektronu określone są w każdej chwili. W stabilnym

stanie atomu pęd i położenie nie istnieją jako wielkości realne. Są one »ob-

serwablami«, mogą być zmierzone, ale pomiar niszczy stan stabilny i tworzy

inny. Niemożliwość ich jednoczesnego istnienia odbija się w tym, że nie są

jednocześnie mierzalne”222

.

Jeżeli już chcemy sobie jakoś wyobrazić atom, można przyjąć, że składa

się on z dodatnio naładowanego jądra, w którym skupiona jest prawie cała

masa atomu (pamiętajmy, że masa elektronu jest blisko dwa tysiące razy

mniejsza niż masa protonu) i otaczającej je chmury elektronowej, którą two-

rzą różne fale stojące otaczające jądro. Fale te nie są jednak falami w zna-

czeniu tego terminu używanym w fizyce klasycznej (jak na przykład fale na

wodzie), ale są — przynajmniej według standardowej (to znaczy kopenha-

skiej) interpretacji mechaniki kwantowej — f a l a m i p r a w d o p o d o -

b i e ń s t w a. Zgodnie ze statystyczną interpretacją funkcji falowej znaczy to,

—————— 220 Por. Bibliografia. 221 Ściślej rzecz biorąc, zależy to od stanu kwantowego elektronu w atomie. Otóż w pew-

nych stanach, w których elektron jest bardzo słabo związany z jądrem, porusza się on po

orbicie wokół jądra w sposób bardzo podobny do planety krążącej wokół Słońca. (Por.

G. P. Collins, Kwantowe rzeźbienie, „Świat Nauki” 1999, nr 7, s. 19–20.) 222

C. F. von Weizsäcker, Wstęp, [w:] W. Heisenberg, Część i całość, s. 7.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

150

że amplituda fali jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa znalezienia

elektronu w danym miejscu w atomie.

Pamiętając więc, że orbit elektronowych nie należy rozumieć w sensie

klasycznym, uzupełnimy jeszcze nasz obraz atomu według mechaniki kwan-

towej o kilka ważnych elementów. Wiemy, że atomistyczna budowa świata

wyjaśnia własności chemiczne pierwiastków: podobne pierwiastki uszere-

gowane według mas pojawiają się w regularnych odstępach. Za własności

chemiczne danego pierwiastka całkowicie odpowiedzialne są elektrony

znajdujące się na ostatniej (walencyjnej) orbicie. Bohr wyjaśnił budowę

pierwiastków, stwierdzając, że na pierwszej orbicie znajdują się co najwyżej

dwa elektrony i że orbita zawierająca osiem elektronów jest zapełniona.

Bohr nie wyjaśnił jednak, d l a c z e g o tak jest.

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy Schrödinger podał swoje słynne

równanie, Wolfgang Pauli (1900–1958) sformułował równie sławną z a s a -

d ę w y k l u c z a n i a (1925), zwaną również z a k a z e m P a u l i e g o.

W rezultacie badań nad tzw. anomalnym zjawiskiem Zeemana (polega ono

na rozszczepieniu linii widmowych atomu w zewnętrznym polu magnetycz-

nym) odkryto nową własność cząstek atomowych, która nie ma ścisłej ana-

logii wśród własności ciał makroskopowych — s p i n. Przyjęło się oznaczać

go literą s.

Jest to własność cząstek elementarnych pod pewnymi względami przy-

pominająca klasyczny moment pędu, który jest wielkością charakteryzującą

ruch obrotowy ciał. Moment pędu podlega zasadzie zachowania. Typowym

przykładem działania zasady zachowania momentu pędu jest wirujący bąk,

który wprawiony w ruch obrotowy nie przewraca się, ponieważ moment

pędu zachowuje stały kierunek w przestrzeni. Spin również podlega zasadzie

zachowania. Jednak spin jest typowo kwantową własnością: dla cząstek,

takich jak elektron, rzut spinu na dowolną oś (oznaczaną zwyczajowo jako z)

może przyjąć tylko jedną z dwóch wartości, co jest związane z faktem, że

może się ustawić równolegle (zgodnie ze zwrotem linii sił pola) albo anty-

równolegle (przeciwnie do zwrotu linii sił pola) do zewnętrznego pola

magnetycznego. Fizycy stosują tu często określenia „spin w górę” i „spin

w dół”.

Biorąc pod uwagę spin, wszystkie cząstki można podzielić na dwa rodza-

je: b o z o n y i f e r m i o n y. Bozony są to cząstki o spinie s całkowitym,

dla których s = 0, 1, 2, … Fermiony natomiast mają spin połówkowy (to

Atom Schrödingera

151

znaczy równy nieparzystej sumie połówek): s = 1/2, 3/2 itd. Zakaz

Pauliego stwierdza, że ż a d n e d w a f e r m i o n y n i e m o g ą m i e ć

t a k i e g o s a m e g o z e s t a w u l i c z b k w a n t o w y c h (nie mogą

znajdować się w tym samym stanie kwantowym)223

. Zakaz Pauliego nie

obejmuje natomiast bozonów — w jednym stanie kwantowym może znaj-

dować się dowolna liczba bozonów.

Elektrony są fermionami. Na podstawie zakazu Pauliego można wyja-

śnić, dlaczego nie jest tak, że wszystkie elektrony zajmują stany o najniższej

energii, czyli nie „spadają” na orbitę położoną najbliżej jądra, lecz zapełniają

poszczególne orbity w pewien ściśle określony sposób. Otóż stan elektronu

w atomie charakteryzują cztery liczby kwantowe: główna liczba kwanto-

wa n, która określa energię elektronu i jest jednocześnie numerem orbity

resp. powłoki elektronowej, orbitalna liczba kwantowa l, określająca orbital-

ny moment pędu elektronu, magnetyczna liczba kwantowa m (określa rzut

momentu orbitalnego elektronu na dowolny kierunek z) i spinowa liczba

kwantowa s (dla wszystkich elektronów s = 1/2, natomiast rzut spinu na

dowolną oś przyjmuje wartości sz = 1/2). Jeżeli dwa elektrony nie mogą

znajdować się w tym samym stanie kwantowym, to znaczy, że jest rzeczą

niemożliwą, by wszystkie liczby kwantowe przyjęły dla jakichś dwóch elek-

tronów te same wartości. Z formalizmu mechaniki kwantowej wiadomo, że

liczby kwantowe mogą przyjmować następujące wartości: n = 1, 2, …; dla

danego n, l = 0, 1, 2, …, n – 1; natomiast przy ustalonej wartości l,

m = 0, 1, 2, …, l i wreszcie sz = 1/2 dla każdej kombinacji nlm.

Dla n = 1 wartości pozostałych liczb kwantowych mogą więc przyjmo-

wać następujące wartości: l = 0, m = 0 i sz = + 1/2 lub sz = – 1/2, mamy za-

tem dwie kombinacje r ó ż n y c h liczb kwantowych nlmsz: (1, 0, 0, –1/2)

i (1, 0, 0, 1/2), co oznacza, że na pierwszej orbicie (n = 1) mogą znajdować

się co najwyżej dwa elektrony o przeciwnie skierowanych spinach. Jeżeli

n = 2, wówczas l może przyjmować wartości l = 0, 1, dla l = 0 m = 0, nato-

miast dla l = 1 m może przyjmować dwie różne wartości: m = – 1 lub m = 1.

—————— 223 Ściślej rzecz biorąc, chodzi o pewne warunki symetrii, jakim podlegają funkcje falowe

opisujące stany bozonów i fermionów. Szerzej por. np. B. C. van Fraassen, The Problem of

Indistinguishable Particles, [w:] E. Castellani (ed.), Interpreting Bodies. Classical and Quan-

tum Objects in Modern Physics, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1998,

s. 75–76.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

152

Za każdym razem s = – 1/2 lub s = + 1/2. Dla orbity drugiej otrzymujemy

więc osiem r ó ż n y c h kombinacji czterech liczb kwantowych nlmsz:

(2, 0, 0, –1/2), (2, 0, 0, 1/2), (2, 1, 0, –1/2), (2, 1, 0, 1/2) (2, 1, –1, –1/2),

(2, 1, –1, 1/2), (2, 1, 1, – 1/2), (2, 1, 1, 1/2), co oznacza oczywiście, że na tej

orbicie może znajdować się co najwyżej osiem elektronów — dokładnie tak

jak w teorii Bohra. (Ogólnie liczba stanów na powłoce n wynosi 2n2.) Widać

więc, że dopiero równanie Schrödingera w połączeniu z zakazem Pauliego

wyjaśnia budowę układu okresowego pierwiastków, co jest kolejnym wspa-

niałym sukcesem teorii atomistycznej.

We wczesnych latach trzydziestych naszego wieku elektronowa budowa

atomu była już dobrze znana, ale o jądrze atomu wiedziano niewiele poza

tym, że ma ono dużą gęstość i dodatni ładunek elektryczny. W celu lepszego

zbadania jądra Rutherford i James Chadwick (1891–1974) przeprowadzili

w latach 1919–1924 serię doświadczeń polegających na bombardowaniu

wielu różnych jąder cząstkami 224

. W pierwszych eksperymentach bom-

bardowano cząstkami atomy azotu. Rutherford stwierdził, że z rury wy-

pełnionej gazowym azotem wylatywały również jądra wodoru, pomimo że

nie było tam wodoru w chwili rozpoczęcia doświadczenia! Jądra wodoru

były więc wybijane z azotu przez cząstki alfa. Powtarzanie doświadczeń

z różnymi rodzajami substancji doprowadziło fizyków do wniosku, że jądra

wodoru, czyli p r o t o n y (gr. ώ ς — pierwszy, najdawniejszy, najdo-

stojniejszy), niosą dodatni ładunek w e w s z y s t k i c h j ą d r a c h. Na

przykład jądro wodoru zawiera jeden proton, hel dwa, tlen osiem itd. Wyniki

tych eksperymentów wskazywały na fakt, że jądra atomowe nie są po prostu

kulkami materii o dodatnim ładunku, ale że mają jakąś określoną, jeszcze

nieznaną strukturę wewnętrzną.

Jednak elektron jest blisko dwa tysiące razy lżejszy niż proton i prawie

całą masę atomu stanowi masa jądra atomowego. Wiemy, że atom tlenu jest

16 razy cięższy od atomu wodoru, ale osiem protonów daje jedynie połowę

masy — skąd zatem bierze się reszta? Rutherford wysunął hipotezę, że ist-

nieje cząstka elementarna, którą nazwał n e u t r o n e m (łac. neutrum —

nijakie), bardzo podobna do protonu, ale pozbawiona ładunku elektrycznego,

która stanowi drugi, obok protonów, składnik jąder atomowych. Protony

—————— 224 F. Close, Kosmiczna cebula. Kwarki i wszechświat, tłum. W. Stępień-Rudzka, PWN,

Warszawa 1989, s. 32.

Atom Schrödingera

153

i neutrony są więc składnikami wszystkich jąder atomowych i są określane

wspólną nazwą n u k l e o n ó w (łac. nukleus — jądro, ziarnko, pestka). Jako

cząstka nienaładowana neutron nie zostawia bezpośrednio żadnych śladów

w detektorach cząstek i Rutherford porównał go nawet do niewidzialnego

człowieka H. G. Wellsa, którego nie można bezpośrednio dostrzec, ale który

przechodząc w tłumie, potrąca ludzi.

Neutron został odkryty eksperymentalnie przez Chadwicka w 1932 roku.

Doświadczenie polegało na bombardowaniu cząstkami alfa tarcz berylowych

w obecności wosku parafinowego. Powstające w ten sposób nieznane jesz-

cze promieniowanie (które wcześniej małżonkowie Joliot-Curie błędnie

zinterpretowali jako promienie Röntgena), trafiając na wosk wybijało z nie-

go protony. Rutherford, analizując energię zawartą w promieniach Röntgena,

doszedł do wniosku, że nie jest ona wystarczająca do wybicia protonu z pa-

rafiny, lecz że mamy do czynienia z nowo odkrytymi, ciężkimi nienałado-

wanymi cząstkami wybijającymi protony.

W tym samym roku dokonano również pierwszego sztucznego rozbicia

jądra atomowego. John Douglas Cockcroft (1897–1967) i Ernest Thomas

Sinton Walton (1903–1995) skonstruowali właśnie pierwszy a k c e l e r a -

t o r — urządzenie do przyspieszania cząstek elementarnych i za jego po-

mocą, bombardując protonami jądra litu, rozbili po raz pierwszy jądro

atomowe.

W 1934 roku Enrico Fermi (1901–1954), prowadząc eksperymenty zde-

rzeniowe, zaobserwował pojawianie się w rezultacie tego procesu jąder ato-

mowych, które nie stanowiły składników bombardowanej tarczy. Początko-

wo sądził, że wytworzył w ten sposób sztuczne pierwiastki — transuranow-

ce. Jednak Otto Hahn (1879–1968) i Lise Meitner (1878–1968), prowadząc

podobne doświadczenia, zamiast nowego pierwiastka w produktach reakcji

wykryli jądra znanego już pierwiastka — baru. Stwierdzono, że bombardo-

wanie uranu powolnymi neutronami powoduje, że jądro uranu zaczyna

drgać, a następnie rozpada się. Zjawisko to nazwano r o z s z c z e p i e n i e m

j ą d r a a t o m o w e g o, a odkrycie to ogłoszono na początku 1939 roku.

Wśród fragmentów rozszczepienia znajdują się również powolne neutrony,

które mogą wywołać rozpad dalszych jąder. W ten sposób powstaje r e a k -

c j a ł a ń c u c h o w a, w której — zgodnie ze sławnym wzorem Einsteina 2mcE — wyzwala się olbrzymia energia. Tak działa bomba atomowa.

ROZDZIAŁ PIĘTNASTY

ZOBACZYĆ ATOM

Niemożliwość bezpośredniej obserwacji, a nawet kłopoty z poglądowym

wyobrażeniem sobie atomu nie stanowią bynajmniej zasadniczych przeszkód

w badaniu zjawisk mikroświata. Współczesna fizyka atomowa to oczywiście

nie tylko teoria, ale również fizyka doświadczalna. Laboratoria fizyczne,

w których prowadzi się badania nad podstawowymi składnikami materii,

niewiele mają wspólnego z pracowniami fizycznymi z początków wieku,

przypominają raczej wielkie zakłady przemysłowe, zatrudniające setki,

a nawet tysiące pracowników. Olbrzymi postęp technologiczny, jaki dokonał

się w bieżącym stuleciu, sprawił, że fizycy potrafią już nie tylko rozbić

atom, ale również manipulować p o j e d y n c z y m i atomami. Całkiem nie-

dawno powstała nawet zupełnie nowa dziedzina wiedzy — n a n o t e c h n i -

k a225

, która polega właśnie na manipulowaniu pojedynczymi cząsteczkami

i atomami, i dyscyplina ta zaczyna już przynosić bardzo poważne zastoso-

wania praktyczne226

.

Jednak już od dawna fizycy dysponowali różnego rodzaju d e t e k t o -

r a m i c z ą s t e k e l e m e n t a r n y c h — urządzeniami, które pozwalają na

rejestrację i obserwację ś l a d ó w cząstek naładowanych. Prawdopodobnie

każdy słyszał o liczniku Geigera (skonstruowany w 1908 roku). W dalszym

ciągu omówię krótko zasadę jego działania, jak również zasadę działania

komory Wilsona — zbudowanej w 1911 roku przez Charlesa Thomsona

Reesa Wilsona (1869–1959) i cyklotronu — pierwszy cyklotron skonstru-

owali w 1931 roku Ernesto Orlando Lawrence (1901–1958) i M. O. Living-

ston — najprostszych z urządzeń powszechnie wykorzystywanych w fizyce

do badania cząstek elementarnych.

—————— 225 Nano- (gr. υαυος — karzeł) — przedrostek w metrycznym systemie miar, oznaczający

jedną miliardową jednostki podstawowej (10–9), np. nanometr, nanosekunda. 226 Por. A. K. Wróblewski, Igraszki z atomami, „Wiedza i Życie” 1998, nr 1, s. 18–21.

Zobaczyć atom

155

L i c z n i k G e i g e r a – M ü l l e r a działa, podobnie zresztą jak więk-

szość detektorów cząstek elementarnych, na zasadzie zjawiska jonizacji

atomów ośrodka w rezultacie oddziaływania z naładowaną cząstką. Podsta-

wę stanowi szczelne naczynie (najczęściej o kształcie cylindrycznym) wy-

pełnione rozrzedzonym gazem (np. argonem z domieszką alkoholu).

Wewnątrz naczynia umieszczone są dwie elektrody — katoda w kształcie

cylindra i rozpięta na osi walca anoda (cienki drut, np. wolframowy), między

którymi przyłożone jest stałe napięcie. Wpadająca do urządzenia cząstka

naładowana powoduje jonizację atomów (cząsteczek) gazu. Uwolnione

w procesie jonizacji elektrony, a także elektrony wybite przez jony z katody,

przyspieszane w polu elektrycznym między elektrodami, wywołują dalsze

akty jonizacji i w konsekwencji tzw. wyładowanie lawinowe. Powstałe pod-

czas wyładowania impulsy elektryczne są zliczane przez odpowiednie urzą-

dzenia elektroniczne i umożliwiają pomiar liczby cząstek naładowanych

wpadających do licznika. Rejestracja cząstki może być połączona na przy-

kład ze słyszalnymi trzaskami, których częstość jest proporcjonalna do licz-

by wpadających do licznika cząstek.

K o m o r a W i l s o n a (komora mgłowa) należy do detektorów ślado-

wych, które umożliwiają wizualną lub fotograficzną rejestrację śladów czą-

stek naładowanych. W najprostszej formie składa się ona ze zbiornika wy-

pełnionego mieszaniną gazów i pary w stanie nasycenia (np. powietrza, pary

wodnej i argonu, argonu, pary wodnej i alkoholu). Na jednym końcu komory

umieszczony jest tłok, a co najmniej jedna ściana jest przezroczysta.

Działanie komory Wilsona oparte jest na zjawisku kondensacji przesyco-

nej pary na jonach. Odciągając tłok, powodujemy zwiększenie objętości pary

i obniżenie temperatury — para przechodzi w tzw. stan przesycenia. Po

przejściu przez komorę cząstki naładowanej elektrycznie następuje jonizacja

atomów, a kropelki wody osadzają się na jonach, tworząc ślad podobny do

śladu samolotu odrzutowego na niebie. Przy odpowiednim oświetleniu ślady

te widoczne są jako jasne linie na ciemnym tle227

. Uwzględnienie długości

—————— 227 Fakt, iż możemy obserwować ślad cząstki elementarnej, nie przeczy zasadzie nieozna-

czoności Heisenberga i twierdzeniu, że w odniesieniu do mikroobiektów pojęcie ściśle okre-

ślonej trajektorii traci w mechanice kwantowej sens. Wynika to po prostu z tego, że ślady

widoczne jako stosunkowo cienkie linie mają, w porównaniu z rozmiarami cząstek elemen-

tarnych, takich jak elektrony, protony i inne, olbrzymią wprost szerokość — są rozmyte.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

156

śladu i gęstości kropelek pozwala na pomiar energii cząstki. Umieszczenie

komory w polu magnetycznym powoduje, że pole zakrzywia tor cząstek —

na podstawie pomiarów kierunku i promienia odchylenia można obliczyć

masę i ładunek cząstki. Umieszczenie w komorze płytek z ołowiu lub innych

materiałów zmniejsza prędkość cząstek i umożliwia obserwację rezultatów

oddziaływania z danym materiałem. Ślady cząstek elementarnych można

obserwować gołym okiem i fotografować. Cząstki nienaładowane nie zosta-

wiają śladu, o ich przejściu przez komorę możemy wnosić pośrednio, ze

śladów cząstek, z którymi oddziałują.

Inne detektory śladowe, jak komora iskrowa, komora dyfuzyjna czy ko-

mora pęcherzykowa różnią się nieco zasadą działania, budową i rozmiarami.

Jednak istota rzeczy pozostaje taka sama — obserwujemy ślady cząstek na-

ładowanych w jakimś ośrodku pod wpływem ich oddziaływania z atomami

tego ośrodka i pola elektromagnetycznego. Na podstawie analizy śladów

wnosimy o własnościach powodujących je cząstek.

Z kolei c y k l o t r o n jest stosunkowo prostym urządzeniem służącym

do przyspieszania cząstek elementarnych czyli a k c e l e r a t o r e m. Rozpę-

dzone do wielkiej prędkości (zbliżonej do prędkości światła w próżni) wiąz-

ki cząstek można następnie zderzać i obserwować (m.in. za pomocą komory

Wilsona) rezultaty tego procesu — przemiany jednych cząstek w drugie

i produkcję nowych cząstek.

Zasada działania cyklotronu jest prosta. Elektrony albo inne cząstki nała-

dowane poruszają się w specjalnym próżniowym tunelu w polu magnetycz-

nym. Siła magnetyczna jest zawsze prostopadła do prędkości cząstki i po-

woduje zakrzywienie jej toru tak, że cząstka zaczyna poruszać się po okręgu.

Spełniony jest wówczas warunek: siła dośrodkowa = siła magnetyczna:

mv2/r = qvB, gdzie m oznacza masę cząstki, v — prędkość, q — ładunek,

r — promień okręgu, B natomiast jest wartością indukcji magnetycznej.

W odpowiednich odstępach czasu przykładane jest zmienne pole elektryczne

z generatora wysokiej częstości, które powoduje przyspieszenie cząstek,

poruszających się dalej po okręgu, znów przyspieszanych itd., aż do osią-

gnięcia przez nie żądanych energii. Następnie doprowadza się do zderzenia

z tarczą lub inną wiązką cząstek i obserwuje rezultaty.

Oczywiście istnieje wiele wersji akceleratorów — m.in. akceleratory li-

niowe, które przypominają gigantyczne kineskopy telewizyjne — cyklo-

tron jest najprostszym i najwcześniej zbudowanym urządzeniem. Istota

Zobaczyć atom

157

rzeczy pozostaje jednak ciągle taka sama: rozpędza się cząstki do olbrzy-

mich energii i obserwuje rezultaty zderzeń. Najpotężniejszym z akcelerato-

rów cząstek elementarnych jest obecnie Large Electron–Proton Collider

(LEP) w CERN228

pod Genewą. Tunel, w którym przyspieszane są cząstki,

ma długość prawie 27 km i pozwala na uzyskanie energii rzędu 100 GeV

(gigaelektronowoltów). Energia wyzwalana podczas anihilacji elektronów

i pozytonów porównywalna jest z energią we wszechświecie w ułamki

sekund po Wielkim Wybuchu. Zatrudnionych jest ponad 500 fizyków z 22

państw229

. Wszystkie te urządzenia, szczególnie akceleratory, są niezmier-

nie skomplikowane, kosztowne i wymagają współpracy międzynarodowej

wielu państw. Budowę największego zaprojektowanego akceleratora

o nazwie Superconducting Supercollider, który mógłby posłużyć fizykom

do testowania pewnych teorii, Kongres Stanów Zjednoczonych wstrzymał

ze względów finansowych230

.

Komora Wilsona i inne tzw. detektory śladowe pozwalają jedynie na ob-

serwację ś l a d ó w atomów i cząstek elementarnych. Na podstawie dość

złożonego procesu analizy stopnia jonizacji, zakrzywienia toru cząstki

w polu magnetycznym i tym podobnych rzeczy można określić bardzo do-

kładnie masy cząstek, ich ładunki i czasy życia. Jednak — jak kiedyś napisał

w związku z tym Eddington — „ślad przestępcy nie jest podobny do prze-

stępcy” i zobaczyć ślad atomu jest niezupełnie tym samym co zobaczyć sam

atom. W pewnym jednak sensie, chociaż w bardzo pośredni sposób, można

zobaczyć „sam atom”. Możliwość tę stworzyło wynalezienie takich urzą-

dzeń, jak mikroskop elektronowy, mikroskop jonowy czy skaningowy mi-

kroskop tunelowy.

Przez najlepszy mikroskop optyczny (tzn. wykorzystujący światło wi-

dzialne) możemy dostrzec bardzo drobne przedmioty w porównaniu z tymi,

—————— 228 CERN — Centre Européen pour la Recherche Nucléaire — jedno z największych na-

ukowych laboratoriów świata. 229 Por. J. A. Kozubowski, Mała wielka cząstka…, s. 38. 230 Superconducting Supercollider miał być 20 razy potężniejszy niż największe spośród

istniejących akceleratorów i miał kosztować 11 miliardów dolarów. W 1993 roku, po wydat-

kowaniu 2 miliardów dolarów i wykopaniu około jednej piątej projektowanego ponadosiem-

dziesięciokilometrowego tunelu w Waxahachie w Teksasie, Kongres Stanów Zjednoczonych

podjął decyzję o przerwaniu budowy. Por. J. Horgan, Meta-fizyka cząstek, „Świat Nauki”

1994, nr 4, s. 72–81.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

158

które jesteśmy w stanie dostrzec nieuzbrojonym okiem. Przedmioty te są

jednak wprost gigantyczne w porównaniu z rozmiarami atomów. Żaden mi-

kroskop optyczny nie pozwala na obserwację dowolnie małych obiektów,

ponieważ każdy ma ograniczoną zdolność rozdzielczą, czego przyczyną jest

zjawisko dyfrakcji światła. Szczegóły badanego preparatu zaczynają się ze

sobą zlewać, gdy odległość między nimi jest rzędu długości fali światła wi-

dzialnego. Wiemy jednak, że falowe własności przejawia nie tylko światło,

ale i cząstki materii, takie jak elektrony. Długość fali de Broglie’a dla elek-

tronów jest natomiast o wiele rzędów wielkości mniejsza niż długość fali

światła widzialnego, co oznacza, że używając elektronów zamiast światła

widzialnego, można obserwować o wiele mniejsze przedmioty. Elektronów

można więc użyć do „oświetlania” badanych przedmiotów, które mogą być

nawet tak małe jak pojedyncze atomy. Pomysł jest zatem dość prosty, ale —

jak na ogół bywa w takich wypadkach — jego praktyczna realizacja przy-

sporzyła poważnych trudności technicznych. Dopiero stosunkowo niedawno

(w 1970 roku) udało się przy użyciu mikroskopów elektronowych zareje-

strować pierwsze obrazy pojedynczych atomów231

.

Jak zatem wygląda atom, gdy obserwujemy go w „świetle” elektronów?

Odpowiedź — jak zwykle w mechanice kwantowej — jest dość przewrotna:

To zależy. Obraz atomu zależy mianowicie od tego, jakim urządzeniem dys-

ponujemy do interpretacji wyników eksperymentu i ostatecznej obróbki

obrazu. Elektronów, w przeciwieństwie do światła, nie widzimy. Tworzone

za ich pomocą obrazy atomów powstają dopiero w rezultacie oddziaływania

z kliszą fotograficzną albo — co współcześnie znacznie częstsze — w rezul-

tacie komputerowego przetworzenia informacji w formie graficznej wprost

na ekranie monitora. Obrazy powstające przy użyciu mikroskopu elektrono-

wego czy skaningowego mikroskopu tunelowego są zupełnie różne — ato-

my „wyglądają” różnie, w zależności od metody eksperymentalnej, jaką się

posługujemy w ich badaniu. Łącznie jednak metody te dostarczają znacznie

więcej informacji o atomach niż każda z nich z osobna. Różne „zdjęcia”

struktur krystalicznych i atomów powstają przecież jako rezultat grafiki

komputerowej i jako „obrazy” atomu są w pewnym sensie iluzją. Sprzężony

z komputerem detektor pozwala na przetworzenie impulsów prądowych w

obrazy, w których kolory są oczywiście sztuczne, ale poprawiają czytelność

—————— 231 J. A. Kozubowski, Jak wygląda atom? „Wiedza i Życie” 1998, nr 8, s. 31.

Zobaczyć atom

159

obrazu i pozwalają łatwiej odczytać informacje. Dzięki mikroskopom elek-

tronowym możemy na przykład określić przestrzenny rozkład atomów

w krysztale czy kształty cząsteczek.

Zależność „obrazu atomu” (czy też rezultatu dowolnego innego do-

świadczenia dotyczącego zjawisk mikroświata) od użytej techniki ekspe-

rymentalnej przypomina o doniosłych epistemologicznych konsekwen-

cjach mechaniki kwantowej: w konstruowaniu obrazu mikroświata nie

możemy abstrahować od rodzaju materialnych narzędzi, jakie stosujemy

w jego badaniu, ponieważ zastosowanie określonej metody badawczej

prowadzi do nieuniknionej ingerencji w badany przedmiot. Oczywiście nie

ma to nic wspólnego z epistemologicznym subiektywizmem, ale — jak

pisał niegdyś w związku z tym Eddington — nie przypisujemy sobie wie-

dzy o tym, „jakby się świat przedstawiał, gdyby go badano w jakiś nadna-

turalny sposób, przy pomocy narzędzi nie wchodzących w jego skład”232

.

—————— 232 A. S. Eddington, Nowe oblicze natury, s. 209.

ROZDZIAŁ SZESNASTY

OSTATECZNE SKŁADNIKI MATERII

Według Słownika fizycznego atom to „najmniejsza cząstka pierwiastka

chemicznego, która jeszcze posiada własności chemiczne tego pierwiast-

ka”233

. Istnieje zatem tyle typów atomów, ile występuje w przyrodzie pier-

wiastków — współcześnie znanych jest ponad sto. (Liczba ta staje się oczy-

wiście o wiele większa, jeżeli uwzględnimy izotopy, czyli odmiany tego

samego pierwiastka różniące się jedynie masą, tzn. zawierające różne liczby

neutronów w jądrze.) Niektóre typy atomów nie występują w stanie natural-

nym w przyrodzie, ale mogą być produkowane sztucznie w reakcjach jądro-

wych. Tak rozumiane atomy nie są oczywiście niepodzielnymi, ostateczny-

mi składnikami materii — stosunkowo łatwo można oddzielić od atomu

jeden czy kilka elektronów (zjawisko to nazywa się jonizacją) i do takiego

podziału atomu wystarczy energicznie potrzeć ręce; znacznie większej ener-

gii wymaga oczywiście rozbicie jądra atomowego, którego składnikami są

protony i neutrony. Można to uzyskać na przykład w wyniku bombardowa-

nia neutronami jąder uranu — kontrolowana reakcja rozszczepienia jądra

atomowego wykorzystywana jest w reaktorach atomowych.

Rzecz jasna, gdy filozofowie zastanawiali się nad atomami, to nie chodzi-

ło im o tak złożone obiekty jak atomy współczesnej chemii, ale o naprawdę

ostateczne, niepodzielne i niezłożone składniki materii. Do niedawna kandy-

datami na „atomy filozofów” były w fizyce c z ą s t k i e l e m e n t a r n e,

współcześnie zaś za elementarne składniki materii uważa się l e p t o n y i

k w a r k i.

Omówię najpierw pewne zagadnienia dotyczące cząstek elementarnych,

a następnie przejdę do teorii leptonów i kwarków. Według definicji z Ency-

klopedii fizyki współczesnej cząstki elementarne „są to obiekty fizyczne,

—————— 233 Słownik fizyczny, s. 25.

Ostateczne składniki materii

161

z których według obecnego stanu wiedzy składają się wszystkie ciała mate-

rialne i rozmaite rodzaje promieniowania”234

. Do najbardziej znanych i naj-

powszechniej występujących w przyrodzie cząstek elementarnych należą:

proton, neutron, elektron, foton i neutrino (oznaczane symbolami: p, n, e, , ).

O pierwszych czterech była już mowa — teraz chwila dla n e u t r i n a, jed-

nej z najbardziej tajemniczych cząstek elementarnych.

Wiemy, że promieniowanie , emitowane podczas rozpadu pierwiastków

promieniotwórczych, to po prostu elektrony. Badania pochodzenia tego

promieniowania doprowadziły fizyków do wniosku, że elektrony emitowane

są wprost z jądra atomowego i powstają w wyniku przemiany neutronu

w proton, której towarzyszy właśnie emisja elektronu. Proces ten nazywa się

rozpadem . Gdyby w reakcji uczestniczyły tylko trzy cząstki — proton,

neutron i elektron, to naruszona byłaby zasada zachowania energii. Okazało

się bowiem, że przy założeniu, iż następuje rozpad neutronu na jedynie dwie

cząstki (proton i elektron), suma ich energii była zbyt mała w porównaniu

z obliczeniami teoretycznymi. Zasada zachowania energii jest natomiast

jedną z fundamentalnych zasad fizyki i została potwierdzona w niezliczo-

nych eksperymentach. Niezgodne z równie fundamentalną w fizyce zasadą

zachowania pędu były również kierunki ruchu protonu i elektronu: jeśli neu-

tron początkowo spoczywał, to powstające w wyniku jego rozpadu proton i

elektron powinny poruszać się w przeciwnych kierunkach, co jednak nie

było zgodne z obserwacjami.

W celu wyjaśnienia tych trudności teoretycznych w 1931 roku Wolfgang

Pauli (1900–1958) wprowadził hipotezę, że istnieje jeszcze pewna nie zaob-

serwowana cząstka, która jest pozbawiona ładunku elektrycznego, ma zero-

wą albo bardzo małą masę spoczynkową, ale unosi część energii i pędu, tak

że w rozpadzie neutronu spełnione są odpowiednie zasady zachowania. Pauli

nazwał ją neutrino, co po włosku znaczy „mały neutron”. Ponieważ neutrina

nie mają ładunku elektrycznego, nie pozostawiają śladów w detektorach.

Cząstki te ponadto niezwykle słabo oddziałują z materią — przez kulę ziem-

ską przenikają jakby to była zupełnie pusta przestrzeń. Dlatego bardzo trud-

no jest eksperymentalnie wykryć obecność neutrin. Pauli — jako rasowy

teoretyk — był nawet tak pewien, że neutrina nigdy nie zostaną zarejestro-

—————— 234 G. Białkowski, Cząstki elementarne i ich oddziaływania, [w:] Encyklopedia fizyki

współczesnej, PWN, Warszawa 1983, s. 83 A.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

162

wane eksperymentalnie, że założył się o skrzynkę szampana z kolegami

doświadczalnikami235

.

Proces rozpadu neutronu z udziałem neutrina (ściślej: antyneutrina elek-

tronowego)236

przebiega więc następująco:

eepn ~0 ,

neutron przemienia się w proton, czemu towarzyszy emisja elektronu i an-

tyneutrina elektronowego. Spełnione są wszystkie zasady zachowania wiel-

kości fizycznych (energii, pędu, ładunku elektrycznego itp.). Eksperymen-

talne wykrycie neutrina nastąpiło dopiero w 1956 roku, kiedy to Frede-

rick Reines (ur. 1918) i Clyde L. Cowan (1920–1974), pracujący w Los

Alamos, przeprowadzili doświadczenia, w których zaobserwowali neutrina

dzięki procesowi przez fizyków nazywanemu odwrotnym rozpadem beta237

.

Pauli po dwudziestu pięciu latach zapłacił za szampana.

Później odkryto jeszcze dwa inne rodzaje neutrin238

oraz… setki innych

cząstek elementarnych. Nie możemy tu jednak wchodzić głębiej w pasjonu-

jące szczegóły dotyczące kolejnych odkryć239

, dlatego omówimy jedynie

sprawy najogólniejsze.

Od Demokryta począwszy, atomy w sensie filozoficznym rozumiano jako

absolutnie trwałe, wieczne i niezmienne składniki materii. Jednak spośród

—————— 235 Pauli był genialnym teoretykiem, ale raczej kiepskim eksperymentatorem — podobno

sama jego obecność w laboratorium wystarczała do tego, żeby eksperymenty przestały się

udawać. Autor słyszał anegdotę opowiadaną przez znajomego fizyka, że pewnego razu wy-

buchł w CERN pożar. Jak zwykle w takich wypadkach powołano specjalistyczną komisję,

która miała ustalić przyczyny katastrofy. Po kilku tygodniach poszukiwań komisja, z braku

innych dowodów, wyjaśniła przyczynę pożaru „syndromem Pauliego”. Ustaliła mianowicie,

że tego dnia przez Genewę przejeżdżał pociągiem Wolfgang Pauli. 236 Zgodnie z współczesnym stanem wiedzy, dla każdej cząstki istnieje antycząstka, a pro-

ces rozpadu β przebiega właśnie z udziałem antyneutrina. Podstawowe wiadomości o anty-

cząstkach podaję w dalszej części tego rozdziału. Por. także Słowniczek. 237 Odwrotny rozpad β jest oddziaływaniem antyneutrina z protonem według schematu:

nep e~

238 Szerzej por. S. Mrówczyński, Trzy pokolenia leptonów, „Wiedza i Życie” 1996, nr 3. 239 Bardzo pouczająca jest pod tym względem książka F. Close, Kosmiczna cebula. Kwar-

ki i wszechświat, tłum. W. Stępień-Rudzka, PWN, Warszawa 1989.

Ostateczne składniki materii

163

znanych cząstek elementarnych tylko proton240

, elektron i neutrina są trwałe,

natomiast większość cząstek elementarnych jest nietrwała i po pewnym cza-

sie (zależnym od rodzaju oddziaływań, w jakich dana cząstka uczestniczy —

por. niżej) rozpada się na inne cząstki. Rozpadu cząstki elementarnej nie

należy jednak rozumieć w ten sposób, że cząstki, które są rezultatem rozpa-

du danej cząstki elementarnej, są jej elementami składowymi i istnieją

w danej cząstce przed rozpadem w jakiś sposób ze sobą połączone. Jeśli na

przykład neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe,

nie znaczy to, że neutron z b u d o w a n y jest z protonu, elektronu i antyneu-

trina elektronowego. Należałoby raczej powiedzieć, że jedne cząstki elemen-

tarne p r z e m i e n i a j ą się w inne cząstki, przy czym przemiany te oczywi-

ście nie zachodzą w sposób absolutnie dowolny, ale uwarunkowane są pod-

stawowymi prawami przyrody, które bada fizyka cząstek elementarnych.

Podstawową metodą badania oddziaływań cząstek elementarnych są ekspe-

rymenty zderzeniowe.

W potocznym doświadczeniu doskonale rozumiemy, co to znaczy, że

jedna rzecz jest częścią składową drugiej i na czym polega rozbicie rzeczy

na jej elementy składowe. Jeżeli na przykład doprowadzę do zderzenia swo-

jego samochodu z innym, to — przy odpowiednio dużej prędkości —

rezultatem zderzenia mogą być różne części samochodu (i ewentualnie pasa-

żerów), lecz nigdy w wyniku zderzenia nie otrzymam kilku nowych samo-

chodów. Cząstki elementarne zderza się w zasadzie w podobny sposób, jak

zderza się samochody: należy je najpierw rozpędzić do odpowiednio dużej

prędkości. Kierujemy więc na siebie dwie wiązki cząstek, uprzednio rozpę-

dzone w akceleratorze do olbrzymiej prędkości (zwykle zbliżonej do pręd-

kości światła w próżni) i obserwujemy rezultaty. Okazuje się jednak, że

w rezultacie zderzenia cząstek elementarnych wcale jednak nie otrzymujemy

„kawałków cząstek elementarnych”, ale c a ł e cząstki i to nie mniej elemen-

tarne niż te, które poddaliśmy zderzeniu.

Ten dość osobliwy (przynajmniej ze zdroworozsądkowego punktu wi-

dzenia) stan rzeczy związany jest między innymi z efektami relatywistycz-

—————— 240 Niektóre współczesne teorie fizyczne przewidują jednak rozpad swobodnego protonu,

przy czym jego czas życia szacowany jest na co najmniej 1030 lat, a więc o wiele rzędów

wielkości więcej niż czas życia wszechświata, który szacuje się na około 15 miliardów (czyli

rzędu 1010) lat.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

164

nymi — zależnością masy od prędkości ciała. Zgodnie bowiem ze szczegól-

ną teorią względności Einsteina masa nie jest wartością stałą, lecz rośnie

wraz ze wzrostem prędkości poruszającej się cząstki i wyraża się następują-

cym wzorem:241

2

2

0

1c

v

mm ,

gdzie m oznacza (relatywistyczną) masę ciała, m0 — jego masę spoczynko-

wą, tzn. masę w układzie odniesienia, w którym dane ciało spoczywa, v jest

prędkością ciała, natomiast c oznacza prędkość światła w próżni.

Jeśli zatem w akceleratorach rozpędzamy cząstki do olbrzymich prędko-

ści, to rośnie ich masa (energia) i w rezultacie zderzenia mogą powstawać

nowe cząstki. W tej sytuacji trudno jednoznacznie stwierdzić, czy r o z b i -

j a m y cząstki elementarne, których użyto do zderzenia, czy też p r o d u -

k u j e m y inne cząstki, również elementarne.

Wiemy, że ruchem atomów i cząstek elementarnych rządzi równanie

Schrödingera. Jest ono jednak równaniem nierelatywistycznym, co znaczy,

że może być stosowane jedynie w tych wypadkach, kiedy mamy do czynie-

nia ze stosunkowo niskimi energiami, tzn. gdy ciała poruszają się z prędko-

ściami dużo mniejszymi niż prędkość światła w próżni c. W przeciwnym

razie należy je zastąpić odpowiednim równaniem relatywistycznym, tzn.

równaniem otrzymanym na podstawie szczególnej teorii względności. (Po-

dobnie mechanika Newtona może być z powodzeniem stosowana wtedy,

gdy mamy do czynienia z małymi prędkościami poruszających się ciał, na-

tomiast dla prędkości porównywalnych z c należy stosować ogólniejszą me-

chanikę relatywistyczną Einsteina, której mechanika klasyczna jest pewnym

przybliżeniem i szczególnym przypadkiem.)

W 1928 roku angielski fizyk Paul Adrien Maurice Dirac (1902–1984)

sformułował relatywistyczne równanie opisujące ruch cząstek o spinie po-

—————— 241 Oczywiście względem określonego układu odniesienia — trzeba bowiem pamiętać, że

możemy mówić jedynie o względnym ruchu i względnym spoczynku ciał — a nie w sensie

absolutnym.

Ostateczne składniki materii

165

łówkowym (np. elektronów, protonów), zwane obecnie r ó w n a n i e m

D i r a c a. W jego wyprowadzeniu korzysta się z faktu, że dla cząstki o masie

m relatywistyczny związek między pędem p i energią E wyraża wzór:

E2 = m

2c

4 + p

2c

2.

Jeżeli cząstka spoczywa w danym układzie odniesienia, to jej pęd wynosi

zero (p = 0). Otrzymujemy wówczas następujące wyrażenia na energię

cząstki:

E = mc2 lub E = – mc

2.

Jak jednak należy interpretować stany o ujemnej energii? Po raz kolejny

ujawnia się potęga matematyki w poznaniu świata fizycznego, gdy formuły

matematyczne interpretować d o s ł o w n i e. Dirac bowiem nie odrzucił wy-

rażenia na ujemną energię jako fizycznie bezsensownego, ale poszukiwał

jego rzeczywistego odpowiednika. Przyjął zatem, że wyrażenie z ujemną

energią reprezentuje realnie istniejące cząstki o ładunku elektrycznym rów-

nym co do wartości ładunkowi elektronu, ale dodatnim znaku. Co prawda

Dirac sądził początkowo, że stan o ujemnej energii należy interpretować

jako proton242

, który był wówczas jedyną znaną cząstką o dodatnim ładunku

elementarnym, ale jak się wkrótce okazało, naprawdę było to odkrycie no-

wej cząstki elementarnej p o z y t o n u — pierwszej cząstki a n t y m a t e r i i.

Pozyton został odkryty eksperymentalnie w 1932 roku przez Carla Davida

Andersona (1905–1991) i Patricka Blacketa.

Obecnie przyjmuje się, że dla każdej cząstki materii istnieje odpowiednia

a n t y c z ą s t k a. Według interpretacji samego Diraca stany o ujemnych

energiach są na ogół całkowicie obsadzone i dlatego nie są obserwowane.

Luki w tym obsadzeniu, zwane przez Diraca „dziurami”, przejawiają się

właśnie jako antycząstki. Ponieważ powstanie takiej „dziury” następuje

w rezultacie „przeniesienia” odpowiedniej cząstki do obszaru energii dodat-

nich, a jej zniknięcie jest rezultatem „przeniesienia” cząstki do obszaru ener-

—————— 242 Szerzej o znaczeniu piękna i symetrii w fizyce oraz odkryciu antymaterii przez Diraca

por. R. C. Hovis, H. Kragh, P. A. M. Dirac i piękno fizyki, „Świat Nauki” 1993, nr 7, s. 66–72.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

166

gii ujemnych, to zarówno pojawienie się jak i zniknięcie cząstek i odpo-

wiednich antycząstek następuje zawsze parami.

Antycząstki mają taką samą masę jak cząstki, ale przeciwny znak ładun-

ku elektrycznego243

(i pewnych innych wielkości fizycznych, za pomocą

których w fizyce charakteryzuje się cząstki elementarne). Antycząstki mo-

głyby — przynajmniej teoretycznie — tworzyć antyatomy, a te z kolei sta-

nowić składniki antymaterialnych odpowiedników obiektów występujących

we wszechświecie, czyli antygwiazd, antygalaktyk, a nawet antyludzi244

.

(Obserwacje jednak wskazują, że obecny wszechświat — przynajmniej

w obserwowalnym zakresie — zbudowany jest prawie wyłącznie z materii,

natomiast antymaterii obserwuje się bardzo mało. Fizycy przypuszczają, że

może to mieć związek z pewnymi procesami zachodzącymi podczas począt-

kowej fazy Wielkiego Wybuchu245

.)

W rezultacie zderzenia cząstki i antycząstki następuje a n i h i l a c j a

m a t e r i i. Na przykład elektron i jego antycząstka pozyton, zderzając się,

zamieniają się w promieniowanie elektromagnetyczne — znikają cząstki,

a na ich miejsce pojawiają się dwa kwanty promieniowania gamma:

e+ + e

– 2 .

Spełniona jest oczywiście zasada zachowania energii — suma energii

elektronu i pozytonu daje w rezultacie energię fotonów: 2mc2 = 2h . W wy-

niku procesu anihilacji wyzwala się olbrzymia energia. Szczególna teoria

względności Einsteina bowiem mówi, że z każdym ciałem o masie m zwią-

zana jest olbrzymia energia E, co wyraża słynna formuła:

2mcE .

Z równania tego (równoważności masy i energii) wynika, że gdyby czło-

wiek i antyczłowiek uścisnęli sobie ręce, nastąpiłaby eksplozja, której ener-

—————— 243 O ile oczywiście dana cząstka posiada ładunek elektryczny. Foton, który nie posiada

ładunku elektrycznego, jest identyczny ze swoją antycząstką. 244 R. C. Hovis, H. Kragh, P. A. M. Dirac i piękno fizyki, s. 30. 245 Szerzej por. S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesne poglądy na początki

wszechświata, tłum. A. Blum, Prószyński i S-ka, Warszawa 1988, s. 115 n.

Ostateczne składniki materii

167

gia byłaby równa energii wybuchu tysiąca megatonowych bomb atomo-

wych, a każda z nich wystarczałaby do zniszczenia dużego miasta.

Możliwy jest również proces odwrotny — w pewnych warunkach (ściśle

określonych przez teorię) wysokoenergetyczny foton może wyprodukować

parę cząstka — antycząstka (np. elektron i pozyton):

e+ + e

–.

Proces ten nazywa się k r e a c j ą m a t e r i i (choć oczywiście nie ma nic

wspólnego z mitologicznymi koncepcjami stworzenia świata przez bóstwo,

ale wyraża jedynie przemianę jednej formy materii resp. energii w inną).

W rezultacie długotrwałych badań fizycy odkryli około trzystu różnych

cząstek elementarnych: niektóre najpierw w laboratorium, a inne najpierw na

kartce papieru (tzn. istnienie pewnych cząstek elementarnych i ich własności

zostały najpierw przewidziane teoretycznie, a dopiero później zaobserwo-

wano je w laboratorium; w pewnych przypadkach — na przykład odkrycie

neutrina — obserwacje odpowiednich cząstek nastąpiły po wielu latach od

wprowadzenia ich do świata fizyki jako obiektu teoretycznego).

Wspominałem już, że prawie wszystkie cząstki okazały się nietrwałe,

a ich czasy życia zależne od rodzaju oddziaływań, w jakich uczestniczą.

Teraz kilka słów o podstawowych oddziaływaniach w przyrodzie.

Obecnie znane są cztery podstawowe siły, cztery p o d s t a w o w e o d -

d z i a ł y w a n i a: grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe słabe i jądrowe

silne. Różnią się one od siebie zasięgiem (tzn. odległością, na jaką jest prze-

noszone dane oddziaływanie), intensywnością (natężeniem), symetrią i ro-

dzajem cząstek elementarnych, jakie w nich uczestniczą.

O d d z i a ł y w a n i e g r a w i t a c y j n e jest oddziaływaniem uniwersal-

nym, to znaczy uczestniczą w nim w s z y s t k i e cząstki. Klasyczną teorię

grawitacji sformułował Newton. Obecnie opisuje je ogólna teoria względno-

ści Einsteina. Grawitacja, choć jest najsłabszym ze znanych oddziaływań

i nie odgrywa praktycznie prawie żadnej roli w świecie atomów i cząstek

elementarnych (tzn. efekty grawitacyjne są tak małe, że można je pominąć

w rozważaniu struktury atomu i cząstek elementarnych), jest oddziały-

waniem dominującym w skali kosmicznej — dzięki niej istnieją planety,

gwiazdy, układy planetarne i galaktyki. Siły grawitacji są, o ile nam wiado-

mo, zawsze siłami przyciągania.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

168

O d d z i a ł y w a n i e e l e k t r o m a g n e t y c z n e dotyczy jedynie czą-

stek obdarzonych ładunkiem elektrycznym albo — jak w wypadku neutronu

— cząstek zbudowanych z mniejszych składników naładowanych elektrycz-

nie (ładunki określamy umownie znakami „dodatni” i „ujemny”). Klasyczną

teorię elektromagnetyzmu sformułował Maxwell. Wiemy, że siły elektrycz-

ne mogą być siłami przyciągania albo odpychania, w zależności od znaków

ładunków elektrycznych cząstek (na przykład ładunki tych samych znaków

odpychają się, natomiast ładunki różnoimienne przyciągają się). Obecnie

opisywane są przez teorię zwaną e l e k t r o d y n a m i k ą k w a n t o w ą

(Quantum Electrodynamics — QED), w której, z mikroskopowego punktu

widzenia, oddziaływanie między naładowanymi elektrycznie cząstkami trak-

tuje się jako wymianę k w a n t ó w p o l a elektromagnetycznego — foto-

nów. Dzięki siłom elektromagnetycznym elektrony są utrzymywane na orbi-

tach wokół jądra atomowego, atomy pierwiastków łączą się w różne związki

chemiczne. Oddziaływanie to odgrywa również podstawową rolę w naszym

poznaniu świata — na przykład wzrok i prawie wszystkie przyrządy pomia-

rowe reagują właśnie na oddziaływanie elektromagnetyczne.

S i l n e o d d z i a ł y w a n i e j ą d r o w e jest odpowiedzialne za łączenie

się nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomowym. Początkowo

sądzono, że oddziaływanie silne polega na wymianie pewnych cząstek —

mezonów (pionów)246

. Zgodnie ze stanem współczesnej wiedzy jest ono

przejawem bardziej fundamentalnego oddziaływania, zwanego umownie

o d d z i a ł y w a n i e m k o l o r o w y m, występującego między k w a r k a -

m i247

— cząstkami, z których zbudowane są m.in. proton i neutron. Opisuje

je teoria nazywana c h r o m o d y n a m i k ą k w a n t o w ą (Quantum Chro-

modynamics — QCD). Najmniej obecnie poznane s ł a b e o d d z i a ł y -

w a n i e j ą d r o w e jest odpowiedzialne za niektóre powolne procesy roz-

padu promieniotwórczego, np. rozpadu .

Zgodnie z pewnymi koncepcjami teoretycznymi we współczesnej fizyce,

przy wystarczająco wielkich energiach (np. takich, jakie panowały w chwi-

—————— 246 Hipotezę tę sformułował japoński fizyk Hideki Yukawa (1907–1981). Pion Yukawy

został odkryty przez Cecila Franka Powella (1903–1969) w 1947 roku. Występuje w trzech

odmianach — o ładunku dodatnim, ujemnym i nienaładowany, a jego czas życia wynosi

około 10– 8 s. 247 Por. niżej.

Ostateczne składniki materii

169

lach narodzin wszechświata) wszystkie oddziaływania są przejawem jednego

fundamentalnego, jeszcze nieznanego „superoddziaływania”, a ich natężenia

są porównywalne. Pewne sukcesy na drodze do unifikacji oddziaływań są

już dziełem Maxwella, który połączył w swej teorii elektryczność i magne-

tyzm, choć wcześniej o nich sądzono, że są zupełnie odrębnymi zjawiskami.

Istnieje również teoria, zwana m o d e l e m S a l a m a – W e i n b e r g a,

która unifikuje oddziaływania elektromagnetyczne i słabe w jedno o d -

d z i a ł y w a n i e e l e k t r o s ł a b e. Najpoważniejsze problemy teoretyczne

na drodze do jednolitego opisu teoretycznego wszystkich oddziaływań to

uzgodnienie ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową, a więc po-

wiązanie grawitacji z pozostałymi oddziaływaniami; zastosowanie zasad

mechaniki kwantowej do teorii grawitacji. Najpoważniejsze problemy prak-

tyczne to… olbrzymie koszty budowy odpowiednich urządzeń, które pozwa-

lałyby na testowanie przewidywań teorii. Na razie nikt nie wie, jak

pokonać te trudności (co nie znaczy jednak, że nie osiągnięto na tej drodze

pewnych sukcesów).

W sytuacji gdy znanych było już kilkaset cząstek elementarnych powstał

oczywiście problem klasyfikacji — próba wprowadzenia jakiegoś ładu do

tak licznego i niejednorodnego zbioru kandydatów na „ostateczne składniki

materii”. Okazało się jednak, że taką klasyfikację można przeprowadzić na

stosunkowo prostych zasadach. Niektóre bowiem cząstki podlegają silnym

oddziaływaniom jądrowym, inne zaś nie. Cząstki, które uczestniczą w sil-

nych oddziaływaniach jądrowych, określa się wspólną nazwą h a d r o n ó w.

Należą do nich między innymi proton i neutron, nie podlegają im natomiast

ani fotony, ani elektrony, ani neutrina. Z kolei zaś pewne cząstki mają spin

całkowity, inne natomiast spin połówkowy. Przypomnę, że te pierwsze okre-

śla się mianem b o z o n ó w (należy do nich na przykład kwant światła —

foton). Cząstki o spinie połówkowym, takie jak elektron, proton i neutron, to

f e r m i o n y. Fermiony obejmuje zakaz Pauliego, co oznacza, że żadne dwa

fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym, tzn.

mieć takich samych wszystkich liczb kwantowych.

L e p t o n y są to cząstki lekkie o spinie połówkowym, takie jak elektron,

które biorą udział w oddziaływaniach słabych i elektromagnetycznych.

Wśród hadronów natomiast wyróżnia się cząstki o masach średnich, czyli

m e z o n y, i cząstki ciężkie, takie jak proton i neutron, czyli b a r i o n y.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

170

Mezony mają spin całkowity, a bariony połówkowy. Wszystkie cząstki

uczestniczą w oddziaływaniach grawitacyjnych.

Jak się do tego wszystkiego przyzwyczaić, to okazuje się to nawet dość

proste. Ważne jest, że klasyfikacja cząstek elementarnych oparta na podziale

„bozony — fermiony” i „hadrony — inne cząstki” umożliwia wprowadzenie

porządku do licznego zbioru cząstek elementarnych. Jej rezultaty ilustruje

poniższe zestawienie:

B o z o n y

cząstki o spinie całkowitym

F e r m i o n y

cząstki o spinie połówkowym (obejmuje je

zakaz Pauliego)

Foton , bozony W+, W–, Z0 L e p t o n y

cząstki uczestniczące w oddziaływaniach

grawitacyjnych, słabych i elektromagne-

tycznych, ale nie uczestniczące w silnych

oddziaływaniach jądrowych

elektron e, mion248 , taon ,

neutrino elektronowe e, neutrino miono-

we , neutrino taonowe

H a d r o n y

cząstki uczestniczące w silnych oddziaływaniach jądrowych

M e z o n y

cząstki o średnich masach

j/ , , K, …

B a r i o n y

ciężkie cząstki jądrowe:

nukleony (proton p, neutron n),

różne hiperony: , , , ...

—————— 248 Mion jest cząstką o własnościach podobnych do własności elektronu, lecz około 200

razy cięższą i nietrwałą (czas życia = 10– 6 s). Mion (właściwie jego antycząstka) został eks-

perymentalnie odkryty przez C. D. Andersona i S. H. Neddermayera w 1936 roku W tym

samym czasie J. Street i E. Stevenson znaleźli ujemnie naładowaną odmianę tej cząstki. Po-

czątkowo sądzono, że są to mezony (piony) Yukawy, odpowiedzialne za istnienie silnych

oddziaływań jądrowych. Taon jest jeszcze cięższym „kuzynem” elektronu. Nazwy „neutrino

elektronowe”, „mionowe” i „taonowe” związane są z tym, że cząstki te (albo ich antycząstki)

występują w pewnych procesach rozpadu razem z elektronem, mionem i taonem (albo odpo-

wiednimi antycząstkami).

Ostateczne składniki materii

171

Okazało się ponadto, że własności hadronów nie są zupełnie od siebie

niezależne, ale że hadrony grupują się w pewne „rodziny” o zbliżonych do

siebie własnościach. Co więcej, stwierdzono występowanie zdumiewających

regularności, pod pewnymi względami podobnych do regularności występu-

jących w układzie okresowym pierwiastków. Pojawiło się naturalnie pytanie,

dlaczego pojawiają się takie regularności wśród rzekomo elementarnych

cząstek. Regularności występujące w układzie okresowym pierwiastków

okazały się bowiem rezultatem istnienia bardziej fundamentalnej struktury

materii niż pierwiastki chemiczne.

Kierując się analogią z układem okresowym pierwiastków, amerykański

fizyk Murray Gell-Mann (ur. 1929) i niezależnie od niego George Zweig

stwierdzili w 1964 roku, że regularności wśród cząstek elementarnych suge-

rują istnienie wewnętrznej struktury hadronów. Okazuje się, iż można

w naturalny sposób odtworzyć wszystkie rodziny cząstek elementarnych

(tzn. obliczyć ich ładunki, masy i wartości innych wielkości fizycznych),

jeżeli się przyjmie, że wszystkie cząstki oddziałujące jądrowo (a więc proto-

ny, neutrony i inne hadrony) zbudowane są z bardziej elementarnych skład-

ników, które Gell-Mann nazwał k w a r k a m i249

.

Przyjmując istnienie trzech rodzajów kwarków można zrekonstruować

budowę wszystkich hadronów wchodzących w skład otaczającej nas na co

dzień materii. Cechę, która odróżnia poszczególne kwarki, nazwano z a p a -

c h e m (resp. smakiem, ang. flavour), choć — jak łatwo się domyśleć — nie

—————— 249 M. Gell-Mann, Kwark i jaguar. Przygody z prostotą i złożonością, tłum. P. Amsterdam-

ski, CIS, Warszawa 1996, s. 247. W sprawie genezy nazwy „kwark” sam Gell-Mann pisze:

„W 1963 roku, gdy wybrałem nazwę »quark« dla fundamentalnych elementów składowych

nukleonu, wpierw miałem dźwięk, bez określonej pisowni, która mogła by być »kwork«.

Później, przerzucając Finnegans Wake Jamesa Joyce’a, natrafiłem na zdanie »Three quarks

for Muster Mark«. Ponieważ »quark« (co oznacza między innymi krzyk mewy) miał najwy-

raźniej rymować się z takimi słowami, jak »Mark«, »bark« i im podobnymi, musiałem zna-

leźć jakąś wymówkę, aby wymawiać je jako »kwork«. Książka Jamesa Joyce’a jest relacją ze

snu Humphreya Chimpdena Earwickera. Słowa w tekście reguły pochodzą z wielu źródeł,

podobnie jak »słowa portmanteau« z Po drugiej stronie lustra. Od czasu do czasu pojawiają

się zwroty, które są ukształtowane, przynajmniej częściowo, pod wpływem okrzyków z baru.

Argumentowałem zatem, że być może jednym z wielu źródeł wyrażenia »Three quarks for

Muster Mark« mogłoby być »Three quarts for Muster Mark« (Trzy kwarty dla pana Marka),

a w takim przypadku wymowa »kwork« byłaby przynajmniej częściowo uzasadniona.

W każdym razie liczba trzy idealnie pasuje do sposobu, w jaki kwarki występują w naturze”.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

172

ma to żadnego związku ze znaczeniem tego terminu występującym w mowie

potocznej. Zapachy trzech pierwszych kwarków to: g ó r n y — u (up),

d o l n y — d (down) i d z i w n y — s (strange). Nieco później okazało się,

że w celu odtworzenia wszystkich obserwowanych hadronów trzeba przyjąć

istnienie sześciu kwarków. Oprócz wyżej wymienionych są to kwarki: p o -

w a b n y — c (charmed), s z c z y t o w y — t (top) i d e n n y — b (bottom).

Wprowadzono również jeszcze jedną cechę odróżniającą kwarki o danym

zapachu, którą nazwano k o l o r e m. Rzecz jasna, również nazwa „kolor”

ma raczej żartobliwy charakter i nie ma nic wspólnego z barwami ciał po-

strzegalnych zmysłami (aczkolwiek występuje tu pewna istotna analogia, o

czym za chwilę).

Kwarki są obiektami dość osobliwymi, wszystkie bowiem mają u ł a m -

k o w e wartości ładunków elektrycznych, to znaczy — w odróżnieniu od

wszystkich ciał dotychczas obserwowanych w przyrodzie — ich ładunek

elektryczny nie jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego. Na

przykład kwark górny u ma ładunek elektryczny równy plus dwie trzecie

ładunku elektronu, co zapisujemy: u (+2/3); ładunek kwarku dolnego wynosi

minus jedna trzecia ładunku elementarnego: d (–1/3); podobnie dla kwarku

dziwnego: s (–1/3) itd., Kwark dziwny s ma ponadto pewną własność zwaną

przez fizyków d z i w n o ś c i ą.

Tak więc protony i neutrony oraz inne hadrony nie są n a p r a w d ę

e l e m e n t a r n y m i cząstkami, ale składają się z trzech kwarków każdy.

Proton zbudowany jest z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, co

można zapisać jako: p = (uud). Łatwo zauważyć, że suma ładunków elek-

trycznych dwóch kwarków górnych i jednego dolnego daje w rezultacie

dodatni jednostkowy ładunek elementarny, czyli właśnie ładunek protonu:

(+2/3) + (+2/3) + (–1/3) = 1. Podobnie neutron składa się z jednego kwarku

górnego i dwóch kwarków dolnych: n = (udd) — ładunek elektryczny:

(+2/3) + (–1/3) + (–1/3) = 0. Natomiast wszystkie mezony zbudowane są

z pary kwark — antykwark. Na przykład pion można zapisać jako: ),( qq ,

gdzie q oznacza kwark, natomiast przez q z kreską zwyczajowo przyjęto

oznaczać antykwark. Leptony (elektrony, miony, taony i odpowiednie neu-

trina) nie są zbudowane z kwarków, ale są — równie jak kwarki — obiek-

tami pozbawionymi struktury wewnętrznej.

Kolor przypomina pod wieloma względami ładunek elektryczny, ale wy-

stępuje w t r z e c h odmianach, określanych umownie jako c z e r w o n y,

Ostateczne składniki materii

173

z i e l o n y i n i e b i e s k i. Wspomniana wyżej analogia z teorią barw po-

strzeganych przez ludzi polega na tym, że podstawowe barwy: czerwona,

zielona i niebieska, nałożone na siebie są w rezultacie postrzegane jako

światło białe250

. Podobnie jak różnoimienne ładunki elektryczne przyciągają

się, natomiast jednoimienne odpychają się, tak trzy różne kolory przyciągają

się, a jednakowe kolory na bardzo małych odległościach odpychają się. An-

tykwarki mają odpowiednie a n t y k o l o r y: a n t y c z e r w o n y, a n t y -

z i e l o n y, a n t y n i e b i e s k i (co — w analogii do teorii barw — odpo-

wiada barwie dopełniającej). Kolor i odpowiedni antykolor przyciągają się

i w ten sposób powstają mezony, które składają się z pary kwark — anty-

kwark. Aparat matematyczny chromodynamiki kwantowej pozwala jedynie

na konstrukcję „białych” hadronów — fizycy mówią, że kolor jest u w i ę -

z i o n y. Oznacza to, że wszystkie cząstki obserwowane w przyrodzie są

właśnie „białe”, czyli składają się albo z trzech kwarków o różnych kolorach

(jak np. proton i neutron) albo z pary kwark — antykwark (jak mezony).

Oznacza to również, że — jeśli teoria jest słuszna — nigdy nie będziemy

obserwować swobodnych kwarków251

. Jest to związane ze specyficznym

charakterem sił działających między kwarkami, które są niewielkie, gdy

kwarki znajdują się bardzo blisko siebie, rosną natomiast wraz ze wzrostem

odległości.

Doświadczenia przeprowadzone przy użyciu akceleratorów SLAC

w Stanford (Kalifornia) i w CERN potwierdziły kwarkową strukturę hadro-

nów. Znaczenie eksperymentu jest zbliżone do doświadczeń Rutherforda,

zresztą sama idea eksperymentu jest również podobna. W SLAC przyspie-

szano elektrony do energii 20 GeV (gigaelektronowoltów), które bombardu-

jąc tarcze protonowe, mogły rozróżniać obiekty o rozmiarach mniejszych niż

1 fermi (10– 15

m). Ponieważ elektrony są przyciągane lub odpychane przez

ładunki kwarków u i d, można badać wewnętrzną strukturę nukleonów (na

przykład powinny występować efekty odrzucenia do tyłu elektronu, podob-

nie jak w doświadczeniu Rutherforda z rozpraszaniem cząstek alfa). Ekspe-

—————— 250 W wypadku farb za podstawowe barwy przyjmuje się niekiedy czerwony, żółty i nie-

bieski, dlatego też w literaturze można spotkać się również z takimi właśnie nazwami zapa-

chów kwarków. 251 Istnieje jednak hipoteza, że kwarki były wolne w bardzo wczesnych etapach ewolucji

wszechświata, czyli tuż po Wielkim Wybuchu.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

174

rymenty rozproszeniowe pokazały, że wewnątrz hadronów kwarki poruszają

się prawie swobodnie, natomiast siły przyciągania znacznie wzrastają na

większych odległościach. Rzecz można przedstawić poglądowo jako model,

w którym kwarki połączone są nienapiętą sprężyną. Sprężyna taka umożli-

wia (prawie) swobodny ruch na małych odległościach (rzędu rozmiarów

nukleonu, czyli właśnie 10–15

m), natomiast siły sprężystości stają się ol-

brzymie, gdy próbujemy zerwać sprężynę.

Wszystkie rozważania teoretyczne dotyczące cząstek elementarnych i ich

oddziaływań prowadzi się obecnie w ramach k w a n t o w e j t e o r i i p o -

l a, która jest pewnym rozszerzeniem standardowej mechaniki kwantowej.

Teoria ta oparta jest na trzech podstawowych założeniach: 1) słuszności

mechaniki kwantowej, 2) słuszności teorii względności Einsteina (szczegól-

nej, gdy nie uwzględniamy grawitacji, i ogólnej, gdy uwzględniamy efekty

grawitacyjne) i 3) postulacie lokalności, czyli założeniu, że w przyrodzie nie

występują oddziaływania na odległość (tzn. oddziaływania natychmiastowe),

ale wszystkie procesy mają charakter lokalny, a zatem oddziaływania pole-

gają na emisji i absorpcji cząstek — kwantów odpowiedniego pola252

. Pod-

stawy kwantowej teorii pola sformułowali już w 1929 roku Heisenberg

i Pauli253

. Wysunęli oni hipotezę, że nie tylko fotony, czyli cząstki światła,

ale wszystkie cząstki są paczkami energii i pędu rozmaitych pól. W takiej

kwantowej teorii pola elektrony są paczkami energii i pędu pola elektrono-

wego, neutrina — pola neutrinowego itd.254

W dalszym ciągu, jeśli będzie

mowa o „cząstkach”, pamiętać należy, że nie są to bynajmniej klasycznie

rozumiane korpuskuły i trzeba mieć na uwadze „dualistyczny”, tzn. korpu-

skularno-falowy charakter wszystkich mikroobiektów.

Opis wszelkiego rodzaju oddziaływań oparty jest na założeniu, że z mi-

kroskopowego punktu widzenia oddziaływanie między cząstkami polega na

wymianie kwantów odpowiedniego pola. Najłatwiej można to wyjaśnić

na przykładzie teorii oddziaływań elektromagnetycznych, czyli elektrody-

namiki kwantowej. W oddziaływaniach elektromagnetycznych uczestniczą

wszystkie cząstki oprócz neutrin, ponieważ wszystkie posiadają ładunek

—————— 252 Por. M. Gell-Mann, Kwark i jaguar, s. 243. 253 Szerzej por. S. Weinberg, Teoria pól kwantowych. Podstawy, tłum. D. Rzążewska,

Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1999, s. 46. 254 S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, s. 139.

Ostateczne składniki materii

175

elektryczny (np. elektron, proton) lub są zbudowane z cząstek naładowanych

(np. neutron, który jest zbudowany z trzech kwarków). Fotony same nie

posiadają ładunku elektrycznego, ale oddziałują z ładunkami elektrycznymi

cząstek, przenosząc między nimi pęd i energię.

Z mikroskopowego punktu widzenia elementarnym oddziaływaniem

elektromagnetycznym jest wysłanie lub pochłonięcie fotonu przez cząstkę

naładowaną elektrycznie. Lokalność oddziaływań oznacza w tym kontek-

ście, że proces ten zachodzi w pewnym punkcie przestrzeni i w pewnej

chwili czasu, natomiast poza tym punktem cząstki poruszają się swobodnie.

Proces emisji fotonu przez poruszający się elektron nie jest możliwy

z punktu widzenia mechaniki klasycznej ze względu na zasady zachowania

energii i pędu. Jednak wiemy, że w mechanice kwantowej obowiązują rela-

cje nieoznaczoności dla odpowiednich par wielkości fizycznych. Dla energii

i czasu spełniona jest zależność: 2

tE , co oznacza, że na pewien czas

t (w tym wypadku czas charakterystyczny dla oddziaływań elektromagne-

tycznych) zasada zachowania energii może być naruszona. Jeżeli w czasie t

inny (lub nawet ten sam) elektron pochłonie foton, to zasada zachowania

energii pozostaje spełniona (oczywiście w granicach określonych przez za-

sadę nieoznaczoności Heisenberga). Fotony przekazane w ten sposób określa

się mianem f o t o n ó w w i r t u a l n y c h i są one odpowiedzialne za od-

działywania elektromagnetyczne między elektronami (lub innymi cząstkami

naładowanymi elektrycznie), które zawsze polegają na przekazaniu pędu

i energii między cząstkami255

.

W elektrodynamice kwantowej256

wspomniane oddziaływania reprezen-

tuje się za pomocą d i a g r a m ó w F e y n m a n a (por. rys. 18). Czasoprze-

—————— 255 Dokładniejsze omówienie tego zagadnienia por. M. Święcicki, Oddziaływania elek-

tromagnetyczne, [w:] Encyklopedia fizyki współczesnej, s. 143–155. Trzeba tu jedynie zwrócić

uwagę na fakt, że masa fotonu wirtualnego może przyjmować wartości różne od zera, podczas

gdy masa rzeczywistego fotonu wynosi zero. 256 J. C. Maxwell sformułował w 1864 roku równania elektrodynamiki klasycznej, w któ-

rych w jednolity sposób opisane zostały zjawiska elektromagnetyczne i które zawierały

w sobie wcześniej znane prawa z dziedziny elektryczności i magnetyzmu. W 1928 roku

P. A. M. Dirac połączył równania Maxwella, teorię względności i mechanikę kwantową

w jedną teorię — elektrodynamikę kwantową. Popularny wykład podstawowych idei elektro-

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

176

strzenny układ odniesienia (nie zaznaczony na rysunku) należy sobie wy-

obrazić tak, że oś czasu jest skierowana pionowo do góry, wymiary prze-

strzenne reprezentowane są przez prostą poziomą. Tor cząstki (np. elektro-

nu) reprezentowany jest przez linię prostą (lub półprostą). Punkt, w którym

spotykają się przynajmniej trzy linie, nazywa się wierzchołkiem. Każdej linii

i każdemu wierzchołkowi w diagramie Feynmana odpowiada odpowiednie

wyrażenie matematyczne. Rysunek poniższy przedstawia jeden z najprost-

szych diagramów Feynmana. Można interpretować go następująco: elektron,

który porusza się od lewej dolnej strony diagramu, wyemitował foton wirtu-

alny (linia falista) i w wyniku tego zmienił kierunek ruchu (porusza się

w lewo do góry). Foton został pochłonięty przez inny elektron, zmieniając

kierunek jego ruchu. Diagram ten ilustruje fakt, że w elektrodynamice kwan-

towej wszystkie procesy mają charakter l o k a l n y, tzn. nie występuje poję-

cie oddziaływania na odległość jak w fizyce Newtona, lecz wszelkie oddzia-

ływanie polega na wymianie cząstek.

Rysunek 18. Diagram Feynmana. Oddziaływanie elektromagnetyczne między dwoma

elektronami polega na wymianie wirtualnego fotonu.

Na podobnych podstawach pojęciowych zbudowana jest chromodynami-

ka kwantowa — teoria opisująca oddziaływanie między kwarkami. Cząstki

—————— dynamiki kwantowej por. R. P. Feynman, QED. Osobliwa teoria światła i materii, tłum.

H. Białkowska, PIW, Warszawa 1992.

Ostateczne składniki materii

177

przenoszące o d d z i a ł y w a n i a k o l o r o w e między kwarkami noszą

nazwę g l u o n ó w (ang. glue — klej). Gluony są cząstkami bezmasowy-

mi257

, pozbawionymi ładunku elektrycznego i spełniają funkcję podobną jak

fotony w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Kwark może wyemitować

gluon, który jest następnie absorbowany przez inny kwark itd. Teoretyczny

opis oddziaływań kolorowych jest znacznie bardziej skomplikowany niż

oddziaływań elektromagnetycznych, ponieważ gluony mogą oddziaływać ze

sobą, wymieniając dalsze gluony (same bowiem niosą „ładunek kolorowy”),

podczas gdy fotony są pozbawione ładunku elektrycznego i nie oddziałują ze

sobą elektromagnetycznie.

Naszkicowane wyżej koncepcje ilustrują podstawowe założenia teore-

tyczne Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Zatem według

współczesnej fizyki o s t a t e c z n y m i s k ł a d n i k a m i m a t e r i i są

kwarki i leptony. Teoria przewiduje istnienie sześciu następujących kwar-

ków: górny u, dolny d, powabny c, dziwny s, szczytowy t i denny b. Z nich

zbudowane są wszystkie cząstki oddziałujące jądrowo, czyli hadrony. Pozo-

stałych sześć elementarnych składników to leptony: elektron e, neutrino

elektronowe e, mion , neutrino mionowe , taon i neutrino taonowe .

Podstawowe składniki materii według modelu standardowego przedsta-

wia poniższe zestawienie258:

—————— 257 Powiedzenie, że cząstka jest „bezmasowa”, oznacza, iż jej masa spoczynkowa, czyli

masa mierzona w układzie odniesienia, w którym dana cząstka spoczywa, wynosi zero,

a zatem względem każdego układu odniesienia porusza się ona z prędkością równą prędkości

światła w próżni c. Zgodnie z teorią względności Einsteina, wszystkie obiekty fizyczne

o różnej od zera masie spoczynkowej względem dowolnego układu odniesienia poruszają się

z prędkością mniejszą niż prędkość światła w próżni. 258 Ładunek podano w jednostkach ładunku elementarnego (elektronu), skrót GeV ozna-

cza gigaelektronowolt (109 elektronowoltów). W fizyce cząstek elementarnych masę mierzy

się — zgodnie z przeliczeniem E = mc2 — w jednostkach energii. Elektronowolt jest to ener-

gia, jaką uzyskuje elektron po przebyciu różnicy potencjałów równej 1 V. Podane w zestawie-

niu wartości za: T. M. Liss, P. L. Tipton, Odkrycie kwarka top, „Świat Nauki” 1997, nr 11,

s. 36–42. Ze względu na niezwykle skomplikowany charakter eksperymentów we współcze-

snej fizyce cząstek elementarnych podawane przez różne zespoły fizyków wartości mas róż-

nią się nieco od siebie. Niektóre eksperymenty sugerują, że neutrina mają bardzo małą, ale

różną od zera masę spoczynkową. Dla neutrina elektronowego szacowana jest ona na 0,5 do

5 eV. (Por. A. K. Wróblewski, Czy neutrino ma masę? „Wiedza i Życie” 1996, nr 1.) Artykuł

Odkrycie kwarka top jest niezmiernie interesujący również z punktu widzenia filozofii nauki

ze względu na zawarty tam opis kontekstu odkrycia naukowego — wieloletnia praca w wiel-

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

178

l e p t o n y

k w a r k i

cząstka masa ładunek cząstka masa

ładunek

neutrino

elektronowe e

0 (?)259 0 górny u

(up)

0,3 +2/3

elektron e

0,0005 –1 dolny d

(down)

0,3 –1/3

neutrino

mionowe

0 (?) 0 powabny c

(charmed)

1,5 +2/3

mion 0,106 –1 dziwny s

(strange)

0,5 –1/3

neutrino

taonowe

0 (?) 0 szczytowy t

(top)

175 +2/3

taon

1,7 –1 denny b

(bottom)

4,5 –1/3

Ponieważ każdy z kwarków może występować w trzech kolorach, a do

każdej cząstki istnieje antycząstka, otrzymujemy ostatecznie 6 3 2 = 36

—————— kim zespole badawczym, złożone i niezwykle kosztowne urządzenia, a ponadto olbrzymie

trudności z interpretacją rezultatów eksperymentu — czyli próbą ostatecznego ustalenia, czy

w ogóle nastąpiło odkrycie: wydzielenie kilkunastu z milionów zarejestrowanych zderzeń,

które „zdawały się świadczyć” o odkryciu pary top — antytop, oceny szansy, że „nie zaob-

serwowano kwarka top”, a poza tym decyzje, czy wyniki pracy należy przedstawić społecz-

ności uczonych jako „odkrycie kwarka top”, czy też raczej jako „argument świadczący

o istnieniu kwarka top” itp. Uczeni wskazują również, w jak silnym stopniu ocena dokonane-

go odkrycia zależy od teorii. 259 Model standardowy przyjmuje założenie, że neutrina mają zerową masę spoczynkową,

chociaż można go uogólnić tak, by opisywał neutrina masywne. W czerwcu 1998 roku mię-

dzynarodowy zespół fizyków pracujący w największym na świecie detektorze neutrin Super-

Kamiokande w Mozumi (Japonia) podał, że neutrina mają bardzo małą, lecz różną od zera

masę spoczynkową. Podstawę urządzenia do detekcji neutrin stanowi zbiornik zawierający

50 tys. ton czystej wody, umieszczony w starej kopalni cynku 1000 m pod powierzchnią

ziemi i otoczony detektorami. Ponieważ neutrina nie mogą być bezpośrednio zaobserwowane,

możliwa jest jedynie rejestracja produktów przemiany protonu w elektron (lub mion) w wyni-

ku oddziaływania neutrina elektronowego (lub mionowego) z materią. W przybliżeniu tylko

jedno z miliarda neutrin przelatując przez Ziemię, wchodzi w oddziaływanie z napotkanym

atomem. Problem masy neutrin ma doniosłe znaczenie nie tylko dla fizyki cząstek elementar-

nych, ale i dla kosmologii. Jeżeli neutrina mają masę, to mogą stanowić jedną ze składowych

tzw. ciemnej materii w kosmosie, co ma wpływ na współczesne modele kosmologiczne.

Ostateczne składniki materii

179

kwarków oraz 6 2 leptonów, co daje razem 48 ostatecznych (?) składników

materii. Otaczająca nas materia jest prawie wyłącznie zbudowana z elektro-

nów e oraz kwarków górnego u i dolnego d.

Oddziaływania przenoszone są natomiast przez wymianę bozonów —

kwantów pola, do których należą: foton — bezmasowy kwant pola

elektromagnetycznego, gluony g — bezmasowe kwanty przenoszące oddzia-

ływania kolorowe między kwarkami (teoria przewiduje osiem rodzajów

gluonów), bozony odpowiedzialne za oddziaływania słabe, oznaczane sym-

bolami: W+

(masa 80 GeV, ładunek +1), W– (masa 80 GeV, ładunek –1) i Z

0

(masa 91 GeV, ładunek 0) . Model standardowy przewiduje jeszcze istnienie

pewnego rodzaju cząstek, nazywanych bozonami Higgsa, nie znalezionych

jeszcze eksperymentalnie. Według zamierzeń kwantowej teorii grawitacji

oddziaływanie grawitacyjne jest przenoszone przez bezmasowy kwant pola

grawitacyjnego — grawiton. Istnienie grawitonów również nie zostało jesz-

cze potwierdzone eksperymentalnie.

Przyszła Teoria Wielkiej Unifikacji (Grand Unified Theory — GUT) po-

winna łączyć model standardowy z teorią oddziaływań elektromagnetycz-

nych i słabych. Teoria Wszystkiego (Theory of Everything — TOE) powinna

uwzględniać również oddziaływania grawitacyjne, ponieważ według jej

podstawowych założeń wszystkie rodzaje oddziaływań — grawitacyjne,

elektromagnetyczne, słabe i silne jądrowe są przejawem jednego fundamen-

talnego oddziaływania260

. Jeszcze jej nie zbudowano.

Jak pisze Gell-Mann: „Laikowi może wydawać się szaleństwem pomysł,

iż podstawowe prawo rządzące materią we wszechświecie może opierać się

na tak dużym i niejednorodnym zbiorze cząstek. Eksperci od cząstek ele-

mentarnych mogą się tylko zgodzić z tym twierdzeniem.”261

Pytanie o ist-

nienie o s t a t e c z n y c h s k ł a d n i k ó w m a t e r i i jest nadal otwarte.

Na zakończenie tego rozdziału chciałbym jeszcze poświęcić kilka uwag

niezwykle interesującemu i posiadającemu doniosłe konsekwencje filozo-

ficzne aspektowi mechaniki kwantowej, a mianowicie zagadnieniu indywi-

dualności cząstek elementarnych.

Atomistyczna koncepcja materii zawsze była związana z założeniem, że

atomy (czy też cząstki elementarne) danego rodzaju nie różnią się żadną

—————— 260 Szerzej por. D. Stauffer, H. E. Stanley, Od Newtona do Mandelbrota, s. 246. 261 M. Gell-Mann, Kwark i jaguar, s. 265.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

180

w e wn ę t r z n ą cechą. W tym sensie możemy powiedzieć, że wszystkie

cząstki danego rodzaju traktowano jako i d e n t y c z n e. Niemniej jednak

traktowano je jako r o z r ó ż n i a l n e. Od czasów Demokryta, poprzez fizykę

klasyczną, aż do lat trzydziestych dwudziestego wieku elementarnym skład-

nikom materii przypisywano ściśle określone położenie w przestrzeni i to

właśnie odróżniało jeden atom od drugiego, chociaż nie różniły się one żad-

nymi własnościami. Możemy więc powiedzieć, iż klasycznie rozumiane

cząstki posiadały i n d y wi d u a l n o ś ć, co znaczy, że — przynajmniej teore-

tycznie — cząstki klasyczne można było ponumerować („zaetykietować”):

„pierwsza, druga, trzecia…” i układ taki różnił się na przykład od układu

„trzecia, pierwsza, druga…”.

Również według współczesnej mechaniki kwantowej wszystkie cząstki

elementarne danego rodzaju są dokładnie takie same, co znaczy, że nie róż-

nią się żadną we wn ę t r zn ą cechą. Na przykład wszystkie elektrony mają

(i to z definicji) dokładnie taką samą masę spoczynkową, ładunek elektrycz-

ny czy spin, choć oczywiście mogą mieć różne parametry dynamiczne za-

leżne od stanu, jak pęd czy położenie. Jednak wiemy, że z zasady nieozna-

czoności Heisenberga wynika, iż cząstkom kwantowym nie można przypisać

jednoznacznie określonych trajektorii w czasoprzestrzeni i — zgodnie

z mechaniką kwantową — c zą s t k i i d e n t y c zn e s ą z a s a d n i c zo

n i e o d r ó żn i a l n e. Znaczy to, że można je „zamienić wzajemnie miejscami

w najogólniejszych warunkach bez spowodowania jakiejkolwiek zmiany

w sytuacji fizycznej”262

.

Zasadnicza nieodróżnialność cząstek identycznych prowadzi do cieka-

wych efektów nie mających odpowiedników w świecie klasycznym. Roz-

ważmy prosty przykład zderzenia dwóch cząstek. Według mechaniki kla-

sycznej zderzenie dwóch cząstek opisuje się dokładnie tak samo, niezależnie

od tego, czy są to cząstki różne, czy też cząstki identyczne. Natomiast sytu-

acje te są traktowane zupełnie odmiennie z punktu widzenia mechaniki

kwantowej.

—————— 262 L. I. Schiff, Mechanika kwantowa, s. 321. Ponieważ „nieodróżnialność” jest przede

wszystkim terminem epistemologicznym, podkreślić trzeba, że nie chodzi tu „nieodróżnialno-

ści dla kogoś” (wiemy na przykład, że w pewnym czasie chemicy nie rozróżniali izotopów),

ale o „nieodróżnialności dla samej przyrody”, czyli o „nieodróżnialności” w pewnym sensie

metaforycznym, a mianowicie o obiektywne niezachodzenie immanentnej różnicy.

Ostateczne składniki materii

181

Według mechaniki klasycznej, jeśli zderzają się dwie cząstki, powiedzmy

cząstka A i cząstka B, to na podstawie obserwacji torów cząstek możemy

powiedzieć, że na przykład cząstka B najpierw spoczywała, potem została

uderzona przez nadlatującą z lewej strony cząstkę A, a następnie cząstka A

została odrzucona pod kątem do góry, natomiast cząstka B pod kątem

w dół. Opis będzie dokładnie taki sam, niezależnie od tego, czy A i B repre-

zentują różne cząstki, czy też cząstki identyczne. W mechanice kwantowej

sytuacja jest jednak zupełnie inna: dla dwóch identycznych cząstek A i B

odróżnienie cząstki padającej i uderzonej nie ma sensu fizycznego. Nie mo-

żemy na przykład rozstrzygnąć, czy po zderzeniu cząstka B (która najpierw

spoczywała) teraz porusza się do góry, czy też jest to trajektoria (identycznej

z nią) cząstki A, która uderzyła w cząstkę B.

Jeszcze bardziej wymownego przykładu dostarczają statystyki kwanto-

we Bosego–Einsteina i Fermiego–Diraca. W celu zilustrowania pojawiają-

cych się trudności interpretacyjnych rozważmy przykład stanu z dwoma

bozonami.

Przypuśćmy, że mamy prostopadłościenne pudło z dwiema identycznymi

cząstkami 1 i 2, które mogą poruszać się swobodnie wewnątrz pudła. Mo-

żemy wyobrazić sobie, że pudło ma lewą (l) i prawą (p) stronę, a ich objęto-

ści są równe. Zakładamy, że cząstki poruszają się wewnątrz pudła i nie od-

działują ze sobą. Załóżmy również, że rozmiary cząstek są na tyle małe, iż

możemy pominąć ich zderzenia. Jakie jest prawdopodobieństwo znalezienia

jednej lub obydwu cząstek w poszczególnych częściach pudła?

Następujące rozumowanie wydaje się, przynajmniej prima facie, przeko-

nujące. Możliwe są cztery przypadki: obydwie cząstki w l, obydwie cząstki

w p, cząstka 1 w l i cząstka 2 w p, cząstka 2 w l i cząstka 1 w p. Stany te

możemy zapisać następująco:

)1(l )2(l — cząstka 1 w lewej części i cząstka 2 w lewej;

)1(l )2(p — cząstka 1 w lewej części i cząstka 2 w prawej;

)1(p )2(l — cząstka 1 w prawej części i cząstka 2 w lewej;

)1(p )2(p — cząstka 1 w prawej części i cząstka 2 w prawej.

Wszystkie cztery przypadki są równie możliwe, zatem prawdopodobień-

stwo dla każdego możliwego układu wynosi 1/4: prawdopodobieństwo tego,

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

182

że obydwie cząstki znajdują się w l, wynosi 1/4, prawdopodobieństwo tego,

że obydwie cząstki są w p, wynosi również 1/4, oraz prawdopodobieństwo

równe 1/2 dla sytuacji, w której w każdej połowie pudła znajduje się jedna

cząstka.

Rozkład prawdopodobieństwa jest w tym wypadku dokładnie taki sam

jak przy rzucie dwiema monetami. Dla każdej monety może wypaść orzeł

(O) albo reszka (R), zatem dla dwóch monet otrzymujemy następujące zda-

rzenia, z prawdopodobieństwem 1/4 każde: (O, O); (O, R); (R, O); (R, R).

Ciąg (O, O) oznacza oczywiście „orzeł na pierwszej i orzeł na drugiej” itd.

Mamy więc prawdopodobieństwo równe 1/4 dla zdarzenia polegającego na

wyrzuceniu dwóch orłów, prawdopodobieństwo 1/4 dla dwóch reszek, oraz

prawdopodobieństwo 1/2 dla zdarzenia „na każdej monecie różny wynik”.

Ostatniemu przypadkowi odpowiadają oczywiście sytuacje: „orzeł na pierw-

szej i reszka na drugiej” albo „reszka na pierwszej i orzeł na drugiej”. Po-

nieważ monety są rozróżnialne (na przykład na podstawie ich położenia

w przestrzeni), to układy (O, R) i (R, O) stanowią r ó ż n e s y t u a c j e f i -

z y c z n e. Zdania „orzeł na pierwszej monecie i reszka na drugiej”

oraz „reszka na pierwszej monecie i orzeł na drugiej” odnoszą się do r ó ż -

n y c h stanów rzeczy.

Poświęciłem stosunkowo wiele miejsca opisowi tego dość prostego przy-

padku, ponieważ dokładne uświadomienie sobie, o co tutaj chodzi, umożli-

wia rozpoznanie całej osobliwości statystyki kwantowej (tu: statystyki

Bosego–Einsteina). Otóż z mechaniki kwantowej wiadomo, że dla dwóch

identycznych cząstek zamkniętych wewnątrz pudła otrzymujemy jedynie

trzy możliwości z prawdopodobieństwem 1/3 każda: obydwie cząstki w l,

obydwie cząstki w p oraz każda cząstka w innej części pudła. Cząstki iden-

tyczne w mechanice kwantowej są nieodróżnialne i zdania „cząstka 1 w l

i cząstka 2 w p” oraz „cząstka 2 w l i cząstka 1 w p” odnoszą się do t e g o

s a m e g o stanu rzeczy.

Przypuszczenie, że mimo wszystko układy te naprawdę jednak różnią się

od siebie, chociaż nie możemy tego stwierdzić, prowadzi do sprzeczności

z obserwowalnymi stanami rzeczy. Nieco metaforycznie rzecz ujmując,

można powiedzieć, że to przyroda nie odróżnia następujących sytuacji:

„cząstka 1 w l i cząstka 2 w p” oraz „cząstka 2 w l i cząstka 1 w p”.

By otrzymać opis zgodny z doświadczeniem, musimy przyjąć, że poja-

wiają się jedynie stany symetryczne (pomijam współczynniki liczbowe):

Ostateczne składniki materii

183

)1(l )2(l

)1(p )2(p

)1(l )2(p + )1(p )2(l

albo stany antysymetryczne263

:

)1(l )2(p – )1(p )2(l

Dla bozonów (cząstek o spinie całkowitym, podlegającym statystyce

Bosego–Einsteina) dodajemy amplitudy prawdopodobieństwa (stany syme-

tryczne); dla fermionów (cząstek o spinie połówkowym, podlegającym

statystyce Fermiego–Diraca, do których stosuje się zakaz Pauliego) doda-

jemy amplitudy ze znakiem minus (antysymetryczne). Musimy wykluczyć

stany niesymetryczne, ponieważ prowadzą do niekwantowej statystyki

(Maxwella–Boltzmanna). W wypadku statystyk kwantowych permutacja

(przestawienie) dwóch dowolnych cząstek nie prowadzi do zmiany stanu

układu jako całości.

Wydaje się zatem, że w mechanice kwantowej należy odrzucić założe-

nie, że istnieją jakościowo identyczne, ale numerycznie różne cząstki,

i przyjąć, iż do cząstek kwantowych pojęcie numerycznej odrębności nie

stosuje się.

Różnicę między pojęciem cząstki klasycznej a pojęciem cząstki kwanto-

wej wyjaśnia Paul Teller264

, odwołując się do pewnej analogii. Załóżmy, że

najpierw wkładam monetę (np. grosz) do skarbonki, a później drugą, iden-

tyczną jakościowo. Następnie wyjmuję ze skarbonki jeden grosz i stawiam

pytanie: „Czy jest to pierwsza, czy też druga z monet, które tam umieściłem

wcześniej?” Aczkolwiek obydwa grosze są jakościowo identyczne, pytanie

—————— 263 Stan nazywa się symetryczny, jeżeli po zamianie miejscami cząstek (tzn. zamianie ety-

kiet „1” na „2” i vice versa) otrzymujemy z powrotem ten sam stan, natomiast antysyme-

tryczny wówczas, jeżeli w rezultacie takiej wymiany otrzymujemy ten sam stan ze znakiem

minus. 264 P. Teller, Quantum Mechanics and Haecceities, [w:] E. Castellani (ed.), Interpreting

Bodies. Classical and Quantum Objects in Modern Physics, Princeton University Press,

Princeton, New Jersey 1998, s. 114.

Fizyka atomowa i cząstek elementarnych

184

powyższe jest sensowne, chociaż może okazać się p r a k t yc z n i e nieroz-

strzygalne. W każdym razie jedno ze zdań „ta moneta została umieszczona

wcześniej”, „ta moneta została umieszczona później” jest prawdziwe, a dru-

gie fałszywe, choćbym nawet nie dysponował żadnymi środkami pozwalają-

cymi rozstrzygnąć, która moneta została włożona do skarbonki pierwsza.

Zupełnie inna sytuacja ma miejsce, gdy najpierw zdeponuję w banku czek na

jeden grosz, a później uczynię jeszcze raz to samo. Następnie chcę wypłacić

z banku jeden grosz. Nie istnieje żaden sposób, by zadośćuczynić mojemu

żądaniu, by wypłacono mi t e n grosz, który wpłaciłem najpierw.

Rysunek 19. Schematyczne przedstawienie statystyki — klasycznej (a) Maxwella–

Boltzmanna i statystyk kwantowych: (b) Bosego–Einsteina, (c) Fermiego–Diraca.

Jeśli myślimy o „zawartości” pudła jako o „cząstkach kwantowych”, po-

dobnie jak o groszach na rachunku bankowym, zamiast o „cząstkach kla-

sycznych”, podobnie jak o bilonie w skarbonce, wtedy nie istnieją „pierwsza

cząstka” i „druga cząstka”. Istnieją jedynie dwie nieodróżnialne cząstki

i jedynie trzy podstawowe przypadki: „dwie cząstki w l”, „dwie cząstki

w p”, i „każda cząstka po jednej stronie pudła”. Teraz prawdopodobieństwa

1/3, 1/3, 1/3 nie wydają się już zdumiewające. Oczekujemy bowiem kla-

sycznego rozkładu prawdopodobieństw (1/4, 1/2, 1/4) dopóty, dopóki my-

ślimy o zawartości pudła jako o cząstkach, do których stosują się określenia

Ostateczne składniki materii

185

„ta” i „tamta”. Jeżeli natomiast założymy, że mamy do czynienia z pozba-

wionymi indywidualności cząstkami, wówczas zupełnie naturalne jest, iż

otrzymujemy jedynie t r z y możliwe przypadki, zgodnie ze statystyką kwan-

tową (Bosego–Einsteina).

Klasycznie rozumiane cząstki mogą być p o n u me r o w a n e — pierw-

sza, druga, itd. i jest różnica w kolejności, w jakiej je liczymy. Cząstki

kwantowe mogą być jedynie z s u mo w a n e (aggregated) i możemy jedynie

ułożyć je w grupy o odmiennych własnościach z całkowitą miarą jedna,

dwie, itd., ale nie istnieje żadna różnica odnośnie do tego, która cząstka jest

pierwsza, która posiada jaką własność. W innym miejscu265

Teller podaje

jeszcze następującą analogię: Wyobraźmy sobie sznur i dwie fale biegnące

naprzeciwko siebie. Wiemy, że są dwie fale — czyli można je (tylko) p o l i -

c z y ć, nie da się jednak odpowiedzieć na pytanie, „która fala jest która” (co

staje się zupełnie oczywiste, gdy uwzględnimy podstawową własność fal,

jaką jest możliwość interferencji). Fal nie można p o n u me r o wa ć, ponie-

waż nie są to obiekty posiadające indywidualność. Cząstki kwantowe rów-

nież mogą być policzone (ale nie ponumerowane), zawsze manifestują się

(w rezultacie przeprowadzonego pomiaru) jako dokładnie zlokalizowane

w przestrzeni (podobnie jak klasyczne cząstki, a w odróżnieniu od klasycz-

nych fal lub pól), podobnie jednak jak klasyczne fale (w odróżnieniu od

klasycznych cząstek), cząstki kwantowe nie posiadają indywidualności.

—————— 265 P. Teller, An Interpretive Introduction to Quantum Field Theory, Princeton University

Press, Princeton, New Jersey 1995.

ZAKOŃCZENIE

Twierdzenie Demokryta, że „naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia”,

zapoczątkowało w filozofii przyrody niezwykle płodny program badawczy,

który — chociaż zarzucony na niemal dwa tysiąclecia — dzięki dziełu

Newtona legł u podstaw nowożytnej filozofii mechanicyzmu, a następnie,

poczynając od prac Daltona, przeobraził się w nowoczesną, ilościową teorię

atomistyczną. Bez wątpienia zasadnicza teza filozofii atomistycznej okazała

się jednym z najważniejszych i jednocześnie najtrwalszych osiągnięć w filo-

zofii i nauce.

Niemniej jednak, patrząc z perspektywy końca XX wieku, można powie-

dzieć, że współczesną fizykę atomową i fizykę cząstek elementarnych łączy

ze starożytnym (a nawet dziewiętnastowiecznym) atomizmem chyba tylko

jedna, ale zarazem niezmiernie ważna myśl — twierdzenie, że m a t e r i a

m a s t r u k t u r ę d y s k r e t n ą. Okazało się bowiem, że znakomita więk-

szość własności przypisywanych atomom była zbyt wielkim uproszczeniem

i zostały one zastąpione znacznie bardziej wyrafinowanymi, często w ogóle

nie mającymi analogii w świecie codziennego doświadczenia, pojęciami

fizyki matematycznej.

Od czasów starożytnych aż do końca XIX wieku atomy pojmowano jako

a b s o l u t n i e elementarne cząstki materii, obdarzone pewnymi obiektyw-

nymi własnościami, nie różniącymi się w zasadniczy sposób od własności

ciał dostępnych nam w bezpośredniej obserwacji zmysłowej. Przypisywano

im kształt, wielkość, rozciągłość, nieprzenikliwość, ciężar czy bezwładność

oraz położenie w przestrzeni i ruch. Pomimo występujących w poszczegól-

nych koncepcjach różnic co do podstawowych własności atomów, od cza-

sów starożytnych niemal do końca dziewiętnastego wieku etymologiczna

i realna treść nazwy „atom” (= niepodzielny) doskonale sobie odpowiadały.

Zakończenie

187

Fizyka początków XX wieku pokazała jednak, że atomy nie są obiektami

absolutnie elementarnymi i niepodzielnymi, ale że posiadają wewnętrzną

strukturę — złożone są z bardzo małego i zawierającego prawie całą masę

atomu jądra atomowego i otaczających go elektronów.

Próby zastosowania fizyki Newtona do opisu atomów (modele atomów

Thomsona i Rutherforda) doprowadziły ostatecznie do rewolucji naukowej,

która ukazała granice stosowalności fizyki klasycznej. Konieczność poszu-

kiwania nowych praw, za pomocą których można by opisać świat atomów,

doprowadziła w latach trzydziestych do powstania mechaniki kwantowej;

teorii, która do dziś zadziwia fizyków i filozofów zarówno skutecznością,

jak i osobliwością swoich rezultatów.

Podstawowe prawa rządzące elementarnymi składnikami materii okazały

się prawami probabilistycznymi, przez co legł w gruzach mechanistyczny

determinizm. Dokonane przy tym zaskakujące odkrycia — skwantowania

orbit elektronowych (model atomu Bohra), nieoznaczoności, antymaterii

i wiele innych, omawianych w tej książce — pokazały jednocześnie, że

świat atomów i cząstek elementarnych rządzi się specyficznymi prawami,

zupełnie odmiennymi od tych, do których przywykliśmy na podstawie po-

tocznego doświadczenia i opartej na nim fizyki klasycznej. Prawa mechaniki

kwantowej — podstawowej teorii współczesnej fizyki atomowej — z nie-

zwykłą precyzją opisują własności mikroświata, chociaż wydaje się, że urą-

gają zdrowemu rozsądkowi, a nawet zwykłej logice.

Planck i Einstein wykazali ponadto, że promieniowanie elektromagne-

tyczne przejawia własności korpuskularne, de Broglie natomiast, że własno-

ści falowe przysługują cząstkom materii. Już w modelu atomu Bohra postu-

laty kwantowe stały w wyraźnym konflikcie z klasycznymi wyobrażeniami

ruchu mikroobiektów, natomiast za ostateczną destrukcję wyobrażenia ato-

mu jako twardej bryłki materii, czy nawet miniaturowego układu planetar-

nego, w którym elektrony obiegają jądro atomowe po ściśle określonych

trajektoriach, można uznać opis atomu we współczesnej mechanice kwanto-

wej. W atomie są co prawda i elektrony, i jądro atomowe, lecz w modelu

atomu Schrödingera elektrony nie krążą po klasycznych orbitach, a wszyst-

ko, co można powiedzieć o ich ruchu, sprowadza się do podania odpowied-

nich prawdopodobieństw rezultatów pomiarów.

Jądra atomowe okazały się również obiektami złożonymi z protonów

i neutronów. Wiadome stało się również, że można rozbić jądro atomowe,

Zakończenie

188

przy czym wyzwala się tak wielka energia, że od sposobu jej wykorzystania

może zależeć nawet dalsza egzystencja ludzkości na Ziemi. Kandydatów na

„ostateczne składniki materii” upatrywano więc już nie w atomach, ale

w cząstkach elementarnych. Dalsze badania wykazały jednak, że również

protony, neutrony oraz inne silnie oddziałujące cząstki elementarne zbudo-

wane są z jeszcze mniejszych składników — kwarków. Według modelu

standardowego fizyki cząstek elementarnych kandydatami na ostateczne

składniki materii są kwarki i leptony i to raczej one zasługiwałyby na miano

„prawdziwych atomów”.

Warto w tym miejscu podkreślić istotne różnice między pojęciem cząstki

elementarnej w fizyce współczesnej a pojęciem atomu w filozofii greckiej

i pojęciem cząstki (korpuskuły) w fizyce klasycznej. Ograniczę się jedynie

do spraw najogólniejszych, które są zresztą źródłem wielu trudności poję-

ciowych dotyczących ontologicznej natury mikroobiektów.

Pierwsza kwestia związana jest z dualizmem korpuskularno-falowym.

Cząstki elementarne współczesnej fizyki można rozumieć jako „cząstki”

w tym sensie, że posiadają one pewne ustalone własności, takie jak masa

spoczynkowa, ładunek elektryczny czy spin, nie są jednak „cząstkami”

w tym sensie, że nie podlegają Newtonowskim prawom ruchu. Ze względu

na obowiązujące w mechanice kwantowej relacje nieoznaczoności cząstkom

kwantowym — w odróżnieniu od cząstek klasycznych — nie przypisuje się

jednoznacznie określonych trajektorii w czasoprzestrzeni. Ruch cząstki

kwantowej opisuje fala prawdopodobieństwa — amplituda fali w danym

punkcie przestrzeni jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa znalezienia

cząstki w tym miejscu w rezultacie dokonanego pomiaru.

W odróżnieniu od atomów filozofów cząstki elementarne nie są ani

wieczne, ani niezmienne. Współczesna fizyka dopuszcza powstawanie

i znikanie cząstek (procesy kreacji i anihilacji materii), jak również wzajem-

ne przekształcanie się jednych cząstek w inne.

Statystyki kwantowe Bosego–Einsteina i Fermiego–Diraca, opisujące za-

chowanie układów złożonych z wielu identycznych cząstek kwantowych,

w zasadniczy sposób różnią się od odpowiednich statystyk (Maxwella–Boltz-

manna) dla cząstek klasycznych. Skłaniają one do wniosku, że cząstki ele-

mentarne danego rodzaju (czyli cząstki identyczne) są z a s a d n i c z o nie-

rozróżnialne. Wydaje się zatem, że cząstki kwantowe są — w odróżnieniu

od cząstek klasycznych — obiektami pozbawionymi indywidualności: za-

Zakończenie

189

miana miejscami dwóch cząstek identycznych nie powoduje żadnej zmiany

w przyrodzie.

Wskazane wyżej trudności pojęciowe nie zmieniają jednak faktu, że żad-

na koncepcja filozoficzna nie może równać się z atomizmem pod względem

doniosłości wypływających z niej konsekwencji, zarówno teoretycznych, jak

i praktycznych. Dwa i pół tysiąca lat temu filozofowie atomiści mogli co

najwyżej snuć domysły na temat kształtów i rozmiarów atomów, wspomaga-

jąc swój intelekt poetyckimi wyobrażeniami roju drobniutkich ciałek

tańczących w próżni. Obecnie fizycy atomowi potrafią manipulować poje-

dynczymi atomami, wspomagając swój intelekt najpotężniejszymi urządze-

niami, jakie zbudował człowiek.

*

Chociaż pojęcie atomu, które ma rodowód filozoficzny, stało się funda-

mentalnym pojęciem podstawowej nauki przyrodniczej, nie znaczy to jed-

nak, że filozofia atomistyczna jest jedynie „prehistorią” współczesnej fizyki

atomowej, a matematyczno-empiryczna nauka zastąpiła po prostu dawniej-

sze spekulacje filozoficzne. Filozofia bowiem stale towarzyszy naukom

przyrodniczym, a fizyka współczesna nasycona jest problematyką tradycyj-

nie zaliczaną do filozofii. Sama jest również źródłem całkiem nowych pro-

blemów filozoficznych. Popularyzatorski charakter niniejszej książki nie

pozwala co prawda na dyskusję złożonych problemów filozoficznych zwią-

zanych ze współczesną fizyką atomową, niemniej jednak o pewnych kwe-

stiach pozwolę sobie choćby wspomnieć, podając jednocześnie wybrane

pozycje z bardzo bogatej literatury przedmiotu.

Pierwsza rzecz to z a g a d n i e n i e i n t e r p r e t a c j i m e c h a n i k i

k w a n t o w e j, a więc powiązania matematycznej struktury teorii z wynika-

mi eksperymentów. W nieco szerszym sensie wiąże się to zagadnienie rów-

nież z tradycyjnymi problemami filozoficznymi uwikłanymi w wewnętrzny

kontekst mechaniki kwantowej. Dopóki bowiem ograniczamy się do odpo-

wiednich rachunków i porównywania obliczonych wartości wielkości fi-

zycznych z rezultatami pomiarów, formalizm matematyczny działa znako-

micie i empiryczna adekwatność mechaniki kwantowej nie budzi żadnych

wątpliwości. Jednak gdy chcemy zrozumieć fizyczny sens formalizmu i py-

tamy: Co opisuje funkcja falowa — obiektywnie istniejący stan rzeczy

Zakończenie

190

czy też jedynie naszą wiedzę o układzie? Jaka jest ontologia świata opisy-

wanego przez mechanikę kwantową? Jak należy rozumieć dualistyczny,

korpuskularno-falowy charakter mikroobiektów? Co nadaje oddziaływaniu

między mierzonym obiektem a przyrządem pomiarowym (resp. obserwato-

rem) charakter pomiaru w sensie przyjętym w mechanice kwantowej? Kiedy

następuje redukcja funkcji falowej i jakie czynniki są za nią odpowiedzial-

ne? Dlaczego możemy przewidywać jedynie prawdopodobieństwa rezulta-

tów pomiarów?, wówczas okazuje się, że zdania fizyków i filozofów nauki

są — mimo znakomitej zgodności mechaniki kwantowej z doświadczeniem

— podzielone.

Historycznie pierwszą odpowiedź na powyższe pytania zawiera kopen-

haska interpretacja mechaniki kwantowej sformułowana przez Nielsa

Bohra i współpracujących z nim fizyków (1927)266

. Interpretacja ta, cho-

ciaż nazywana jest standardową (resp. ortodoksyjną), już od chwili sfor-

mułowania była przedmiotem krytyki, która doprowadziła do powstania

rozmaitych konkurencyjnych interpretacji — Louisa de Broglie’a267

, Cze-

sława Białobrzeskiego268

czy interpretacji zespołów statystycznych269

. Do

—————— 266 W pracy: N. Bohr, The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic

Theory, Supplement to „Nature” 1928, nr 121, April 14, s. 580–590. O filozofii fizyki Bohra

szerzej por. A. Łukasik, Niels Bohr i zagadnienie obiektywności poznania, „Annales UMCS”

1998, sectio I, vol. XXIII, s. 179–200; U. Röseberg, Niels Bohr a filozofia, [w:] S. Butryn

(red.), Z zagadnień filozofii nauk przyrodniczych, Wyd. PAN, Warszawa 1991; por. także

Słowniczek, hasło „komplementarności zasada”. O kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwan-

towej i zasadzie komplementarności por. W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, s. 26–41 („Kopen-

haska interpretacja teorii kwantów”); L. M. Krauss, Fizyka podróży międzygwiezdnych.

Wędrówka po świecie Star Trek, tłum. E. L. Łokas, B. Bieniok, Prószyński i S-ka, Warszawa

1996, s. 157 i n.; J. Misiek, Komplementarności zasada, [w:] Filozofia a nauka. Zarys ency-

klopedyczny, Z. Cackowski, J. Kmita, K. Szaniawski, P. J. Smoczyński (red.), Ossolineum,

Wrocław–Warszawa–Kraków–Gdańsk–Łódź 1987, s. 305–313. 267 Por. L. de Broglie, Czy fizyka kwantowa pozostanie indeterministyczna? tłum.

S. Rouppert, [w:] Zagadnienia filozoficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN,

Warszawa 1955; O możliwości interpretacji przyczynowej i obiektywnej mechaniki kwanto-

wej, [w:] ibidem, s. 144–149; O kwantowomechanicznej interpretacji układu cząstek w prze-

strzeni konfiguracyjnej przez teorię podwójnego rozwiązania, [w:] ibidem, s. 150–156;

J. Mehra, The Solvay Conferences on Physics. Aspects of the Development of Physics Since

1911, D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland–Boston, USA 1975, s. 142–146. 268 Por. Cz. Białobrzeski, Wybór pism, Pax, Warszawa 1964; idem, Podstawy poznawcze

fizyki świata atomowego, PWN, Warszawa 1984; A. Łukasik, Czesława Białobrzeskiego kon-

Zakończenie

191

współcześnie rozwijanych interpretacji należą m.in. Davida Bohma teoria

parametrów ukrytych270

, Hugh Everetta III interpretacja wielu światów

(Many-Worlds Interpretation)271

, stanowiąca jej modyfikację Murraya

Gell-Manna i Jamesa Hartle’a tzw. współczesna interpretacja mechaniki

kwantowej272

i kilka innych273

.

W bliskim związku z zagadnieniem interpretacji mechaniki kwantowej

pozostaje s p ó r p o m i ę d z y r e a l i z m e m a i n s t r u m e n t a l i -

z m e m (resp. antyrealizm) w filozofii nauki. Ogólnie rzecz biorąc, w sporze

tym chodzi o to, czy teorie naukowe odzwierciedlają w jakiejś mierze obiek-

tywną strukturę świata, czy też nauka dostarcza jedynie narzędzi pojęcio-

wych służących uporządkowaniu rezultatów eksperymentów. Stanowisko

Bohra i szkoły kopenhaskiej zalicza się zwykle do instrumentalistycznych,

czemu przeciwstawiał się m.in. Einstein, tocząc prawie trzydzieści lat trwa-

jące dyskusje z Bohrem.

Kolejny problem dotyczy z a g a d n i e n i a l o k a l n o ś c i. Sformuło-

wane przez Einsteina liczne eksperymenty myślowe, w tym sławny para-

doks EPR274

, miały wykazać „niekompletność” mechaniki kwantowej

—————— cepcja obiektywności poznania kwantowomechanicznego, „Edukacja Filozoficzna” 1994, vol. 18,

s. 222–233. 269 D. I. Błochincew, Krytyka idealistycznego ujęcia teorii kwantów, tłum. Z. Kopeć, [w:]

Zagadnienia filozoficzne mechaniki kwantowej, PWN, Warszawa 1953, s. 34–92; J. Terlecki,

Zagadnienia rozwoju teorii kwantów, tłum. Z. Kopeć, [w:] Zagadnienia filozoficzne mechani-

ki kwantowej, s. 9–33. 270 Por. D. Bohm, Ukryty porządek, tłum. M. Tempczyk, Pusty Obłok, Warszawa 1988,

s. 90–93. 271 H. Everett III, „Relative State” Formulation of Quantum Mechanics, „Reviews of Mo-

dern Physics” 1957, vol. 29, nr 3, s. 454–462. 272 J. J. Halliwell, Kosmologia kwantowa i stworzenie wszechświata, tłum. K. Maślanka,

„Świat Nauki” 1992, nr 2, s. 28–36; M. Gell-Mann, Kwark i jaguar, s. 193. 273 Por. np. R. Healey, The Philosophy of Quantum Mechanics, Cambridge University

Press, Cambridge 1991; R. Omnès, The interpretation of Quantum Mechanics, Princeton

University Press, Princeton, New Jersey 1994; R. Penrose, Nowy umysł cesarza…, rozdział 6,

Tajemnica kwantowej magii. 274 A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical

Reality Be Considered Complete? „Physical Review” 1935, vol. 47; N. Bohr, Discussion with

Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics, [w:] P. A. Schilpp (ed.), Albert

Einstein: Philosopher — Scientist, vol. I, Harper & Brothers Publishers, New York 1951,

s. 199–241. W czasie pisania niniejszej książki wszystkie ważniejsze teksty Einsteina doty-

Zakończenie

192

i konieczność poszukiwania bardziej fundamentalnej teorii o charakterze

deterministycznym. Stały się między innymi źródłem dyskusji nad zagad-

nieniem „oddziaływania na odległość” w mechanice kwantowej. Rozwój

technik eksperymentalnych pozwolił na doświadczalne sprawdzenie wnio-

sków wypływających ze stanowisk Bohra i Einsteina275

, ale bynajmniej nie

zakończył dyskusji nad teoretyczną interpretacją tych eksperymentów276

.

W filozoficznych dyskusjach nad mechaniką kwantową odżywa również

w nowej postaci fundamentalny dla epistemologii p r o b l e m o b i e k -

t y w n o ś c i p o z n a n i a. Przybiera on w tym wypadku postać pytania

o rolę i status kategorii o b s e r w a t o r a w mechanice kwantowej277

.

Do aktualnie dyskutowanych problemów filozoficznych należy również

z a g a d n i e n i e i n d y w i d u a l n o ś c i m i k r o o b i e k t ó w, które pozo-

staje w związku z nieodróżnialnością cząstek identycznych w mechanice

kwantowej. Ta osobliwa własność mikroobiektów prowadzi do szeregu

interesujących filozoficznie pytań, jak na przykład: Czy mikroobiekty na-

ruszają zasadę tożsamości nierozróżnialnych Leibniza? Czy możemy je

pojmować jako obiekty posiadające indywidualność (resp. tożsamość)?

Czy adekwatne jest pojmowanie mikroobiektów jako „rzeczy”, w których

„tkwią własności”?278

Ciekawą grupą zagadnień, na którą chciałbym zwrócić uwagę, jest nie-

zwykle interesujący, a nie zawsze doceniany fakt, że wzbogacenie perspek-

tyw poznawczych, uwarunkowane historycznym rozwojem filozofii atomi-

zmu, jest jednocześnie związane z ukazywaniem pewnych g r a n i c p o -

—————— czące interpretacji mechaniki kwantowej zostały przetłumaczone na język polski w: S. Butryn

(red.), Albert Einstein. Pisma filozoficzne, tłum. K. Napiórkowski, Wyd. IFiS PAN, Warszawa

1999. 275 A. Aspect, J. Dalibard, G. Roger, Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time

Varying Analizers, „Physical Review Letters” 1982, vol. 49, nr 25, s. 1804–1807; popularna

prezentacja: N. D. Mermin, Czy Księżyc istnieje, kiedy nikt na niego nie patrzy? Rzeczywi-

stość a teoria kwantowa, tłum. R. Broda, „Problemy” 1985, nr 4, s. 49–54. 276 J. T. Cushing, E. McMullin (ed.), Philosophical Consequences of Quantum Theory,

University of Notre Dame Press, Notre Dame, Indiana 1989. 277 Por. K. R. Popper, Quantum Theory and the Schizm in Physics, W. W. Bartley, III, Toto-

wa, New Jersey 1982. 278 Analizy tego zagadnienia z punktu widzenia kwantowej teorii pola por. P. Teller, An In-

terpretive… oraz zbiór artykułów dotyczących zagadnienia indywidualności w: E. Castellani

(ed.), Interpreting Bodies…

Zakończenie

193

z n a n i a279

. Najbardziej znanym faktem są pewne ograniczenia przewidy-

walności zjawisk mikroświata związane ze statystycznym charakterem

mechaniki kwantowej (spór determinizm — indeterminizm). Ograniczeń

takich pojawia się jednak znacznie więcej, a niektóre z nich związane są

z podstawową metodą atomizmu, która każe badać to, co złożone, przez

rozłożenie na elementy składowe. Jeżeli jednak kiedyś dotrzemy (czy może

już dotarliśmy?) do ostatecznych, niepodzielnych i pozbawionych struktu-

ry wewnętrznej składników materii, to oczywiście nie można poznać wła-

sności cząstek elementarnych w taki sam sposób, w jaki poznajemy

wszystko inne, czyli rozbijając je na części280

.

Powyższe uwagi, rzecz jasna niezmiernie skrótowe, jedynie ilustrują bo-

gactwo problematyki filozoficznej związanej z mechaniką kwantową. Widać

jednak z nich, że współczesny atomizm, o ile ma stanowić nadal postępowy

program badawczy, nie może już, jak na początku XX wieku, ograniczać się

wyłącznie do teorii podstawowych składników materii, lecz musi uwzględ-

niać zarówno zagadnienia kosmologiczne (w tym oczywiście ewolucję

wszechświata oraz teorię czasu i przestrzeni), jak i wyjaśniać istnienie struk-

tur złożonych, w tym zjawiska życia i świadomości, a zatem i fenomenu

poznania świata.

Współczesna fizyka bowiem znajduje się w sytuacji teoretycznej, która

wymusza niejako powrót do atomizmu rozumianego jako wszechogarniająca

teoria całości wszechświata. Uczeni dysponują obecnie dwiema podstawo-

wymi teoriami: mechaniką kwantową i ogólną teorią względności Einsteina.

Pierwsza z nich jest teorią atomowej struktury materii, druga natomiast —

dotyczy fundamentalnych własności czasu i przestrzeni. Problem polega na

tym, że teorie te oparte są na zupełnie odmiennych założeniach i nie prowa-

dzą do wypracowania równie spójnego poglądu na czas, przestrzeń i atomy,

—————— 279 O zagadnieniu granic poznania, rozważanym w nieco szerszym kontekście, a więc

z uwzględnieniem takich teorii współczesnej fizyki, jak teoria względności, mechanika kwan-

towa, fizyka statystyczna i teoria chaosu deterministycznego por. A. Łukasik, Fizyka

i zagadnienie granic poznania, [w:] Z. Muszyński (red.), Z badań nad prawdą, nauką i po-

znaniem, Wyd. UMCS, Lublin 1998, s. 223–235; por. także: H. Eilstein, Sądy opisowe i oce-

niające, [w:] M. Czarnocka (red.), Dziedzictwo logicznego empiryzmu, Wydawnictwo IFiS

PAN, Warszawa 1995. 280 Por. L. Smolin, Życie wszechświata. Nowe spojrzenie na kosmologię, tłum. D. Czy-

żewska, Amber, Warszawa 1997, s. 40 i n.

Zakończenie

194

jaki kiedyś dawała mechanika Newtona. Prace prowadzone w kierunku uni-

fikacji tych teorii przybierają w fizyce postać prób zbudowania kwantowej

teorii grawitacji, która — o ile zostanie zbudowana — będzie musiała przy-

jąć formę pozwalającą zrozumieć zarówno podstawowe własności atomów

i cząstek elementarnych, jak i wielkoskalową strukturę wszechświata. Naj-

prawdopodobniej będzie to związane z pewną modyfikacją mechaniki kwan-

towej i teorii względności. Dopiero taka unifikacja umożliwiłaby wypraco-

wanie spójnego obrazu świata i mogłaby stanowić podstawę odpowiedzi na

fundamentalne problemy filozoficzne.

Być może niektórym takie maksymalistyczne aspiracje współczesnej fi-

zyki atomowej wydadzą się przesadzone. Niemniej jednak są one siłą na-

pędową wszelkich poszukiwań w nauce. Ostatecznie bowiem — jak pisał

Stephen Hawking — „naszym celem jest kompletny opis świata, w którym

żyjemy, nic skromniejszego nas nie zadowoli”281

.

—————— 281 S. Hawking, Krótka historia czasu, s. 23.

SŁOWNICZEK

ABSOLUTYZM — pogląd sformułowany przez I. Newtona, dotyczący sposobu istnienia

czasu i przestrzeni, według którego są one w swym istnieniu i własnościach niezależne od

materii; przeciwieństwo relacjonizmu.

ABSORPCJA — pochłanianie promieniowania przez ośrodek, związane z przemianą

energii promieniowania na różnego rodzaju energię ośrodka (np. cieplną). W rezultacie

absorpcji kwantu energii przez atom elektron przeskakuje na wyższy poziom energe-

tyczny, co Bohr przedstawił w swym modelu jako przeskok na orbitę położoną dalej od ją-

dra atomowego. Spełniona jest zależność (wzór Plancka):

hEE mn,

gdzie Em, En oznaczają energię elektronu, odpowiednio na m-tej i n-tej orbicie, h jest stałą

Plancka, – częstością promieniowania.

AKCELERATORY — urządzenia służące do przyspieszania cząstek naładowanych.

Przekazywanie energii zachodzi wskutek oddziaływania pola elektrycznego z ładun-

kiem elektrycznym cząstki. Po osiągnięciu wymaganej energii, cząstki kierowane są na

tarczę (albo na inną wiązkę cząstek), gdzie zachodzą reakcje jądrowe, w wyniku których

tworzone są różne cząstki elementarne, lub fragmenty rozbitych jąder atomowych.

Ślady tych cząstek można następnie obserwować w detektorach cząstek elementarnych.

Akceleratory są podstawowym narzędziem badawczym fizyki jądrowej i fizyki cząstek ele-

mentarnych. Pozwalają m.in. na wywoływanie reakcji jądrowych, produkcję różnych izo-

topów oraz pierwiastków nie występujących w stanie naturalnym w przyrodzie. Akcelera-

tory znajdują także zastosowanie w medycynie (np. do terapii za pomocą promieniowania

gamma, do sterylizacji narzędzi chirurgicznych) i w przemyśle (np. konserwacja żywności,

obróbka kryształów i półprzewodników).

ANIHILACJA — proces oddziaływania cząstki z jej antycząstką, prowadzący do

zniknięcia tych cząstek. Całkowita energia cząstek ( 2mcE ) przekształca się w energię

powstających innych cząstek elementarnych, zwykle kwantów lub mezonów .

Słowniczek

196

ANTYCZĄSTKI — do każdej cząstki elementarnej istnieje antycząstka, która ma taką

samą jak cząstka masę, spin, ale przeciwny znak ładunku elektrycznego (oraz pew-

nych innych wielkości fizycznych). Na przykład antycząstką elektronu jest pozyton,

cząstka elementarna o takiej samej masie jak masa elektronu, spinie połówkowym i dodat-

nim ładunku elementarnym; dla protonu antycząstką jest antyproton; dla neutronu

antyneutron, dla kwarku antykwark itd. W rezultacie zderzenia cząstki z antycząstką

następuje anihilacja materii. Foton, który nie ma ładunku elektrycznego, jest identyczny

ze swoją antycząstką.

ANTYKWARK antycząstki.

ANTYMATERIA — obiekty fizyczne zbudowane z antycząstek.

ANTYNEUTRON antycząstki.

ANTYPROTON antycząstki.

ATRYBUT — istotna i konieczna cecha danego przedmiotu (np. bezwładność jest

atrybutem wszystkich przedmiotów materialnych).

BARIONY — ciężkie cząstki elementarne (np. proton, neutron). Wszystkie ba-

riony są fermionami i należą do hadronów, czyli cząstek uczestniczących w silnych

oddziaływaniach jądrowych.

BEZWŁADNOŚĆ — własność wszystkich ciał, polegająca na tym, że do uzyskania

przyspieszenia względem inercjalnego układu odniesienia niezbędne jest działanie

siły; w przeciwnym wypadku ciała poruszają się bez przyspieszenia (tzn. ruchem jedno-

stajnym prostoliniowym) lub spoczywają. Miarą bezwładności jest masa (inercyjna).

BOSEGO–EINSTEINA STATYSTYKA — statystyka kwantowa opisująca zachowanie

układu wielu jednakowych cząstek o spinie całkowitym, czyli bozonów. Cechą charak-

terystyczną statystyki Bosego–Einsteina jest to, że permutacje (przestawienia) dowolnych

dwóch cząstek w obrębie układu nie prowadzą do zmiany układu jako całości. W danym

stanie kwantowym, czyli stanie reprezentowanym przez układ takich samych liczb kwan-

towych może znajdować się dowolnie wiele bozonów (np. fotonów, mezonów).

BOZONY — cząstki elementarne o spinie całkowitym, podlegające statystyce

Bosego–Einsteina (np. fotony, mezony). Bozony są cząstkami przenoszącymi od-

działywania.

BRYŁY PLATOŃSKIE — pięć wielościanów foremnych możliwych do skonstruowania

w trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej: czworościan, sześcian, ośmiościan, dwunasto-

ścian i dwudziestościan.

Słowniczek

197

CHROMODYNAMIKA KWANTOWA (QCD) — teoria stanowiąca część modelu

standardowego fizyki cząstek elementarnych, która wyjaśnia, w jaki sposób tworzą się

z kwarków protony, neutrony i inne silnie oddziałujące cząstki oraz w jaki sposób

przebiega oddziaływanie między nimi.

CIAŁO DOSKONALE CZARNE — ciało całkowicie pochłaniające padające na nie

promieniowanie elektromagnetyczne niezależnie od długości fali. Zbliżone własności do

ciała doskonale czarnego ma wnętrze światłoszczelnej komory z bardzo małym otworem:

promieniowanie wpadające przez otwór wielokrotnie odbija się od ścianek komory i jest

praktycznie całkowicie absorbowane. Badania nad zależnością energii promieniowanej

przez ciało doskonale czarne od temperatury i długości fali doprowadziły do odkrycia kwan-

towej natury promieniowania (M. Planck, 1900).

CIĘŻAR — 1) siła, z jaką Ziemia (albo Księżyc czy inna planeta itp.) przyciąga dane cia-

ło znajdujące się blisko jej powierzchni. 2) W filozofii Epikura — immanentna (wewnętrzna)

własność atomów, dzięki której spadają one w nieskończonej próżni „z góry na dół”.

CYKLOTRON — rodzaj akceleratora cząstek naładowanych.

CZAS ŻYCIA — parametr charakteryzujący czas istnienia nietrwałych obiektów fizycz-

nych; czas, po którym liczba cząstek (lub np. jąder atomowych) w danym zbiorze, malejąca

wykładniczo, osiąga wartość e-krotnie mniejszą (e = 2, 7182… jest podstawą logarytmów

naturalnych).

CZASOPRZESTRZEŃ teoria względności.

CZĄSTKI ELEMENTARNE — obiekty fizyczne, z których według współczesnego sta-

nu wiedzy składają się wszystkie ciała materialne i rozmaite rodzaje promieniowania.

W zależności od tego, czy dana cząstka ma spin całkowity czy połówkowy, cząstki dzieli-

my na bozony i fermiony. Fermiony (np. proton, neutron, elektron) są cząst-

kami, z których zbudowana jest materia (tzn. tworzą atomy), natomiast bozony przenoszą

oddziaływania między cząstkami materii (np. foton jest nośnikiem sił elektromagne-

tycznych). W zależności zaś od rodzaju oddziaływań, w jakich uczestniczą, cząstki dzieli się

na leptony, czyli cząstki lekkie, które uczestniczą w oddziaływaniach słabych i elektroma-

gnetycznych, i hadrony — cząstki biorące udział także w procesach oddziaływań silnych.

Wśród hadronów wyróżnia się bariony, czyli cząstki ciężkie o spinach połówkowych

i mezony, czyli bozony o średnich masach i spinach całkowitych. Wszystkie cząstki

uczestniczą w oddziaływaniach grawitacyjnych. Większość cząstek elementarnych jest

nietrwała i rozpada się na inne cząstki, po czasie zależnym od rodzaju oddziaływania. Do

trwałych cząstek należą elektron, neutrino, foton i zapewne proton. Według współcze-

snych teorii fizycznych leptony uznawane są za cząstki pozbawione struktury wewnętrznej,

natomiast hadrony zbudowane są z obiektów bardziej elementarnych kwarków. Wszystkim

znanym cząstkom przypisuje się odpowiednie antycząstki.

Słowniczek

198

CZĘSTOŚĆ — wielkość fizyczna charakteryzująca ruch falowy (albo okresowy), wyra-

żająca liczbę drgań na jednostkę czasu. Dla fali elektromagnetycznej (np. światła) zachodzi

związek: = c/ , gdzie jest długością fali w próżni, c prędkością światła w próżni.

DEMON LAPLACE’A — fantastyczna istota wymyślona przez P. S. de Laplace’a, po-

znająca świat w zasadzie w taki sam sposób jak człowiek, pozbawiona jednak naszych czysto

ludzkich ograniczeń poznawczych, związanych zarówno z niedokładnością pomiarów, jak

i z trudnościami matematycznymi w rozwiązywaniu równań. Umysł, który w jakimś danym

momencie czasu znałby wszystkie siły działające między ciałami, odpowiednie równania

ruchu ( zasady dynamiki Newtona) i warunki początkowe ( pędy i położenia wszyst-

kich ciał we wszechświecie) i który byłby wystarczająco potężny, by poddać te dane analizie,

mógłby przewidzieć zarówno przyszłość, jak i jak przeszłość wszechświata z absolutną do-

kładnością. Koncepcja ta wyraża przekonanie o determinizmie panującym w przyrodzie

i o tym, że zdolność ludzi do przewidywania przyszłości i odtwarzania przeszłości może się

nieograniczenie doskonalić.

DETEKTORY CZĄSTEK ELEMENTARNYCH — urządzenia służące do wykrywania,

liczenia oraz mierzenia pędu i energii różnego rodzaju cząstek. Niektóre z detektorów,

jak np. licznik Geigera–Müllera pozwalają jedynie na pomiar liczby i energii cząstek, inne

natomiast (tzw. detektory śladowe — np. komora Wilsona) umożliwiają ponadto wizualną

obserwację lub rejestrację fotograficzną śladów torów cząstek naładowanych. Działanie de-

tektorów śladowych oparte jest na zjawisku jonizacji atomów ośrodka wypełniającego

detektor w rezultacie oddziaływania cząstki elementarnej i kondensacji przegrzanej pary na

jonach, które stanowią zarodki kondensacji.

DETERMINIZM — pogląd filozoficzny głoszący, że każde zjawisko jest wyznaczone

przez prawa przyrody. Wyróżnia się determinizm ścisły (jednoznaczny), przyjmujący, że

wszelkie prawa przyrody mają charakter jednoznaczny ( demon Laplace’a), i determinizm

statystyczny (probabilistyczny). Determinizm statystyczny głosi, że każde zjawisko podlega

prawom przyrody, jednoznacznym bądź statystycznym. Prawa statystyczne określają jedynie

prawdopodobieństwo (względną częstość) zjawisk. Często determinizm statystyczny

określa się mianem indeterminizmu, przez co podkreśla się, że nie wszystkie zjawiska podle-

gają prawom jednoznacznym. Upowszechnił się on zwłaszcza po powstaniu mechaniki

kwantowej.

DETERMINIZM MECHANISTYCZNY — determinizm przyjmujący tezę, że dynamicz-

ny stan układu zamkniętego w danej chwili wyznacza w zupełności i pod każdym względem

jego obecne, przyszłe i przeszłe stany ( demon Laplace’a mechanicyzm).

DIRACA RÓWNANIE — podstawowe równanie relatywistycznej mechaniki kwantowej,

opisujące ruch cząstek o spinie połówkowym. Rozwiązanie równia Diraca odpowiadające

ujemnym energiom doprowadziło do odkrycia antymaterii (P. A. M. Dirac, 1928).

Słowniczek

199

DUALIZM KORPUSKULARNO-FALOWY — w mechanice kwantowej własność

wszystkich mikroobiektów polegająca na tym, że w pewnych sytuacjach zachowują się tak

jak klasyczne cząstki, w innej zaś jak klasyczne fale. Typowy przykład stanowi światło, które

ulega dyfrakcji, interferencji i polaryzacji, a więc efektom typowym dla fal, nato-

miast w zjawisku fotoelektrycznym zachowuje się jak strumień cząstek fotonów. Oby-

dwa aspekty — korpuskularny i falowy uważa się za komplementarne aspekty rzeczywi-

stości fizycznej na poziomie atomowym.

DYFRAKCJA — ugięcie światła przy przechodzeniu przez szczeliny, zjawisko towarzy-

szące rozchodzeniu się światła i świadczące o jego falowym charakterze.

DZIWNOŚĆ — liczba kwantowa przypisywana wszystkim hadronom, przyjmująca

wartości: S = 0 (dla tzw. cząstek niedziwnych, takich jak proton, neutron i piony),

oraz wartości S = … – 2, – 1, 1, 2… dla tzw. cząstek dziwnych. W teorii kwarków cząstki

dziwne zawierają przynajmniej jeden kwark dziwny.

ELEKTRODYNAMIKA KLASYCZNA — dział fizyki zajmujący się ładunkami elek-

trycznymi w ruchu. Opiera się na czterech równaniach, sformułowanych w 1864 roku przez

J. C. Maxwella, w których po raz pierwszy elektryczność i magnetyzm potraktowano jako

przejaw jednego, bardziej fundamentalnego oddziaływania elektromagnetycznego.

ELEKTRODYNAMIKA KWANTOWA (QED) — współczesna kwantowa teoria elek-

tromagnetyzmu, opisująca oddziaływanie elektromagnetyczne między cząstkami nałado-

wanymi jako wymianę cząstek fotonów, będących nośnikami sił elektromagnetycz-

nych.

ELEKTROMAGNETYCZNE ODDZIAŁYWANIE — jedno z czterech (obok grawita-

cyjnego, słabego i silnego jądrowego) podstawowych oddziaływań znanych w przyrodzie.

Zachodzi między wszystkimi cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Cząstki

o jednakowym znaku ładunku elektrycznego odpychają się, natomiast cząstki o przeciwnych

znakach ładunku — przyciągają. Według elektrodynamiki kwantowej oddziaływanie

elektromagnetyczne polega na wymianie fotonów między oddziałującymi cząstkami.

Siły oddziaływania elektromagnetycznego wiążą zarówno elektrony z jądrami atomowy-

mi, jak i atomy wchodzące w skład wszystkich związków chemicznych.

ELEKTROSŁABE ODDZIAŁYWANIE — obecnie przypuszcza się, że wszystkie pod-

stawowe oddziaływania ( grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe i silne jądro-

we) są przejawem jednego fundamentalnego oddziaływania i w warunkach dostatecznie

wysokich energii są one nieodróżnialne. Teoria Weinberga–Salama w jednolity sposób opisu-

je oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe jako jedno oddziaływanie elektrosłabe.

ELEKTRON — cząstka elementarna o masie spoczynkowej m = 9,1 10– 31 kg,

ładunku elektrycznym e = 1,6 10– 19 C (jest to wartość ładunku elementarnego) i spinie

połówkowym (1/2 ). Elektrony wraz z jądrami atomowymi są składnikami atomów

Słowniczek

200

i cząsteczek; utrzymują się w stanie związanym z jądrem dzięki działaniom sił przyciąga-

nia elektromagnetycznego między dodatnio naładowanym jądrem i ujemnie naładowanymi

elektronami. Elektron odkrył J. J. Thomson w 1897 roku.

EMISJA — zjawisko wysyłania promieniowania elektromagnetycznego przez wzbu-

dzone atomy i cząsteczki.

ENERGIA — jedna z podstawowych wielkości fizycznych, charakteryzująca wszelkiego

rodzaju procesy w przyrodzie. W mechanice klasycznej wyróżnia się m.in. energię kine-

tyczną i energię potencjalną. Energia podlega zasadzie zachowania, tzn. energia nigdy

nie powstaje i nie gnie, może jedynie zmienić formę z jednej na drugą. Na przykład ciało,

spadając z pewnej wysokości nad powierzchnią Ziemi, traci stopniowo energię potencjal-

ną, wskutek czego zwiększa się jego prędkość, a zatem i energia kinetyczna.

W mechanice kwantowej zasada zachowania energii ograniczona jest przez zasadę

nieoznaczoności.

ENERGIA KINETYCZNA — część energii ciała związana z ruchem względem pew-

nego układu odniesienia. W mechanice klasycznej energia E ciała o masie m, porusza-

jącego się z prędkością v wyraża się wzorem:

2

2mvEk

.

Według ogólniejszej mechaniki relatywistycznej (szczególna teoria względności) całkowi-

tą energię ciała wyraża wzór:

,

12

2

202

c

v

cmmcE

gdzie m0 jest masą spoczynkową, tzn. masą ciała w układzie odniesienia, w którym ciało

spoczywa, c — prędkością światła w próżni. Energia kinetyczna jest więc równa różnicy

między energią całkowitą a energią spoczynkową:

.

1

20

2

2

20 cm

c

v

cmEk

ENERGIA POTENCJALNA — część energii ciała związana z pewnym typem sił

(tzw. sił potencjalnych); jest funkcją wyłącznie współrzędnych. Na przykład energia poten-

cjalna ciała o masie m, w polu sił grawitacyjnych Ziemi w odległości h od jej powierzchni

wyraża się wzorem Ep = mgh, gdzie g jest wartością przyspieszenia ziemskiego

(g = 9,81 m s–2). (Przyjęto, że energia potencjalna na powierzchni Ziemi wynosi zero.)

Słowniczek

201

ENERGIA SPOCZYNKOWA — energia ciała spoczywającego w danym inercjal-

nym układzie odniesienia. Według szczególnej teorii względności wyraża się wzorem:

,20cmE

gdzie mo jest masą spoczynkową ciała, c — prędkością światła w próżni (c = 3∙108 m/s).

Ze względu na wielką wartość prędkości światła w próżni, w każdym ciele zmagazynowana

jest olbrzymia energia, która może być wyzwolona na przykład w procesie anihilacji

materii.

ENTROPIA — jedna z najważniejszych wielkości termodynamiki, określająca kierunek

zachodzenia procesów nieodwracalnych w układach zamkniętych. Z mikroskopowego punktu

widzenia entropia S jest miarą chaotyczności, nieuporządkowania układu. Druga zasada ter-

modynamiki (zasada wzrostu entropii) stwierdza, że w układach zamkniętych mogą zachodzić

jedynie takie procesy, w których entropia rośnie (dla procesów nieodwracalnych) lub pozosta-

je stała (dla procesów odwracalnych):

0dt

dS ,

gdzie dt

d oznacza pochodną po czasie.

Dla procesów nieodwracalnych entropia układu zawsze rośnie, co oznacza, że układy te

ewoluują od stanów bardziej uporządkowanych do stanów mniej uporządkowanych. Stan

równowagi termodynamicznej jest zatem stanem o maksymalnej entropii, czyli największego

w danych warunkach chaosu, tzn. braku uporządkowania. Ponieważ entropia wyraża się

wzorem S = k ln P, (gdzie k jest pewną stała fizyczną, zwaną stałą Boltzmanna, ln oznacza

logarytm naturalny, P jest wyrażeniem proporcjonalnym do prawdopodobieństwa danego

stanu), to wzrost entropii oznacza, że wszelkie zamknięte układy w przyrodzie zdążają do

stanów najbardziej prawdopodobnych, a zatem najmniej uporządkowanych. Przykładami

działania drugiej zasady termodynamiki są wyrównywanie się temperatur (np. stygnięcie

gorącej kawy w filiżance) oraz równomierne wypełnienie przez atomy gazu całego naczynia,

gdy początkowo gaz znajdował się w małej jego części. Pojęcie entropii wprowadził

w 1865 roku fizyk niemiecki R. E. Clausius, interpretację statystyczną entropii i II zasady

termodynamiki podał w 1877 roku L. E. Boltzmann.

EPISTEMOLOGIA — teoria poznania, gnoseologia, podstawowy (obok ontologii)

dział filozofii, zajmujący się analizą poznania (w szczególności poznania naukowego). Do

klasycznych zagadnień teorii poznania zalicza się zagadnienie źródeł poznania, granic pozna-

nia i zagadnienie definicji i istoty prawdy.

FALE MATERII — wprowadzona w 1924 roku przez L. de Broglie’a hipoteza, zgodnie

z którą wszystkie cząstki materii, takie jak elektrony, protony i inne, mogą przejawiać

własności falowe. Z każdą cząstką materii o pędzie p stowarzyszona jest pewna „fala

Słowniczek

202

materii” o długości = h/p, gdzie h jest stałą Plancka. Obecnie uważa się, że wszystkie

obiekty materialne posiadają zarówno własności korpuskularne, jak i falowe ( dualizm

korpuskularno-falowy), a natężenie fali de Broglie’a w danym punkcie przestrzeni jest pro-

porcjonalne do prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w tym punkcie.

FERMIEGO–DIRACA STATYSTYKA — statystyka kwantowa opisująca zachowanie

układu wielu jednakowych cząstek o spinie połówkowym, czyli fermionów. Cechą

charakterystyczną statystyki Fermiego–Diraca jest to, że permutacje (przestawienia) dowol-

nych dwóch cząstek nie prowadzą do zmiany stanu układu jako całości. W danym stanie

kwantowym, czyli stanie reprezentowanym przez układ takich samych liczb kwantowych,

może znajdować się tylko jedna cząstka (np. elektron, proton, neutron). Cząstki

podlegające statystyce Fermiego–Diraca podlegają zasadzie wykluczania Pauliego.

FERMIONY — cząstki elementarne o spinie połówkowym (np. elektrony,

neutrina, miony, protony, neutrony), podlegające statystyce Fermiego–Diraca.

Fermiony podlegają zasadzie wykluczania Pauliego.

FEYNMANA DIAGRAMY — graficzne przedstawienie oddziaływań między cząst-

kami elementarnymi w kwantowej teorii pola, według której oddziaływanie polega na

procesach emisji i absorpcji cząstek wirtualnych.

FOTOELEKTRYCZNE ZJAWISKO — zjawisko wybijania elektronów z powierzchni

ciał stałych pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego. Jest dowo-

dem na korpuskularną naturę światła. Teorię zjawiska fotoelektrycznego podali A. Einstein

i niezależnie od niego M. Smoluchowski (1905).

FOTON — kwant promieniowania elektromagnetycznego, cząstka elementarna

nie posiadająca ładunku elektrycznego i mająca masę spoczynkową równą zeru, porusza-

jąca się w próżni z prędkością c = 3 108 m/s względem każdego układu odniesienia. Foto-

ny mają spin całkowity i uczestniczą tylko w oddziaływaniach elektromagnetycznych

i grawitacyjnych.

FUNKCJA — funkcja falowa, funkcja stanu, funkcja prawdopodobieństwa — podsta-

wowe wyrażenie matematyczne, reprezentujące stan dowolnego układu kwantowomecha-

nicznego; zawiera maksimum informacji, jakie można uzyskać o stanie rozważanego obiektu

w danej chwili oraz o jego ewolucji w czasie. Funkcja falowa spełnia równanie Schrödin-

gera i umożliwia obliczenie prawdopodobieństw rezultatów pomiarów różnych wielkości

fizycznych na danym obiekcie.

FUNKCJA WŁASNA — jeżeli dla funkcji i operatora A istnieje taka liczba a, że

spełnione jest równanie A = a , czyli działanie operatora A na daną funkcję falową spro-

wadza się do pomnożenia jej przez liczbę a, wówczas funkcję nazywamy funkcją własną

operatora A, natomiast wartość a — wartością własną należącą do operatora A i funkcji .

Słowniczek

203

Wartości własne danego operatora interpretowane są jako wyniki pomiarów wielkości fizycz-

nych mierzalnych ( obserwabli), reprezentowanych przez ten operator.

GLUONY — w chromodynamice kwantowej cząstki przenoszące oddziaływania mię-

dzy kwarkami, dzięki czemu powstają m.in. protony i neutrony.

GRAWITACJA — jedno z czterech (obok elektromagnetyzmu, oddziaływań ją-

drowych silnych i słabych) podstawowych oddziaływań w przyrodzie. Klasyczną teorię gra-

witacji — prawo powszechnego ciążenia — sformułował Newton:

2r

mMGF .

Każde dwa ciała o masach m i M przyciągają się siłą F wprost proporcjonalną do iloczynu

tych mas, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między nimi.

(G = 6, 67 10–11 N m2 kg–2 jest uniwersalną stałą fizyczną, zwaną stałą grawitacji.) Siła

grawitacji jest uniwersalna, tzn. działa między wszystkimi obiektami materialnymi i jest

zawsze siłą przyciągania. Z tego względu, pomimo iż jest najsłabsza ze znanych sił w przyro-

dzie, odgrywa w skali kosmicznej dominującą rolę — dzięki niej istnieją m.in. gwiazdy

i układy planetarne. Współczesną teorią grawitacji powszechnej jest ogólna teoria względno-

ści A. Einsteina (1916), która zamiast pojęcia siły działającej między ciałami, wprowadza

pojęcie zakrzywienia czasoprzestrzeni.

HADRONY — cząstki elementarne uczestniczące w silnych oddziaływaniach ją-

drowych; m.in. proton, neutron, mezony.

HIPERONY — ciężkie (tzn. cięższe od nukleonów) i nietrwałe cząstki elementar-

ne, należące do grupy barionów o dziwności S różnej od zera. Uczestniczą w oddziały-

waniach grawitacyjnych silnych, słabych i elektromagnetycznych.

IDEALIZM OBIEKTYWNY — pogląd w filozofii sformułowany przez Platona, głoszą-

cy, że niezależnie od świata jednostkowych przedmiotów konkretnych (rzeczy), dostępnego

nam w doświadczeniu zmysłowym i niezależnie od ludzkiej świadomości (czyli obiektywnie)

istnieje świat bytów ogólnych — idei. Idee są bytami nieprzestrzennymi i pozaczasowymi

(np. piękno samo w sobie — w odróżnieniu od poszczególnych rzeczy pięknych, czerwień

w ogóle — w odróżnieniu od konkretnych czerwonych przedmiotów, czy kula jako taka —

w odróżnieniu od poszczególnych przedmiotów o kształcie kulistym) i mogą być poznane

wyłącznie przez rozum (tzn. drogą intelektualnego oglądu) bez pośrednictwa zmysłów. We-

dług Platona idee stanowią prawdziwą rzeczywistość, natomiast zmienny, ciągle stający się

świat jednostkowych przedmiotów konkretnych jest tylko jej „cieniem”. Rzeczy istnieją

jedynie o tyle, o ile są odwzorowaniem odpowiednich idei.

Słowniczek

204

INDETERMINIZM — stanowisko filozoficzne głoszące, że nie wszystkie zjawiska przy-

rody podlegają prawom jednoznacznym. Termin „indeterminizm” jest często używany za-

miennie z terminem „determinizm probabilistyczny” (resp. „determinizm statystyczny”).

INERCJALNY UKŁAD ODNIESIENIA — układ odniesienia, względem którego

każde ciało nie poddane działaniu sił porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym

(tzn. bez przyspieszenia) lub pozostaje w spoczynku. Każdy układ poruszający się wzglę-

dem danego układu inercjalnego ruchem jednostajnym prostoliniowym jest układem inercjal-

nym. Istnienie inercjalnego układu odniesienia jest postulowane przez pierwszą zasadę

dynamiki Newtona. Zgodnie z zasadą względności wszystkie układy inercjalne są całko-

wicie równouprawnione i wszystkie prawa fizyki mają w nich taką samą postać.

INTERFERENCJA — nakładanie się fal (np. fal na wodzie, fal świetlnych), prowadzące

do wzmocnienia lub osłabienia amplitudy drgań. Jeżeli na przykład przepuścimy wiązkę

światła przez przesłonę z dwoma małymi otworami, to na ekranie umieszczonym za przesłoną

(albo na kliszy fotograficznej) zaobserwujemy charakterystyczny obraz interferencyjny zło-

żony z jasnych i ciemnych prążków, których położenie odpowiada miejscom wzmocnienia

i osłabienia światła. Interferencja świadczy o falowej naturze światła: wzmacniać się i osła-

biać przy spotkaniu ze sobą mogą jedynie fale, strumienie zwykłych cząstek zawsze dodają

się do siebie. Interferencję odkrył angielski lekarz i optyk T. Young w 1802 roku.

INSTRUMENTALIZM — pogląd w filozofii, według którego celem nauki nie jest od-

krywanie prawdy o świecie, lecz dostarczenie narzędzi skutecznego działania praktycznego.

Według instrumentalizmu, teorii naukowych nie ma sensu wartościować jako prawdziwych

albo fałszywych, ale — podobnie jak narzędzia — teorie mogą być jedynie skuteczne bądź

nieskuteczne do osiągnięcia zamierzonego celu. Twórcą instrumentalizmu był J. Dewey

(1859–1952).

IZOTOPY — odmiany danego pierwiastka, które zawierają różne liczby neutronów

w jądrze, tzn. ich jądra atomowe mają tę samą liczbę atomową, ale różne liczby ma-

sowe.

IZOTROPIA — cecha przestrzeni polegająca na tym, że jej właściwości nie zależą od

kierunku, w którym się je bada. Innymi słowy: stwierdzenie, że przestrzeń jest izotropowa,

oznacza, iż nie posiada wyróżnionego kierunku.

JĄDRO ATOMOWE — centralna część atomu zbudowana z protonów i neutro-

nów, przyciągających się silnymi oddziaływaniami jądrowymi. Jądro jest 100 000 razy

mniejsze niż atom (rozmiary jądra atomowego są rzędu 10– 15 m, podczas gdy rozmiary atomu

są rzędu 10– 10 m), ale zawiera prawie całą masę atomu ( elektron jest prawie 2000 razy

lżejszy niż proton). Istnienie jądra atomowego odkrył w 1911 roku E. Rutherford.

JĄDROWE ODDZIAŁYWANIE SILNE — najsilniejsze ze znanych oddziaływań, wią-

żące protony i neutrony w jądra atomowe, pomimo ich wzajemnego odpychania

elektromagnetycznego. Cząstki uczestniczące w silnych oddziaływaniach jądrowych noszą

Słowniczek

205

nazwę hadronów. Obecnie uważa się, że silne oddziaływanie jądrowe jest przejawem

bardziej podstawowego oddziaływania kolorowego między kwarkami.

JĄDROWE ODDZIAŁYWANIE SŁABE — oddziaływanie jądrowe odpowiedzialne za

pewne powolne procesy rozpadu promieniotwórczego i oddziaływanie neutrin z materią.

JEDNORODNOŚĆ — cecha przestrzeni, polegająca na tym, że jej własności nie zmienia-

ją się przy przejściu z jednego punktu do drugiego.

JON — zjonizowany atom ( jonizacja).

JONIZACJA — zjawisko odrywania elektronów od atomów wskutek dostarczenia im

energii (np. przez zderzenie z innymi cząstkami, za pośrednictwem promieniowania

elektromagnetycznego, ogrzanie do wysokiej temperatury). Wskutek oderwania jednego lub

większej liczby elektronów atom staje się naładowanym dodatnio jonem.

KATASTROFA W ULTRAFIOLECIE — paradoks wynikający z prób zastosowania

praw elektrodynamiki klasycznej do zagadnienia promieniowania ciała doskonale

czarnego, polegający na tym, że przy przechodzeniu do coraz mniejszych długości fal (zatem

światła ultrafioletowego i promieniowania o jeszcze mniejszej długości fali) ilość promienio-

wanej przez to ciało energii powinna rosnąć do nieskończoności. Rozwiązanie tego para-

doksu przez M. Plancka (1900) oparte było na wprowadzeniu hipotezy kwantów energii

i stanowiło początek mechaniki kwantowej, która w radykalny sposób zerwała z Newtonow-

skim obrazem świata.

KOLOR — własność kwarków i gluonów pod pewnymi względami przypominają-

ca ładunek elektryczny, ale występująca w trzech odmianach, oznaczanych jako: czerwo-

ny, zielony i niebieski. Ładunek kolorowy jest źródłem oddziaływań kolorowych między

kwarkami, które opisuje chromodynamika kwantowa. Podobnie jak złożenie trzech barw:

czerwonej, zielonej i niebieskiej daje w rezultacie światło białe, tak aparat matematyczny

chromodynamiki kwantowej pozwala jedynie na konstrukcję „białych” hadronów, które

składają się z trzech kwarków o różnych kolorach albo z pary kwark–antykwark (przy czym

antykwarkom przyporządkowuje się odpowiednie antykolory: antyczerwony, antyzielony

i antyniebieski, które również w złożeniu z odpowiednim kolorem dają kolor biały). Mówi

się, iż kolor jest „uwięziony”, co oznacza, że w przyrodzie nie obserwuje się swobodnych

kwarków, lecz tylko takie ich kombinacje, które prowadzą do utworzenia „białych” cząstek

elementarnych np. protonów neutronów i innych hadronów.

KREACJA MATERII — proces powstawania par cząstka–antycząstka z wysokoenerge-

tycznego promieniowania, w rezultacie którego energia promieniowania może przemienić

się w cząstki obdarzone masą spoczynkową. Przykładem jest produkcja pary elek-

tron e – pozyton e+:

Słowniczek

206

e+ + e,

gdzie jest symbolem fotonu.

KWANT ENERGII — porcja energii, jaka może być wyemitowana lub zaabsorbowa-

na przez dany układ. W 1900 roku M. Planck, badając promieniowanie ciała doskonale

czarnego, wysunął hipotezę, że energia promieniowania E może być przekazywana jedynie

określonymi porcjami (kwantami). Wielkość kwantu energii jest proporcjonalna do częstości

promieniowania i wyraża się wzorem E = h , gdzie h jest pewną uniwersalną stałą fizycz-

ną, zwaną obecnie stałą Plancka. Odkrycie Plancka zapoczątkowało mechanikę kwan-

tową.

KWARKI — cząstki elementarne, z których zbudowane są hadrony. Model

Standardowy fizyki cząstek elementarnych przewiduje sześć typów kwarków, różniących się

zapachem, określanym mianem: górny u (up), dolny d (down), dziwny s (strange), powab-

ny c (charmed), szczytowy t (top) i denny b (bottom). Każdy kwark może ponadto występo-

wać w trzech kolorach (czerwony, zielony i niebieski), ma spin połówkowy i ułamkowe

wartości ładunku elektrycznego. Większość hadronów zbudowana jest z trzech pierwszych

kwarków (każdy w innym kolorze), natomiast mezony zbudowane są z pary kwark–

antykwark. Teorią opisującą oddziaływania kwarków jest chromodynamika kwantowa.

Model kwarków został zaproponowany w 1964 roku przez M. Gell-Manna i niezależnie przez

G. Zweiga.

LEPTONY — lekkie cząstki elementarne nie podlegające oddziaływaniom silnym,

uznawane obecnie (obok kwarków) za obiekty pozbawione struktury wewnętrznej. Zna-

nych jest sześć leptonów: elektron e, neutrino elektronowe e, mion , neutrino

mionowe , taon i neutrino taonowe , przy czym tylko elektron jest składnikiem atomu.

Wszystkie leptony są fermionami, czyli mają spin połówkowy, różnią się natomiast

wartościami masy i czasu życia. Neutrina nie posiadają ładunku elektrycznego

i zapewne masy spoczynkowej.

LICZBA ATOMOWA (PORZĄDKOWA) — liczba określająca liczbę protonów

w jądrze atomowym (równą całkowitej liczbie elektronów w danym atomie) i wyzna-

czająca miejsce danego pierwiastka w układzie okresowym.

LICZBA MASOWA — liczba określająca łącznie liczbę protonów i neutronów

w jądrze atomowym. Izotopy pierwiastka różnią się liczbą masową, bo zawierają w jądrze

różne liczby neutronów przy takiej samej liczbie protonów.

LICZBY KWANTOWE — liczby opisujące wartości skwantowanych wielkości fizycz-

nych, takich jak np. pęd energia, czy spin. Każdy stan układu kwantowego może być

opisany przez podanie odpowiednich liczb. Na przykład stan elektronu w atomie charakte-

ryzują cztery liczby kwantowe: główna liczba kwantowa n (określa energię elektronu i jest

Słowniczek

207

jednocześnie numerem orbity resp. powłoki elektronowej), orbitalna liczba kwantowa l (okre-

śla moment pędu elektronu), magnetyczna liczba kwantowa m (określa rzut momentu

orbitalnego elektronu na dowolny kierunek z) i spinowa liczba kwantowa s (dla wszystkich

elektronów s = 1/2, natomiast rzut spinu na dowolną oś przyjmuje wartości sz = 1/2).

Liczby kwantowe charakteryzujące elektron w atomie mogą przyjmować następujące warto-

ści: n = 1, 2, …; dla danego n, l = 0, 1, 2, …, n – 1; natomiast przy ustalonym l,

m = 0, 1, 2, …, l i wreszcie sz = 1/2 dla każdej kombinacji nlm.

LICZBY MAGICZNE — szczególną trwałość wykazują jądra atomowe, w których

liczba protonów lub neutronów przyjmuje jedną z wartości: 2, 8, 20, 50, 82, 126. Fizy-

cy liczby te określają mianem „liczb magicznych”, a jądra o magicznej liczbie nukleonów —

mianem „jąder magicznych”. Jądra atomowe, w których zarówno liczba protonów, jak i neu-

tronów jest magiczna, noszą miano „jąder podwójnie magicznych” — należy do nich na

przykład bardzo trwałe jądro helu (4 2He), zawierające dwa protony i dwa neutrony.

LICZBY ZESPOLONE — liczby o postaci z = x + iy, gdzie x, y należą do zbioru liczb

rzeczywistych R, natomiast 1i jest jednostką urojoną. Można je interpretować jako

punkty na płaszczyźnie, gdzie x i y są współrzędnymi punktu, lub pary liczb rzeczywistych

z określonymi dla nich działaniami dodawania i mnożenia.

ŁADUNEK ELEKTRYCZNY — jedna z podstawowych własności pewnych cząstek

elementarnych, będąca źródłem oddziaływań elektromagnetycznych. Występuje w dwóch

rodzajach, zwanych umownie dodatnim i ujemnym. Ładunek elektryczny jest wielkością

skwantowaną, tzn. wszystkie cząstki elementarne występujące w stanie wolnym w przyrodzie

mają ładunek będący całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego (ładunku elektrycz-

nego elektronu: e = 1,6 10– 19 C). Kwarki mają ułamkowe wartości ładunku elementar-

nego, ale nie występują w stanie wolnym w przyrodzie. Ładunki różnych znaków przyciągają

się (np. proton i elektron w atomie), natomiast ładunki takich samych znaków odpychają

się siłami oddziaływania elektrycznego (np. protony w jądrze atomowym). Ładunek dowol-

nego ciała makroskopowego jest równy algebraicznej sumie ładunków dodatnich i ujemnych

tworzących to ciało. Ładunek elektryczny podlega zasadzie zachowania, tzn. w dowolnym

układzie izolowanym całkowita wartość ładunku nie ulega zmianie.

MATERIALIZM — stanowisko filozoficzne głoszące, że obiektywnie istnieją tylko

substancje materialne, tzn. przedmioty fizyczne (czasowe i przestrzenne), podlegające

prawom przyrody. Materializm atomistyczny (twórcy — Leukippos i Demokryt) zakładał, że

wszystko, co istnieje, składa się z pewnych elementarnych składników — atomów, poruszają-

cych się w pustej i nieskończonej przestrzeni.

MASA — wielkość fizyczna charakteryzująca bezwładność ciała (tzw. masa bezwład-

na) albo jego zdolność do oddziaływania grawitacyjnego (tzw. masa ważka). W filozofii

jeden z atrybutów materii. W dynamice klasycznej I. Newtona masa jest wielkością

stałą, miarą „ilości materii”. W ogólniejszej dynamice relatywistycznej A. Einsteina masa

ciała zależy od jego prędkości v względem inercjalnego układu odniesienia:

Słowniczek

208

,

12

2

0

c

v

mm

gdzie m0 jest masą spoczynkową, tzn. masą ciała w układzie odniesienia, w którym ciało

spoczywa, c — prędkością światła w próżni. Z powyższego wzoru wynika, że masa ciała

rośnie wraz z jego prędkością; jeśli prędkość ciała zbliża się do wartości c, wtedy masa ciała

rośnie do nieskończoności. Żadne ciało o niezerowej masie spoczynkowej nie może być więc

rozpędzone do prędkości równej lub większej niż prędkość światła w próżni, ponieważ wy-

magałoby to dostarczenia ciału nieskończenie wielkiej energii.

Według szczególnej teorii względności związek między masą m a energią E (równo-

ważność masy i energii) przedstawia wzór:

2mcE .

Ogólna teoria względności tłumaczy (przypadkowy na gruncie mechaniki klasycznej) fakt,

że masa bezwładna i masa ciężka są dokładnie sobie równe zasadą równoważności pola

grawitacyjnego i bezwładności.

MECHANICYZM — pogląd filozoficzny, rozpowszechniony w XVII, XVIII, a zwłasz-

cza XIX wieku, głoszący redukcjonistyczną tezę o sprowadzalności pojęć i praw wszelkich

nauk do pojęć i praw mechaniki klasycznej, tzn. tezę, że wszelkie obserwowalne zjawiska

dają się opisać w języku mechaniki traktowanym jako podstawowy język nauki. Według

filozofii mechanicyzmu cały wszechświat jest niczym innym jak skomplikowaną, olbrzymią

maszyną, działającą według odkrytych przez I. Newtona praw. Podstawową formą zmian jest

ruch mechaniczny, a struktura i zachowanie dowolnych układów złożonych są jednoznacznie

wyznaczone przez własności i prawa rządzące podstawowymi składnikami materii.

MIONY — nietrwałe cząstki elementarne należące do leptonów. Są pod wieloma

względami bardzo podobne do elektronów, ale ok. 200 razy cięższe i występują w dwóch

stanach ładunku elektrycznego + i –. Ulegają rozpadowi po średnim czasie życia

rzędu 10– 6 s. Eksperymentalne odkrycie mionów nastąpiło w 1936 roku (C. D. Anderson,

S. H. Neddermayer).

MONADA — w metafizyce G. W. Leibniza (monadologii) prosta substancja o charak-

terze duchowym, posiadająca zdolność postrzegania. Monady są — według Leibniza —

ostatecznymi składnikami, „prawdziwymi atomami natury” i tworzą hierarchiczny układ,

wyznaczony przez ich zdolność percepcji.

MONIZM — pogląd w filozofii, według którego natura wszelkiego bytu jest jednorodna;

co znaczy, że istnieje tylko jeden rodzaj substancji; przeciwieństwo pluralizmu.

Słowniczek

209

NEUTRINA — trwałe cząstki elementarne należące do leptonów. Neutrina mają

zerową albo bardzo małą (co nie jest rozstrzygnięte) masę spoczynkową i pozbawione są

ładunku elektrycznego. Bardzo słabo oddziałują z materią (uczestniczą tylko w oddziały-

waniach grawitacyjnych i słabych). Występują w trzech odmianach: neutrino elektro-

nowe e, mionowe i taonowe . Istnienie neutrina zostało wprowadzone do rozważań

teoretycznych przez W. Pauliego (1931) w celu wyjaśnienia przebiegu rozpadu . Ekspe-

rymentalne odkrycie neutrina nastąpiło w 1956 roku (F. Reines i C. L. Cowan).

NEUTRONY — pozbawione ładunku elektrycznego cząstki elementarne należące

do hadronów, wchodzące w skład jąder atomowych wszystkich pierwiastków z wyjąt-

kiem wodoru, którego jądro stanowi pojedynczy proton. Wewnątrz jąder neutrony są

trwałe, natomiast swobodny neutron rozpada się po średnim czasie życia wynoszącym około

1000 s. na elektron, proton i antyneutrino elektronowe (jest to tzw. proces rozpadu

zachodzący w wyniku oddziaływań słabych):

eepn ~ .

Neutron został odkryty przez J. Chadwicka w 1932 roku.

OBSERWABLE — w mechanice kwantowej wielkości fizyczne mierzalne, takie jak np.

położenie, pęd czy energia.

OPERATOR — w mechanice kwantowej wyrażenie matematyczne reprezentujące wiel-

kości fizyczne mierzalne, czyli obserwable. Wartości własne operatora reprezentujące-

go daną obserwablę interpretowane są jako rezultaty pomiarów wielkości fizycznych w stanie

opisywanym funkcją falową .

ONTOLOGIA — podstawowy dział filozofii, ogólna teoria bytu, metafizyka. Do głów-

nych zagadnień rozważanych przez ontologię należą m.in.: zagadnienie, z jakich rodzajów

substancji zbudowany jest świat ( monizm, pluralizm); problem relacji między psychiką

a materią; problem istnienia przedmiotów idealnych ( uniwersaliów); filozoficzne problemy

czasu i przestrzeni (np. substancjalizm, relacjonizm); zagadnienie związku przyczyno-

wo-skutkowego i spór determinizmu z indeterminizmem.

PARENKLIZA — w filozofii Epikura bezprzyczynowe odchylenia od linii prostej w od-

wiecznym spadku atomów z góry na dół; element indeterminizmu w starożytnej teorii

atomistycznej, mający uzasadniać wolność ludzką oraz przypadkowość pewnych zdarzeń.

PIERWIASTEK CHEMICZNY — substancja chemiczna zbudowana z atomów o jedna-

kowej liczbie protonów w jądrze atomowym. Atomy danego pierwiastka chemicznego

mogą się różnić liczbą neutronów, a zatem i masą jądra ( izotopy). Każdy pierwiastek

chemiczny oznacza się odpowiednim symbolem (np. wodór — H, hel — He, tlen — O).

Właściwości chemiczne, a w znacznym stopniu i fizyczne pierwiastków chemicznych zależą

od struktury powłok elektronowych otaczających jądro atomowe. O właściwościach che-

micznych decyduje budowa najbardziej zewnętrznej powłoki elektronowej (tzw. elektrony

Słowniczek

210

walencyjne). Znanych jest obecnie ponad 110 pierwiastków, z których większość występuje

w postaci różnych związków chemicznych. W stanie wolnym występują gazy szlachetne

(helowce) oraz m.in. tlen, wodór, azot, siarka, węgiel, rtęć, złoto. Pierwiastki naturalne wy-

stępują przeważnie w postaci mieszaniny kilku izotopów, mającej zwykle stały skład procen-

towy. Pojęcie pierwiastka chemicznego wprowadził w 1661 roku R. Boyle.

PIONY — nietrwałe cząstki elementarne należące do hadronów o spinie całko-

witym. Występują w trzech stanach ładunkowych +, – i 0 i zbudowane są z pary kwark–

antykwark. Piony odkryto eksperymentalnie w 1947 r. (C. F. Powell).

PĘD — wielkość wektorowa równa iloczynowi masy i prędkości ciała: vmp

. Dla

kwantu pola elektromagnetycznego ( fotonu) wartość pędu wyraża się wzorem: hp ,

gdzie jest długością fali, h stałą Plancka. Pęd podlega zasadzie zachowania i do

zmiany pędu układu konieczne jest działanie sił spoza tego układu.

PLANCKA STAŁA — jedna z podstawowych stałych fizycznych, elementarny kwant

działania. Wartość stałej Plancka jest bardzo mała i wynosi: h = 6,62419 10– 34 J s. W fizyce

atomowej często używa się tzw. zredukowanej stałej Plancka = h/2 = 1, 05438 10– 34 J s.

PLANCKA WZÓR — wyrażenie wiążące energię E kwantu pola elektromagne-

tycznego z częstością promieniowania : E = h , gdzie h jest stałą Plancka. Związek

ten wyraża fundamentalną własność przyrody, a mianowicie kwantową (nieciągłą) naturę

promieniowania (M. Planck, 1900).

PLURALIZM — pogląd w ontologii przeciwstawny monizmowi, głoszący, że

w rzeczywistości istnieje wiele różnych, niezależnych od siebie, podstawowych substancji.

(m.in. Empedokles, Arystoteles, G. W. Leibniz). Szczególną postacią pluralizmu jest dualizm,

głoszący niezależne od siebie istnienie dwóch rodzajów substancji — duchowej i materialnej

(R. Descartes).

POŁOŻENIE — wektor o początku umiejscowionym w początku układu współrzęd-

nych i końcu w punkcie, w którym znajduje się poruszające się ciało (scil. punkt materialny).

Znajomość zależności wektora położenia od czasu )(tr pozwala na obliczenie prędkości,

przyspieszenia, drogi i trajektorii (toru ruchu) poruszającego się ciała.

POSTULATY BOHRA — podstawowe założenia teoretyczne, na których opiera się opis

atomu w tzw. starszej teorii kwantów (N. Bohr, 1913):

1. Ze wszystkich możliwych klasycznych orbit kołowych tylko takie są dozwolone, na

których moment pędu elektronu jest całkowitą wielokrotnością stałej Plancka h

podzielonej przez 2 (wartość momentu pędu jest równa iloczynowi masy prędkości i pro-

mienia orbity elektronu — mvR):

Słowniczek

211

mvR = nh/2 .

2. Elektron na dozwolonej (stacjonarnej) orbicie nie promieniuje energii.

3. Elektron emituje lub absorbuje energię tylko podczas przejścia z jednej orbity stacjo-

narnej na drugą; energia wypromieniowanego lub pochłoniętego kwantu promieniowania

elektromagnetycznego równa jest (wartości bezwzględnej) różnicy energii stanu początkowe-

go Em i końcowego En:

hEE nm.

Warunek skwantowania orbit, braku promieniowania podczas ruchu elektronu na orbicie

i nagłe przeskoki elektronów pomiędzy orbitami połączone z emisją lub absorpcją ściśle

określonych porcji energii były zdecydowanym odstępstwem od przyjmowanych dotychczas

praw fizyki klasycznej.

POZYTON — antycząstka elektronu. Odkryty eksperymentalnie w 1932 roku przez

C. Andersona i P. Blacketa.

PRAWO STOSUNKÓW WIELOKROTNYCH — sformułowane w 1805 roku przez

J. Daltona prawo empiryczne, stwierdzające że różne ilości jakiegoś pierwiastka, które wiążą

się z określonymi i zawsze takimi samymi ilościami każdego innego pierwiastka, mają się do

siebie jak małe liczby całkowite. Odkrycie to zapoczątkowało nowoczesną atomistykę.

PRINCIPIUM IDENTITATIS INDISCERNIBILIUM — zasada (tożsamości nierozróż-

nialnych) sformułowana przez G. W. Leibniza, według której nie istnieją dwa nieodróżnialne

indywidua; jeśli dane są dwie rzeczy rzekomo nieodróżnialne, to dana jest jedna rzecz pod

dwiema nazwami.

PROMIENIE KATODOWE — strumień elektronów przyspieszanych w polu elek-

trycznym między katodą i anodą, obserwowany w warunkach wysokiej próżni.

PROMIENIOWANIE — proces przenoszenia energii przez fale (np. elektromagne-

tyczne — światło, fale radiowe) lub strumień cząstek ( promieniowanie alfa, promie-

niowanie beta), jak również sam akt emisji tego promieniowania.

PROMIENIOWANE ALFA, — jądra helu (składające się z dwóch protonów

i dwóch neutronów), emitowane z pewnych pierwiastków promieniotwórczych.

PROMIENIOWANE BETA, — elektrony emitowane podczas rozpadu promienio-

twórczego (rozpadu ), polegającego na przemianie neutronu w proton, której towarzy-

szy emisja elektronu i antyneutrina elektronowego ( antycząstki).

PROMIENIOWANIE GAMMA, — krótkofalowe promieniowanie elektromagne-

tyczne o długości fali mniejszej niż około 10– 11 m.

Słowniczek

212

PROMIENIOWANIE KOSMICZNE — cząstki elementarne i jądra atomowe o du-

żej energii docierające do Ziemi z przestrzeni kosmicznej.

PROMIENIOWANIE RÖNTGENA (X) — krótkofalowe, bardzo przenikliwe promie-

niowanie elektromagnetyczne, wysyłane podczas hamowania elektronów (np. w antykato-

dzie lampy rentgenowskiej), odkryte przez niemieckiego fizyka W. C. Röntgena w 1895 roku.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ — zjawiska samoistnego emitowania promieniowania

alfa, beta i gamma przez pewne substancje, zaobserwowane po raz pierwszy przez

A. H. Becquerela, a następnie zbadane przez M. Skłodowską-Curie i P. Curie.

PROTON — trwała cząstka elementarna o jednostkowym dodatnim ładunku elek-

trycznym i spinie połówkowym, zbudowana z dwóch kwarków górnych i jednego

dolnego. Protony (łącznie z neutronami) wchodzą w skład jąder atomowych wszystkich

pierwiastków i uczestniczą w silnych oddziaływaniach jądrowych ( hadrony).

PRÓŻNIA — obszar przestrzeni pozbawiony jakichkolwiek cząstek materialnych.

PRAWDOPODOBIEŃSTWO — funkcja p (A) określona na zbiorze zdarzeń losowych,

spełniająca aksjomaty rachunku prawdopodobieństwa. Dla dowolnego zdarzenia A prawdo-

podobieństwo p (A) jest liczbą z przedziału od zera do jedności: 0 p (A) 1. Intuicyjnie

rzecz biorąc, prawdopodobieństwo danego zdarzenia A mówi nam o możliwości jego zacho-

dzenia, tzn. w jakim procencie hipotetycznie identycznych sytuacji zachodzi zdarzenie A.

Jeżeli na przykład mówimy, że w wypadku rzutu monetą prawdopodobieństwo wyrzucenia

orła wynosi 1/2, to znaczy, że jeżeli wykonamy bardzo dużą liczbę rzutów, to średnio w

połowie przypadków wypadnie orzeł. Oczywiście dla każdego pojedynczego zdarzenia jest

równie możliwe, że wypadnie zarówno orzeł, jak i reszka.

RADIOAKTYWNOŚĆ promieniotwórczość.

REDUKCJONIZM — pogląd głoszący, że 1) własności i prawidłowości obiektów z wyż-

szych poziomów sprowadzają się do własności i prawidłowości obiektów z niższych pozio-

mów, które są ich składnikami (redukcjonizm ontologiczny), albo że 2) wiedza dotycząca

własności i praw obiektów z wyższych poziomów jest pochodna względem wiedzy dotyczą-

cej ich składników, a prawa teorii obiektów z wyższych poziomów są sprowadzalne (przy-

najmniej w zasadzie) do praw teorii obiektów z poziomów niższych (redukcjonizm epistemo-

logiczny).

RELACJONIZM — pogląd zaproponowany przez G. W. Leibniza co do sposobu istnie-

nia czasu i przestrzeni przeciwstawny I. Newtona koncepcji absolutnego czasu i absolutnej

przestrzeni ( absolutyzm). Według relacjonizmu czas i przestrzeń nie istnieją niezależnie od

materii, ale są systemem relacji, w jakich jedne rzeczy pozostają w stosunku do drugich.

Słowniczek

213

RUCHY BROWNA — odkryte w 1827 roku przez angielskiego botanika R. Browna zja-

wisko, polegające na tym, że drobne cząsteczki (np. pyłki roślin) zawieszone w cieczy lub

gazie wykazują niewielkie, chaotyczne drgania. Teorię ruchów Browna podali (1905) nieza-

leżnie od siebie A. Einstein i M. Smoluchowski, wykazując, że przyczyną obserwowanych

ruchów pyłków roślin są ich zderzenia z atomami ośrodka. Odkrycie i wyjaśnienie tego zja-

wiska zdecydowanie przemawiało na korzyść teorii atomistycznej.

ROZPAD BETA — proces, w rezultacie którego neutron przemienia się w proton,

czemu towarzyszy emisja elektronu i antyneutrina elektronowego:

.~0

eepn

Odwrotny rozpad beta jest natomiast oddziaływaniem antyneutrina z protonem według sche-

matu:

.

.~ nep e

ROZPRASZANIE CZĄSTEK — jedna z podstawowych metod fizyki cząstek elemen-

tarnych, polegająca na bombardowaniu rozpędzonymi cząstkami pewnej substancji

i obserwowaniu rezultatów. Na podstawie analizy kątów rozproszenia, energii itp. można

kreślić rozkład ładunków elektrycznych w atomach i jądrach danej substancji, a także

rozmiary badanych obiektów. Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich foliach złota doprowa-

dziło E. Rutherforda (1911) do odkrycia jądra atomowego, znacznie później w podobny spo-

sób potwierdzono kwarkową budowę hadronów.

SCHRÖDINGERA RÓWNANIE — podstawowe równanie (nieralatywistycznej) mecha-

niki kwantowej, opisujące swobodną ewolucję w czasie i przestrzeni funkcji , reprezen-

tującej stan układu kwantowego. Równanie to zostało sformułowane przez austriackiego

fizyka E. Schrödingera w 1926 roku i odgrywa równie podstawową rolę w mechanice kwan-

towej jak równanie Newtona w mechanice klasycznej.

SIŁA — wektorowa wielkość fizyczna stanowiąca miarę oddziaływań między ciałami.

W mechanice klasycznej siły działają przez bezpośredni kontakt (np. zderzenia i tarcie) lub na

odległość (np. grawitacja), przy czym zakłada się, że oddziaływania mogą być przenoszo-

ne w sposób natychmiastowy, tzn. z nieskończenie wielką prędkością. Efektem działania sił

jest nadanie ciału przyspieszenia ( zasady dynamiki Newtona) lub ich odkształcenie (de-

formacja). W szczególnej teorii względności wszelkie oddziaływania rozchodzą się ze

skończoną prędkością, nie większą niż prędkość światła w próżni c.

SPIN — wewnętrzny moment pędu cząstek elementarnych (i jąder atomowych).

Kwadrat wektora spinu jest równy s (s + 1) , gdzie jest zredukowaną stałą Plancka,

natomiast s jest liczbą całkowitą lub połówkową (tzn. równą sumie nieparzystej liczby połó-

wek), charakterystyczną dla danego typu cząstek. Rzut spinu na dowolny kierunek w prze-

strzeni może przyjmować 2 s + 1 wartości (w jednostkach ). Ze względu na to, czy cząstki

Słowniczek

214

mają spin s całkowity czy połówkowy, dzielimy je na bozony (np. foton) i fermiony

(np. elektron, proton, neutron i neutrino). Podlegają one statystykom kwantowym

Bosego–Einsteina i Fermiego–Diraca odpowiednio. Spin jest wielkością typowo kwan-

tową i ściśle rzecz biorąc nie ma żadnych klasycznych analogii. Koncepcja spinu została

wprowadzona w 1925 r. przez G. E. Uhlenbecka i S. A. Goudsmita.

SPIRYTUALIZM — pogląd w filozofii, według którego rzeczywistość ma naturę du-

chową, a świat materialny jest tylko przejawem ducha (np. monadologia G. W. Leibniza).

SUBSTANCJA — w filozofii byt samoistny, w przeciwieństwie do cech, stanów, stosun-

ków itp.; to, czemu przysługują cechy, ale co samo nie może być cechą czegoś; w szczegól-

ności rzecz, przedmiot, obiekt materialny.

SYMETRIA — własność pewnych obiektów (rzeczy, zjawisk fizycznych, obiektów ma-

tematycznych), polegająca na niezmienniczości względem pewnych przekształceń. Jeśli

zjawisko nie zmienia się po dokonaniu na nich pewnych operacji, to posiada ono symetrię ze

względu na tę operację. Na przykład koło nie ulega zmianie pod wpływem obrotów wokół

środka (symetria obrotowa), prawa dynamiki Newtona nie ulegają zmianie pod wpływem

inwersji (odwrócenia kierunku) czasu.

TEORIA WZGLĘDNOŚCI OGÓLNA — uogólnienie szczególnej teorii względności

(A. Einstein, 1916). Jej podstawę stanowi z a s a d a r ó w n o w a ż n o ś c i, stwierdzająca,

że przyspieszenie ciała jest lokalnie (tzn. w małych obszarach czasoprzestrzeni) równoważne

występowaniu odpowiedniego pola grawitacyjnego. Ilustruje to następujący przykład: wy-

obraźmy sobie, że znajdujemy się w windzie, która porusza się w przestrzeni kosmicznej ze

stałym przyspieszeniem g, skierowanym ku górze, tzn. w stronę sufitu windy, równym przy-

spieszeniu ziemskiemu (g = 9,81 m s–2). Wówczas wszystkie zjawiska wewnątrz kabiny

windy będą zachodziły dokładnie tak samo, jakby winda spoczywała na powierzchni Ziemi.

Gdy natomiast znajdujemy się na Ziemi w swobodnie spadającej windzie, występuje stan

nieważkości, czyli taki, jakby pole grawitacyjne zostało „wyłączone”.

Ogólna teoria względności wprowadza do opisu świata geometrię nieeuklidesową (Rie-

manna) w miejsce geometrii Euklidesa i przyjmuje, że czasoprzestrzeń ma w każdym punkcie

lokalną krzywiznę, której wartość wyznaczona jest przez rozkład mas. Traktuje zatem

czas, przestrzeń i materię jako wzajemnie powiązane ze sobą (tzw. zakrzywienie czasoprze-

strzeni). Potwierdzeniem ogólnej teorii względności jest m.in. przesuwanie się peryhelium

Merkurego i zakrzywianie się promieni świetlnych w polu grawitacyjnym Słońca.

TEORIA WZGLĘDNOŚCI SZCZEGÓLNA — podstawowa teoria czasu i przestrzeni

w fizyce współczesnej (A. Einstein, 1905). Zgodnie z fundamentalnym postulatem przyjmo-

wanym w fizyce, a mianowicie zasadą względności, dowolne prawo przyrody ma jedna-

kową postać we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. W mechanice Newtona,

czyli mechanice nierelatywistycznej, przyjmowano, że oddziaływania (sygnały) rozchodzą się

natychmiast, czyli z prędkością nieskończoną (założenie to było pewnym uproszczeniem,

które sam Newton traktował jako tymczasowe). W rzeczywistości bowiem prędkość rozcho-

Słowniczek

215

dzenia się jakichkolwiek oddziaływań jest skończona i ograniczona przez wartość prędkości

światła w próżni (w przybliżeniu: c = 3 108 m/s). Jeżeli zasada względności dotyczy również

prędkości rozchodzenia się oddziaływań, to prędkość ta jest taka sama we wszystkich ukła-

dach inercjalnych, tzn. jest stałą uniwersalną. Połączenie zasady względności z faktem, że

prędkość rozchodzenia się oddziaływań jest skończona, nazywa się z a s a d ą w z g l ę d -

n o ś c i E i n s t e i n a. Mechanika oparta na zasadzie względności Einsteina nazywa się m e c h a n i k ą r e l a t y w i s t y c z n ą i jest uogólnieniem mechaniki Newtona. Ta ostatnia

może być stosowana jedynie w przypadkach, gdy mamy do czynienia z obiektami poruszają-

cymi się z prędkościami znacznie mniejszymi niż prędkość światła.

W odróżnieniu od fizyki Newtonowskiej w szczególnej teorii względności interwały cza-

sowe (odstępy czasu między dwoma zdarzeniami) tak samo jak i odległości przestrzenne nie

mają wartości absolutnych, ale zależą od układu odniesienia, z którego przeprowadza się

pomiary. Fakt ten wyraża względność czasu i przestrzeni. Z punktu widzenia szczególnej

teorii względności nie można więc mówić niezależnie o czasie i przestrzeni, ale o lokalnych

czasach i przestrzeniach zrelatywizowanych do danego układu odniesienia. Zjawiska fizyczne

opisuje się w czterowymiarowej c z a s o p r z e s t r z e n i M i n k o w s k i e g o, której ele-

mentami są punkty — z d a r z e n i a Z, określone przez cztery współrzędne przestrzenne:

x, y, z i czas t (mierzone w danym układzie inercjalnym). Odległość w czasoprzestrzeni mię-

dzy dwoma zdarzeniami o współrzędnych Z1 (x1, y1, z1, t1) i Z2 (x2, y2, z2, t2) nazywa się i n -

t e r w a ł e m c z a s o p r z e s t r z e n n y m i wyraża się wzorem:

212

2212

212

212 )()()()( ttczzyyxxs .

Interwał czasoprzestrzenny między zdarzeniami jest taki sam we wszystkich układach od-

niesienia, czyli nie zmienia się w rezultacie przekształceń zmiennych x, y, z, t od jednego

układu inercjalnego do drugiego (tzn. czasoprzestrzeń jest absolutna). Jeżeli 02s inter-

wał s nazywa się interwałem typu czasowego i między zdarzeniami oddzielonymi tym inter-

wałem może przebiegać sygnał (oddziaływanie). Jeśli natomiast 02s , to interwał s jest

interwałem typu przestrzennego i między tymi zdarzeniami nie może przebiegać sygnał, czyli

nie może między nimi zachodzić związek przyczynowy.

W szczególnej teorii względności obowiązują inne niż w mechanice klasycznej prawa

składania prędkości, które sprawiają m.in., że prędkość światła mierzona z k a ż d e g o

układu inercjalnego ma taką samą wartość. Klasyczne prawo składania prędkości można

stosować jedynie dla ciał poruszających się bardzo wolno w porównaniu z prędkością światła

w próżni. Dylatacja czasu została potwierdzona z bardzo dużą precyzją w doświadczeniach

z nietrwałymi cząstkami, takimi jak piony i miony. Wynikający z teorii względności

wniosek o równoważności masy i energii ( 2mcE ) znalazł praktyczne zastosowanie

w reakcji rozszczepienia jądra atomowego (bomba atomowa, reaktory atomowe).

UKŁAD ODNIESIENIA — dowolny układ ciał materialnych, względem którego określa

się położenie dowolnego ciała w przestrzeni w dowolnej chwili czasu. Matematycznym

modelem układu odniesienia jest układ współrzędnych (np. Kartezjański układ współrzęd-

nych, który stanowią trzy proste przecinające się pod kątem prostym), który służy do określe-

Słowniczek

216

nia położenia ciała względem układu odniesienia. Szczególne znaczenia w fizyce ma iner-

cjalny układ odniesienia.

UNIWERSALIA — powszechniki, przedmioty pojęć ogólnych (np. „człowiek w ogóle”),

cech (np. białość), relacji (np. starszeństwo). Według idealizmu obiektywnego Platona

uniwersalia istnieją niezależnie od rzeczy jednostkowych i niezależnie od ludzkiej świadomo-

ści. Są tym, do czego odnoszą się pojęcia ogólne, ale same n i e s ą pojęciami ani ludzkimi

myślami (czyli przedmiotami psychicznymi), lecz obiektywną rzeczywistością, której przy-

sługuje inny sposób istnienia (nieprzestrzenny i nieczasowy) niż przedmiotom materialnym.

WARTOŚĆ WŁASNA — wielkość liczbowa odpowiadająca funkcji własnej. W me-

chanice kwantowej wartości własne operatorów hermitowskich reprezentujących wielkości

fizyczne mierzalne ( obserwable) interpretowane są jako jedynie możliwe rezultaty pomia-

rów odpowiednich wielkości fizycznych.

WŁASNE RÓWNANIE funkcja własna.

ZAPACH — własność fizyczna odróżniająca kwarki. Istnieje sześć zapachów kwar-

ków, zwanych: górny u, dolny d, powabny c, dziwny s, szczytowy t i denny b.

ZASADA KOMPLEMENTARNOŚCI — koncepcja wprowadzona przez N. Bohra, która

stanowi wyjaśnienie dualizmu korpuskularno-falowego. Stwierdza ona, że w dziedzinie

atomowej nie można rozdzielić zachowania się badanych obiektów od zachowania się

przyrządów pomiarowych: warunki obserwacji wywierają istotny wpływ na przebieg obser-

wowanych zjawisk, co powoduje wzajemne wykluczanie się informacji potrzebnych do opisu

całości zjawiska. Dwa klasycznie wykluczające się opisy zjawiska fizycznego są komplemen-

tarne, jeżeli dla poznania całości potrzebne są obydwa, ale znajomość jednego aspektu wy-

klucza znajomość drugiego. Komplementarne opisy uzupełniają się i wyczerpują wszelką

możliwą wiedzę o układzie.

Na przykład opis falowy i korpuskularny zdają sprawę z równie ważnych aspektów mi-

kroświata i nie dochodzi między nimi w praktyce do sprzeczności, ponieważ zastosowanie

mechanicznych pojęć cząstki i fali odnosi się do wzajemnie wykluczających się układów

doświadczalnych. Ponieważ nie możemy bezpośrednio obserwować zjawisk kwantowych,

nasz intuicyjny obraz fizycznej rzeczywistości ma charakter klasyczny i opis rezultatów

doświadczeń podany jest zawsze w języku fizyki klasycznej. Jednak opis mikroobiektów

(np. światła) jako cząstek albo jako fal nigdy nie jest w pełni adekwatny — podaje jedynie

jeden z komplementarnych aspektów mikroświata.

ZASADA NIEOZNACZONOŚCI HEISENBERGA — fundamentalna zasada mechaniki

kwantowej, zgodnie z którą istnieją pewne pary wielkości fizycznych (tzw. wielkości sprzę-

żone), których jednoczesny pomiar z dowolną dokładnością zasadniczo nie jest możliwy.

W szczególnym przypadku zasada nieoznaczoności sprowadza się do twierdzenia, że nie

można jednocześnie z dowolną dokładnością określić składowej pędu i odpowiadającej jej

składowej położenia cząstki elementarnej:

Słowniczek

217

2

xpx ,

gdzie x oznacza nieoznaczoność x-owej składowej współrzędnej cząstki elementarnej,

px — nieoznaczoność x-owej składowej pędu. Analogiczne relacje obowiązują dla pozosta-

łych par składowych przestrzennych y i z. Podobnie dla energii i czasu:

2

tE ,

gdzie: E — nieoznaczoność energii; t — nieoznaczoność czasu potrzebnego do pomiaru

energii z odpowiednią dokładnością. W interpretacji standardowej zakłada się, że wielkości

sprzężone nie mają jednocześnie dokładnie określonych wartości, stąd ograniczenie zasad

zachowania.

ZASADA PRZYCZYNOWOŚCI — teza filozoficzna, według której każde zjawisko ma

swoją przyczynę i nie istnieją zjawiska pozbawione jakichkolwiek przyczyn, czyli absolutnie

przypadkowe.

ZASADA SUPERPOZYCJI STANÓW — podstawowa zasada mechaniki kwantowej,

stwierdzająca, że jeżeli układ może znajdować się w stanach opisywanych przez funkcje

falowe 1, 2, …, n, to może znajdować się w stanie opisywanym przez sumę tych funkcji

falowych z odpowiednimi współczynnikami liczbowymi: = c1 1 + c2 2 + … cn n, gdzie

ci oznaczają dowolne liczby zespolone. Zasada superpozycji dopuszcza istnienie stanów

obiektów materialnych, w których pewne wartości wielkości fizycznych nie mają określonej

wartości.

Rozważmy na przykład spin elektronu. Z mechaniki kwantowej wiadomo, że rzut

spinu na dowolną oś (zwaną zwykle z) może przyjąć jedną z dwóch wartości, określanych

jako: „spin w górę” lub „spin w dół”. Zgodnie z zasadą superpozycji elektron może znajdo-

wać się w stanie: = a spin w górę + b spin w dół, gdzie a i b są liczbami zespolonymi, których

wartości bezwzględne są proporcjonalne do prawdopodobieństw otrzymania w rezultacie

pomiaru stanów „spin w górę” lub „spin w dół” odpowiednio. Przed dokonaniem pomiaru

rzut spinu elektronu na oś z nie jest określony (elektron znajduje się w stanie będącym super-

pozycją odpowiednich stanów) i przybiera określoną wartość dopiero w rezultacie dokonania

pomiaru.

ZASADA WYKLUCZANIA (ZAKAZ) PAULIEGO — fundamentalna zasada mechaniki

kwantowej (W. Pauli, 1924) dotycząca fermionów, stwierdzająca, że w układzie material-

nym zawierającym więcej niż jedną cząstkę danego rodzaju, w danym stanie kwantowym

może się znajdować tylko jedna z nich ( liczby kwantowe). Zakaz Pauliego odgrywa bar-

dzo ważną rolę w opisie własności atomów (wyjaśnienie budowy układu okresowego pier-

wiastków) i jąder atomowych.

Słowniczek

218

ZASADA WZGLĘDNOŚCI szczególna teoria względności.

ZASADY DYNAMIKI NEWTONA — sformułowane przez I. Newtona w Philosophiae

naturalis principia mathematica (1687) prawa ruchu ciał, stanowiące podstawę dynamiki

klasycznej.

1. (Zasada bezwładności Galileusza): każde ciało pozostaje w stanie spoczynku albo

w ruchu jednostajnym po linii prostej, chyba że będzie zmuszone do zmiany tego stanu przez

siły nań działające (względem inercjalnego układu odniesienia).

2. Przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do działającej siły a odwrotnie do

masy ciała:

m

Fa

.

3. (Zasada akcji i reakcji): każdemu działaniu towarzyszy równe i przeciwnie skierowane

przeciwdziałanie.

ZASADY ZACHOWANIA — zasady stwierdzające, że w układach zamkniętych (tzn. ta-

kich, które nie oddziałują z obiektami fizycznymi znajdującymi się na zewnątrz nich) pewne

wielkości fizyczne zachowują stałe w czasie wartości. Przykładami ważnych zasad zachowa-

nia w fizyce są zasady zachowania: pędu, momentu pędu, energii, ładunku elek-

trycznego.

ŻYWIOŁY — w starożytnej filozofii greckiej cztery podstawowe elementy, z których

zbudowany jest świat: ziemia, woda, powietrze i ogień (m.in. Empedokles, Arystoteles).

BIBLIOGRAFIA

Ajdukiewicz K., Zagadnienia i kierunki filozofii. Teoria poznania. Metafizyka, Czytelnik,

Warszawa 1983.

Albert Einstein. Pisma filozoficzne, S. Butryn (red.), tłum. K. Napiórkowski, Wyd. IFiS PAN,

Warszawa 1999.

Albert D. Z., Quantum Mechanics and Experience, Harvard University Press, Cambridge,

Massachusetts–London, England 1992.

Amsterdamski S., Rozwój pojęcia pierwiastka chemicznego. Przyczynek do badań nad rozwo-

jem pojęć naukowych, PWN, Warszawa 1961.

Arystoteles, Dzieła wszystkie, t. 2, Fizyka. O niebie. O powstawaniu i niszczeniu. Meteorolo-

gika. O świecie. Metafizyka, tłum. K. Leśniak, A. Paciorek, L. Regner, P. Siwek, PWN,

Warszawa 1990.

Arystoteles, Metafizyka, tłum. K. Leśniak, PWN, Warszawa 1983.

Asmus W. F., Demokryt. Wybór frafmentów Demokryta i świadectw starożytnych o Demo-

krycie, tłum. B. Kupis, KiW, Warszawa 1961.

Aspect A., Dalibard J., Roger G., Experimental Test of Bell's Inequalities Using Time Varying

Analizers, „Physical Review Letters” 1982, vol. 49, nr 25.

Bachelard G., Les intuitions atomistiques, Paris 1930.

Białkowski G., Cząstki elementarne i ich oddziaływania, [w:] Encyklopedia fizyki współcze-

snej, PWN, Warszawa 1983.

Białkowski G., Stare i nowe drogi fizyki. Fizyka XX wieku, Wiedza Powszechna, Warszawa

1982.

Białobrzeski Cz., Budowa atomu i pojęcie materii w fizyce współczesnej, Krakowska Spółka

Wydawnicza, Kraków 1921.

Białobrzeski Cz., Wybór pism, Pax, Warszawa 1964.

Białobrzeski Cz., Podstawy poznawcze fizyki świata atomowego, PWN, Warszawa 1984.

Blackburn S., Oksfordzki słownik filozoficzny, tłum. C. Cieśliński, P. Dziliński, M. Szczu-

białka, J. Woleński, KiW, Warszawa 1997.

Błochincew D. I, Krytyka idealistycznego ujęcia teorii kwantów, tłum. Z. Kopeć, [w:] Zagad-

nienia filozoficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa 1955.

Bohm D., Ukryty porządek, tłum. M. Tempczyk, Pusty Obłok, Warszawa 1988.

Bohr N., The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory, „Nature”

1928, nr 121.

Bohr N., Atomic Theory and the Description of Nature, Cambridge University Press, Cam-

bridge 1934.

Bibliografia

220

Bohr N., Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics, [w:]

P. A. Schilpp (ed.), Albert Einstein: Philosopher — Scientist, vol. I, Harper & Brothers

Publishers, New York 1951.

Bohr N., Fizyka atomowa i wiedza ludzka, tłum. W. Staszewski, S. Szpikowski, A. Teske,

PWN, Warszawa 1963.

Broglie L. de, Czy fizyka kwantowa pozostanie indeterministyczna?, tłum. S. Rouppert, [w:]

Zagadnienia filozoficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa

1955.

Broglie L. de, O możliwości interpretacji przyczynowej i obiektywnej mechaniki kwantowej,

tłum. S. Rouppert, [w:] Zagadnienia filozoficzne mechaniki kwantowej i teorii względno-

ści, PWN, Warszawa 1955.

Brogilie L. de, O kwantowomechanicznej interpretacji układu cząstek w przestrzeni konfigu-

racyjnej przez teorię podwójnego rozwiązania, tłum. S. Rouppert, [w:] Zagadnienia filo-

zoficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa 1955.

Butryn S. (red.), Z zagadnień filozofii nauk przyrodniczych, Wyd. PAN, Warszawa 1991.

Bush P., Lathi P. J. , Mittelstaed P., The Quantum Theory of Measurement, Springer-Verlag,

Berlin–Heidelberg–New York–London–Paris–Tokyo–Hong Kong–Barcelona–Budapest

1991.

Cackowski Z., Zasadnicze zagadnienia filozofii, KiW, Warszawa 1989.

Capra F., Punkt zwrotny. Nauka, społeczeństwo, nowa kultura, tłum. E. Wojdyłło, PIW, War-

szawa 1987.

Carnap R., Philosopical Foundations od Physics. An Introduction to the Philosophy of Scien-

ce, Basic Books, Inc. Publishers, New York–London 1962.

Castellani E. (ed.), Interpreting Bodies. Classical and Quantum Objects in Modern Physics,

Princeton University Press, Princeton, New Jersey 1998.

Close F., Kosmiczna cebula. Kwarki i wszechświat, tłum. W. Stępień-Rudzka, PWN, War-

szawa 1989.

Cooper L. N., Istota i struktura fizyki, tłum. J. Kozubowski, Z. Majewski, A. Pindor, J. Pro-

chorow, PWN, Warszawa 1975.

Copleston F., Historia filozofii. t. 1, Grecja i Rzym, tłum. H. Bednarek, Pax, Warszawa 1998.

Crombie A. C., Nauka średniowieczna i początki nauki nowożytnej, t. 1, 2, tłum. S. Łypace-

wicz, Pax, Warszawa 1960.

Cushing J. T., McMullin E. (ed.), Philosophical Consequences of Quantum Theory, Universi-

ty of Notre Dame Press, Notre Dame, Indiana 1989.

Czarnocka M. (red.), Dziedzictwo logicznego empiryzmu, Wyd. IFiS PAN, Warszawa 1995.

Czerwiński A. A., Energia jądrowa i promieniotwórczość, Oficyna Edukacyjna Krzysztof

Pazdro, Warszawa 1998.

Diogenes Laertios, Żywoty i poglądy słynnych filozofów, tłum. I. Krońska, K. Leśniak, W. Ol-

szewski, PWN, Warszawa 1984.

Decowski P., Jądra atomowe i ich wzbudzenia, [w:] Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN,

Warszawa 1983.

Delacre M., Histoire de chimie, Paris 1920.

Descartes R., Rozprawa o metodzie właściwego kierowania umysłem i poszukiwania prawdy

w naukach, tłum. W. Wojciechowska, PWN, Warszawa 1988.

Descartes R., Zasady filozofii, tłum. I. Dąbska, PWN, Warszawa 1960.

Bibliografia

221

Diels E. H., Die Fragmente der Vorsokratiker, griechisch und deutsch, Berlin 1956.

Drzewiński A., Wojtkiewicz J., Opowieści z historii fizyki, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa

1995.

Eddington A. S., Nowe oblicze natury, tłum. A. Wundheiler, nakładem Mathesis Polskiej,

Warszawa 1934.

Eddington A. S., Nauka na nowych drogach, tłum. Sz. Szczeniowski, Wyd. Trzaska, Evert

i Michalski SA, Kraków bd.

Einstein A., The World As I See It, Covici Friede, New York 1934.

Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can Quantum-Mechanical Description of Physical Real-

ity Be Considered Complete? „Physical Review” 1935, vol. 47.

Einstein A., Infeld L., Ewolucja fizyki. Rozwój poglądów od najdawniejszych pojęć do teorii

względności i kwantów, tłum. R. Gajewski, PWN, Warszawa 1962.

Einstein A., Istota teorii względności, tłum. A. Trautmann, Prószyński i S-ka, Warszawa

1997.

Einstein A., Teoria względności i inne eseje, tłum. P. Amsterdamski, Prószyński i S-ka, War-

szawa 1997.

Eilstein H., Uwagi w sporze realizmu naukowego z instrumentalizmem, [w:] E. Kałuszyńska

(red.), Podmiot poznania z perspektywy nauki i filozofii, Wyd. IFiS PAN, Warszawa

1998.

Eilstein H., Sądy opisowe i oceniające, [w:] M. Czarnocka (red.), Dziedzictwo logicznego

empiryzmu, Wyd. IFiS PAN, Warszawa 1995.

Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN, Warszawa 1983.

Enge H. A., Wehr M. R., Richards J. A., Wstęp do fizyki atomowej, tłum. A. Kopystyńska,

K. Ernst, PWN, Warszawa 1983.

Everett H., III, „Relative State” Formulation of Quantum Mechanics, „Reviews of Modern

Physics” 1957, vol. 29, nr 3.

Farmelo G., Odkrycie promieni X, „Świat Nauki” 1996, nr 1.

Feynman R. P., Leighton R. P., Sands M., Feynmana wykłady z fizyki, t. 1, cz. 1, tłum.

R. Gajewski, Z. Królikowska, M. Grynberg, T. Buttler, PWN, Warszawa 1974.

Feynman R. P., QED. Osobliwa teoria światła i materii, tłum. H. Białkowska, PIW, Warsza-

wa 1992.

Fraassen B. C. van, The problem of Indistinguishable Particles, [w:] Castellani E. (ed.), Inter-

preting Bodies. Classical and Quantum Objects in Modern Physics, Princeton University

Press, Princeton, New Jersey 1998.

Gaardner J., Świat Zofii. Cudowna podróż w głąb historii filozofii, tłum. I. Zimnicka, Jacek

Santorski & Co, Bydgoszcz 1995.

Gell-Mann M., Kwark i jaguar. Przygody z prostotą i złożonością, tłum. P. Amsterdamski,

CIS, Warszawa 1996.

Gribbin J., W poszukiwaniu kota Schrödingera. Realizm w fizyce kwantowej, tłum. J. Bieroń,

Zysk i S-ka, Poznań 1997.

Healey R., The Philosophy of Quantum Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge

1991.

Halliwell J. J., Kosmologia kwantowa i stworzenie wszechświata, tłum. K. Maślanka, „Świat

Nauki” 1992, nr 2.

Bibliografia

222

Hawking S., Krótka historia czasu. Od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur, tłum. P. Am-

sterdamski, Alfa, Warszawa 1990.

Heisenberg W., Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und

Mechanik, „Zeitschrift für Physik” 1927, nr 43.

Heisenberg W., Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, Verlag von S. Hirzel,

Leipzig 1930.

Heisenberg W., Born M., Schrödinger E., Auger P., On Modern Physics, New York 1961.

Heisenberg W., Planck’s Discovery and the Philosophical Problems of Atomic Physics, [w:]

W. Heisenberg, M. Born, E. Schrödinger, P. Auger, On Modern Physics, New York 1961.

Heisenberg W., Fizyka a filozofia, tłum. S. Amsterdamski, KiW, Warszawa 1965.

Heisenberg W., Ponad granicami, tłum. K. Wolicki, PIW, Warszawa 1979.

Heisenberg W., Część i całość. Rozmowy o fizyce atomu, tłum. K. Napiórkowski, PIW, War-

szawa 1987.

Heller M., Filozofia świata. Wybrane zagadnienia i kierunki filozofii przyrody, Znak, Kraków

1992.

Heller M., Mechanika kwantowa dla filozofów, OBI, Kraków 1996.

Heller M., Życiński J., Wszechświat — maszyna czy myśl? Filozofia mechanicyzmu: powsta-

nie — rozwój — upadek, Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków 1988.

Hempoliński M., (red.), Ontologia. Antologia tekstów filozoficznych, Zakład Narodowy im.

Ossolińskich, Wrocław–Warszawa–Kraków 1994.

Horgan J., Meta-fizyka cząstek, „Świat Nauki” 1994, nr 4.

Hovis R. C., Kragh H., P. A. M. Dirac i piękno fizyki, „Świat Nauki” 1993, nr 7.

Jammer M., Conceptual Development of Quantum Mechanics, Mc Graw-Hill, New York

1967.

Jan Buridan — o naturze i przyczynie ruchu, tłum. D. Tarkowska, [w:] M. Hempoliński

(red.), Ontologia, Antologia tekstów filozoficznych, Zakład Narodowy im. Ossolińskich,

Wrocław–Warszawa–Kraków 1994.

Kałuszyńska E. (red.), Podmiot poznania z perspektywy nauki i filozofii, Wyd. IFiS PAN,

Warszawa 1998.

Kałuszyńska E., Uwagi o redukcjonizmie, „Filozofia Nauki” 1998, nr 3–4.

Kamiński W. A., Roskal Z. E., Przełom w fizyce XVI–XVII wieku. Antyczne i średniowieczne

źródła, Wyd. UMCS, Lublin 1994.

Kierul J., Izaak Newton. Bóg, światło i świat, Oficyna Wydawnicza Quadrivium, Wrocław

1996.

Korpanty J., Lukrecjusz. Rzymski apostoł epikureizmu, Zakład Narodowy im. Ossolińskich

Wrocław–Warszawa–Kraków 1991.

Krokiewicz A., Zarys filozofii greckiej. Od Talesa do Platona, PWN, Warszawa 1975.

Kozubowski J. A., Jak odkrywano mikroświat, „Wiedza i Życie” 1998, nr 7.

Kozubowski J. A., Mała wielka cząstka, „Wiedza i Życie” 1998, nr 2.

Kozubowski J. A., Jak wygląda atom?, „Wiedza i Życie” 1998, nr 8.

Krauss L. M., Fizyka podróży międzygwiezdnych. Wędrówka po świecie Star Trek, tłum.

E. L. Łokas, B. Bieniok, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.

Laue M. von, Historia fizyki, tłum. A. Teske, PWN, Warszawa 1957.

Laplace P. S. de, Essai philosophique sur les probabilities, Paris 1814.

Legowicz J., Filozofia starożytna Grecji i Rzymu, PWN, Warszawa 1970.

Bibliografia

223

Leibniz G. W., Wyznanie wiary filozofa. Rozprawa metafizyczna. Monadologia. Zasady natu-

ry i łaski oraz inne pisma filozoficzne, tłum. S. Cichowicz, J. Domański, H. Krzeczkow-

ski, H. Moese, PWN, Warszawa 1969.

Leśniak K., Lukrecjusz, Wiedza Powszechna, Warszawa 1985.

Liss T. M., Tipton P. L., Odkrycie kwarka top, „Świat Nauki” 1997, nr 11.

Lucretius T. C., O naturze wszechrzeczy, tłum E. Szymański, PWN, Warszawa 1957.

Łukasik A., Czesława Białobrzeskiego koncepcja obiektywności poznania kwantowomecha-

nicznego, „Edukacja Filozoficzna” 1994, vol. 18.

Łukasik A., Selektywny subiektywizm sir Arthura Stanley’a Eddingtona, „Edukacja Filozoficzna”

1997, vol. 23.

Łukasik A., Niels Bohr i zagadnienie obiektywności poznania, „Annales UMCS” 1998, sectio I,

vol. XXIII.

Łukasik A., Fizyka i zagadnienie granic poznania, [w:] Z. Muszyński (red.), Z badań nad

prawdą, nauką i poznaniem, Wyd. UMCS, Lublin 1998.

Mała encyklopedia filozofii. Pojęcia, Problemy, kierunki, szkoły, J. Dębowski, L. Gawor,

S. Jedynak, K. Kosior, J. Zdybel, L. Zdybel, Oficyna Wydawnicza Branta, Bydgoszcz

1996.

Mały słownik terminów i pojęć filozoficznych dla studiujących filozofię chrześcijańską,

A. Podsiad, T. Pszczołowski, Z. Więckowski (red.), Pax, Warszawa 1983.

Mehra J., The Solvay Conferences on Physics. Aspects of the Development of Physics Since

1911, D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland–Boston, USA 1975.

Mermin N. D., Czy Księżyc istnieje, kiedy nikt na niego nie patrzy? Rzeczywistość a teoria

kwantowa, tłum. R. Broda, „Problemy” 1985, nr 4.

Mrówczyński S., Trzy pokolenia leptonów, „Wiedza i Życie” 1996, nr 3.

Mrówczyński S., Jądrowa menażeria, „Wiedza i Życie” 1997, nr 4.

Muszyński Z. (red.), Z badań nad prawdą, nauką i poznaniem, Wyd. UMCS, Lublin 1998.

Newton I., Mathematical Principles of Natural Philosophy, [w:] R. M. Hutchins (ed.), Great

Books of The Western World, t. 34, Mathematical Principles of Natural Philosophy. Opti-

cs, by sir Issac Newton, Treatise on Light, by Christian Huygens, Encyklopedia Britanni-

ca Inc., Chicago–London–Toronto 1952.

Newton R. G., Zrozumieć przyrodę, tłum. A. Górnicka, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.

Norwood J., Fizyka współczesna, tłum. J. Zięborak, PWN, Warszawa 1982.

Omnès R., The interpretation of Quantum Mechanics, Princeton University Press, Princeton,

New Jersey 1994.

Penrose R., Nowy umysł cesarza. O komputerach, umyśle i prawach fizyki, tłum. P. Amster-

damski, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1996.

Penrose R., Makroświat, mikroświat i umysł ludzki, tłum. P. Amsterdamski, Prószyński i S-ka,

Warszawa 1997.

Platon, Timajos, tłum. P. Siwek, PWN, Warszawa 1986.

Planck M., Jedność fizycznego obrazu świata. Wybór pism filozoficznych, tłum. R. i S. Kerne-

rowie, KiW, Warszawa 1970.

Podolny R., Coś zwane niczym, tłum. W. Frejlak, Wiedza Powszechna, Warszawa 1981.

Polkinghorne J. C., The Quantum World, Penguin Books, London 1990.

Polkinghorne J. C., Poza nauką. Kontekst kulturowy współczesnej nauki, tłum. D. Czyżewska,

Amber, Warszawa 1998.

Bibliografia

224

Popper K. R., Świat skłonności, tłum. A. Chmielewski, Znak, Kraków 1996.

Popper K. R., Wszechświat otwarty. Argument na rzecz indeterminizmu, tłum. A. Chmielew-

ski, Znak, Kraków 1996.

Popper K. R., Quantum Theory and the Schizm in Physics, W. W. Bartley, III, Totowa, New

Jersey 1982.

Prigogine I., Stengers I., Z chaosu ku porządkowi. Nowy dialog człowieka z przyrodą, tłum.

K. Lipszyc, PIW, Warszawa 1990.

Reale G., Historia filozofii starożytnej. t. 1. Od początków do Sokratesa, tłum. E. I. Zieliński,

RW KUL, Lublin 1994.

Rohrich F., Scientific Realism: A Challlenge to Physicists, „Foundations of Physics” 1996,

vol. 26, nr 4.

Rival M., Wielkie eksperymenty naukowe, tłum. K. Pruski, Cykady, Warszawa 1997.

Röseberg U., Niels Bohr a filozofia, [w:] S. Butryn (red.), Z zagadnień filozofii nauk przyrod-

niczych, Wyd. PAN, Warszawa 1991.

Schiff L. I., Mechanika kwantowa, tłum. Z. Rek i Z. Rek, PWN, Warszawa 1977.

Skorko M., Fizyka. Podręcznik dla studentów wyższych technicznych studiów zawodowych

dla pracujących, PWN, Warszawa 1982.

Słownik fizyczny, J. Kuryłowicz, E. Puchalska, F. Sawicka, A. Senatorski (red.), Wiedza

Powszechna, Warszawa 1984.

Słownik pojęć filozoficznych, W. Krajewski (red.), Wydawnictwo Naukowe Scholar, Warsza-

wa 1996.

Smolin L., Życie wszechświata. Nowe spojrzenie na kosmologię, tłum. D. Czyżewska, Amber,

Warszawa 1998.

Stewart I., Czy Bóg gra w kości? Nowa matematyka chaosu, tłum. M. Tempczyk, W. Komar,

Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1995.

Stauffer D., Stanley H. E., Od Newtona do Mandelbrota. Wstęp do fizyki teoretycznej, tłum.

Ł. Turski, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996.

Struktura materii. Przewodnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa 1980.

Święcicki M., Oddziaływania elektromagnetyczne, [w:] Encyklopedia fizyki współczesnej,

PWN, Warszawa 1983.

Średniawa B., Mechanika kwantowa, PWN, Warszawa 1978.

Tatarkiewicz W., Historia filozofii, t. 1. Filozofia starożytna i średniowieczna, PWN, War-

szawa 1990.

Terlecki J., Zagadnienia rozwoju teorii kwantów, tłum. Z. Kopeć, [w:] Zagadnienia filozo-

ficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa 1955.

Teller P., An Interpretive Intodruction to Quantum Field Theory, Princeton University Press,

Princeton, New Jersey 1995.

Teller P., Quantum Mechanics and Haecceities, [w:] E. Castellani (ed.), Interpreting Bodies.

Classical and Quantum Objects in Modern Physics, Princeton University Press, Prince-

ton, New Jersey 1998.

Tempczyk M., Fizyka a świat realny. Elementy filozofii fizyki, PWN, Warszawa 1991.

Tempczyk M., Teoria chaosu a filozofia, CIS, Warszawa 1998.

Terlecki J., Zagadnienia rozwoju teorii kwantów, tłum. Z. Kopeć, [w:] Zagadnienia filozo-

ficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa 1955.

Bibliografia

225

Thayer H. S. (ed.), Newton’s Philosophy of Nature — Selections from His Writtings, Hafner

Press, 1974.

Wawiłow S., Wybór pism, Warszawa 1951.

Weizsäcker C. F. von, Die Einheit der Physik, [w:] Werner Heisenberg und die Physik unse-

rer Zeit, hrsg von F. Bopp, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1961.

Weizsäcker C. F. von, Jedność przyrody, tłum. K. Napiórkowski, J. Prokopiuk, H. Tomasik,

K. Wolicki, PIW, Warszawa 1978.

Weizsäcker C. F. von, Wstęp [w:] W. Heisenberg, Część i całość. Rozmowy o fizyce atomu,

tłum. K. Napiórkowski, PIW, Warszawa 1987.

Weinberg S., Pierwsze trzy minuty. Współczesne poglądy na początki wszechświata, tłum.

A. Blum, Prószyński i S-ka, Warszawa 1988.

Weinberg S., Sen o teorii ostatecznej, tłum. P. Amsterdamski, Zysk i S-ka, Warszawa 1994.

Weinberg S., Teoria pól kwantowych. Podstawy, tłum D. Rzążewska, Wyd. Naukowe PWN,

Warszawa 1999.

Werner Heisenberg und die Physik unserer Zeit, hrsg von F. Bopp, Friedr. Vieweg & Sohn,

Braunschweig 1961.

Wichmann E. H., Fizyka kwantowa, tłum. W. Gorzkowski, A. Szymacha, PWN, Warszawa

1975.

Wilhelm z Conches — atomistyczna koncepcja rzeczywistości materialnej, tłum. A. Andrze-

juk, [w:] M. Hempoliński (red.), Ontologia. Antologia tekstów filozoficznych, Zakład Na-

rodowy im. Ossolińskich, Wrocław–Warszawa–Kraków 1994.

Wróblewski A. K., Elektron zamiast lokomotywy, „Wiedza i Życie” 1997, nr 9.

Wróblewski A. K., Prawda i mity w fizyce, Iskry, Warszawa 1987.

Wróblewski A. K., Czy neutrino ma masę?, „Wiedza i Życie” 1996, nr 1.

Wróblewski A. K., Promieniotwórczość odkrywana na raty, „Wiedza i Życie” 1998, nr 4.

Wróblewski A. K., Długie narodziny elektronu, „Wiedza i Życie” 1998, nr 5.

Wróblewski A. K., Igraszki z atomami, „Wiedza i Życie” 1998, nr 1.

Wróblewski A. K., Przedmowa, [w:] A. Einstein, Teoria względności i inne eseje, tłum.

P. Amsterdamski, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997.

Zagadnienia filozoficzne mechaniki kwantowej i teorii względności, PWN, Warszawa 1955.

INDEKS

absolutyzm, 195, 213

absorpcja, 90, 127, 195, 202

actio in distans, patrz działanie na odle-

głość

Adelhard z Bath, 48

Ajdukiewicz Kazimierz, 27, 219

akcelerator, 153, 156, 157, 164, 173, 195,

197

Albert David Z., 139, 219

amplituda, 118, 134, 135, 140, 150, 188,

204

Amsterdamski Stefan, 16, 21, 35–37, 48,

80, 138, 171, 219, 221, 223, 225

Anaksagoras z Kladzomen, 17

Anaksymenes z Miletu, 17

Anderson Carl David, 165, 170, 208, 211

anihilacja, 157, 166, 188, 195, 196, 201

Anspach Wilhelma von, 71

antyatomy, 166

antycząstki, 162, 165–167, 170, 178, 195,

196, 197, 205, 211, 212

antykolor, 173, 205

antykwarki, 172, 173, 196, 205, 206, 210

antymateria, 165, 166, 196, 198

antyneutrino, 162

elektronowe, 162, 163, 209, 212, 213

antyneutron, 196

antyproton, 196

antyrealizm, 191

aprioryzm, 82

Arystoteles ze Stagiry, 9, 16, 19, 25, 45,

46–51, 58, 210, 218, 219

Asmus Walentin Ferdinandowicz, 21, 219

Aspect Alain, 192, 219

atrybut, 69, 70, 75, 196, 208

Auger Pierre Victor, 35

Augustyn Aureliusz, 46

Avogadro Amadeo, 87

Bachelard Gaston, 21, 23, 219

Bacon Francis, 49

Bacon Roger, 49

Balmer John Jakob, 90, 128

bariony, 169, 170, 196, 197

Becquerel Antoine Henri, 91, 92, 212

Bell John S., 139

Bernard Silvestris, 46

bezwładność, 53, 57, 59, 60, 63, 64, 74,

148, 186, 196, 208, 218

Białkowski Grzegorz, 120, 136, 138, 140,

161, 219

Białobrzeski Czesław, 35, 36, 138, 190,

219, 223

Blackburn Simon, 10, 219

Blacket Patrick Maynard Stuart, 165, 211

Błochincew Dimitrij J., 191, 219

Bohm David, 191, 219

Bohr Niels Henrik David, 24, 83, 124–

132, 134–136, 138, 142, 148–150,

152, 187, 190–192, 195, 211, 216,

219, 220, 223, 224

Boltzmann Ludwig Eduard, 85, 86, 201

bomba atomowa, 153, 167, 215

Born Max, 35, 95, 133, 136, 137, 141,

222

Boyle Robert, 21, 51, 85, 210

Indeks

228

bozony, 150, 151, 169, 170, 179, 181,

183, 196, 197, 214

Higgsa, 179

W–, 179

W+, 179

Z0, 179

Bóg, 31, 50, 55, 57, 58, 65, 66, 70, 72,

73, 77, 82, 222, 224

Brania Piotr Jerzy, 11

Broglie Louis Victor de, 132–137, 158,

187, 190, 202, 220

Brown Robert, 88, 213

Bruno Giordano, 10, 49

bryły platońskie, 29, 32, 33, 196

Bunsen Robert, 89

Buridan Jan, 49, 222

Bush Paul, 139, 220

Butryn Stanisław, 190, 192, 219, 220, 224

Cackowski Zdzisław, 11, 190, 220

Capra Fritiof, 58, 220

Carnap Rudolf, 23, 220

Castellani Elena, 151, 183, 192, 220, 221,

224

Centre Européen pour la Recherche Nu-

cléaire, patrz CERN

CERN, 157, 162, 173

Chadwick James sir, 152, 153, 209

chaos deterministyczny, 68, 193

Charleton Walter, 50

chromodynamika kwantowa, 168, 173,

176, 197, 203, 205

ciało doskonale czarne, 114–116, 117,

197

Cicero Marcus Tullius, 43

ciężar, 39, 41, 42, 88, 186, 197

Clarke Samuel, 71, 73, 74, 77, 78

Clausius Rudolf Julius Emmanuel, 85,

201

clinamen, patrz parenkliza

Close Frank, 152, 162, 220

Cockroft John Douglas, 153

Collins Graham P., 149

Cooper Leon N., 20, 89, 90, 93, 101, 105,

109, 126, 220

Copleston Frederick, 28, 220

corpuscula, patrz korpuskuła

Cowan Clyde Lorran, 162, 209

Crombie Alistair C., 44, 46, 49, 50, 220

Crookes William, 99, 100

Curie Pierre, 92, 212

Cushing James T., 139, 192, 220

cyklotron, 154, 156, 197

Czarnocka Małgorzata, 193, 220, 221

czas

absolutny, 61–65, 69–71, 73, 75, 78–

81, 213

względny, 62, 69, 72, 75, 80, 213, 215

życia, 157, 163, 167, 168, 170, 197,

206, 208

czasoprzestrzeń, 81, 82, 197, 214, 215

Minkowskiego, 81, 215

cząstki

alfa, 107–111, 152, 153

dziwne, 199

elementarne, 11, 24, 25, 82, 103, 104,

109, 119, 142, 143, 150, 152–157,

160–164, 166, 167, 169, 171, 172,

174, 179, 180, 186, 188, 194, 195,

196, 198, 202, 203, 206–210, 212,

217, 219

identyczne, 76, 180–182, 188

naładowane, 107, 111, 121, 155, 156,

175, 195, 197, 198

wirtuale, 202

Czerniawski Jan, 11

Czerwiński Andrzej A., 90, 92, 220

częstość, 115, 116, 118, 121–123, 126,

128, 155, 195, 210

graniczna, 121, 123

Dalibard John, 192, 219

Dalton John, 21, 87, 186, 211

Davisson Clinton, 132–134, 145

Decowski Piotr, 220

Delacre M., 21, 23, 220

Demiurg, 28

Demokryt z Abdery, 9, 13, 15–25, 27, 29,

34, 35, 38, 40–42, 44, 45, 48, 50, 64,

84, 92, 93, 107, 162, 180, 186, 207

Indeks

229

demon Laplace’a, 66, 198

Descartes René, 56, 57, 93, 210, 220

detektor cząstek elementarnych, 108, 147,

153–156, 161, 178, 195, 198

determinizm, 20, 42, 43, 65, 68, 69, 141,

144, 187, 193, 198, 204, 209

Dewey John, 204

Dębowski Józef, 10, 11, 223

diagramy Feynmana, 175, 176, 202

Diels E. Herman, 18, 21, 221

Diogenes Laertios, 15, 16, 38–40, 45, 220

Dirac Paul Adrien Maurice, 136, 137,

164–166, 175, 198, 222

długość fali, 91, 113, 115–117, 122, 131,

133, 135, 136, 147, 158, 197, 198,

205, 210, 212

materii, 132, 133

Drzewiński Andrzej, 87, 221

dualizm korpuskularno-falowy, 24, 104,

132, 136, 174, 188, 190, 199, 202, 216

dyfrakcja, 120, 123, 132–134, 145, 158,

199

dylatacja czasu, 80, 215

dynamika

Arystotelesa, 47

klasyczna, 141

kwantowa, 141

Newtona, 86, 140, 141

działanie na odległość, 61

dziwność, 172, 199, 203

Eddington Arthur Stanley sir, 36, 118,

119, 157, 159, 221

Eilstein Helena, 11, 83, 193, 221

Einstein Albert, 63, 69, 78–81, 83, 88, 97,

100, 119, 122–124, 133, 134, 136,

153, 164, 166, 167, 174, 177, 187,

191–193, 202, 203, 208, 213–215,

219–221, 225

elachista, 48

elektrodynamika

klasyczna, 115, 116, 118, 120, 121,

125, 175, 199, 205

kwantowa, 168, 175, 176, 199

Maxwella, 111, 120

elektron, 88, 92, 97, 98, 103–105, 107–

112, 120–123, 125–137, 139, 142,

143, 145–152, 155–163, 165–180,

187, 195–197, 199, 200, 202, 204–

214, 217, 225

elektryczność, 101, 169, 175

elementy, 17, 27–29, 33, 34, 38, 46, 50,

218

emisja, 127, 200, 202

Empedokles z Akragas, 17, 210, 218

empiryzm, 82

Enge H. A., 103, 221

entropia, 86, 87, 201

Epikur, 9, 38–45, 49, 50, 92, 93, 197, 209

epistemologia, 201

eter, 47, 48, 69, 100, 120

Everett Hugh III, 191, 221

fale

de Broglie’a, 133, 135, 158

elektromagnetyczne, 69, 116, 120,

121, 123, 132, 198

materii, 132–137, 202

podczerwone, patrz infraczerwień

prawdopodobieństwa, 149

radiowe, 120, 121

stojące, 135, 149

świetlne, 100, 122

ultrafioletowe, 115

Faraday Michael, 97–99

Farmelo G., 91, 221

Fermi Enrico, 136, 153

fermiony, 150, 151, 169, 170, 196, 197,

202, 206, 214

Feynman Richard Phillips, 9, 21, 35, 84,

147, 148, 176, 221

Filon z Bizancjum, 45

fluorescencja, 91

fosforescencja, 92

fotokatoda, 121–123

fotokomórka, 122

foton, 120, 122, 123, 136, 143, 147, 161,

166–170, 174, 175, 177, 179, 196,

197, 199, 202, 206, 210, 214

wirtualny, 175, 176

Indeks

230

Fourier Jean Baptiste Joseph, 67

Fraassen Bas C. van, 151, 221

Franck James, 133

Fraunhofer Joseph von, 89, 120

Fresnel Augustin Jean, 120

funkcja

falowa, 139–142, 144, 148, 189, 202,

209, 217

własna, 139, 144, 203

funkcja , patrz funkcja falowa

Gaardner Jostein, 15, 221

Galileo Galilei, 58, 59, 67

Gassendi (Gassend) Pierre, 21, 50, 93

Gawor Leszek, 10, 223

Geiger Hans, 107

Gell-Mann Murray, 138, 171, 174, 179,

191, 206, 221

geometria

czasoprzestrzeni, 69

Euklidesa, 62, 64, 81

nieeuklidesowa, 69

Riemanna, 69, 214

Germer Lester, 132–134, 145

Gilbert de la Porrée, 46

Glimmstrahlem, 99

gluony, 177, 179, 203, 205

Goldstein Eugene, 99

Goudsmit Samuel Abraham, 214

Grand Unified Theory, patrz teoria Wiel-

kiej Unifikacji

grawitacja, 60, 61, 69, 167, 203, 213

grawiton, 179

Gribbin John, 85, 124, 133, 221

Grosseteste Robert, 49

Guericke Otto von, 74

hadrony, 169–174, 196, 197, 199, 203,

205, 206, 209, 210, 212, 213

Hahn Otto, 153

Halliwell Jonathan J., 191, 221

Hallwachs Wilhelm, 121

Hamilton William Rowan, 67

hamiltonian, 140

Hartle James, 191

Hartley David, 10

Hawking Stephen, 37, 79, 194, 222

Healey R., 139, 191, 221

Heisenberg Werner Karl, 35, 43, 64, 119,

136, 137, 142, 149, 174, 175, 180,

190, 222, 225

Heller Michał, 21, 29, 34, 55, 57, 61, 62,

64, 67, 70, 71, 82, 138, 222

Helmholtz Hermann Ludwig Ferdinand

von, 98

Hempoliński Michał, 49, 222, 225

Heraklit z Efezu, 17

Heron z Aleksandrii, 45

Hertz Heinrich Rudolf, 100, 101, 120,

121, 123

hiperony, 170, 203

Hittorf Johann, 99

Horgan John, 157, 222

horror vacui, 48

Hovis R. Corby, 165, 166, 222

Hume David, 10

Hutchins R. M., 62, 223

Huygens Christian, 21, 62, 120, 123

idealizm obiektywny, 26, 35, 203

idee, 26, 28, 35, 36, 203

Idzi z Rzymu, 49

impetus, 49

indeterminizm, 42, 43, 193, 198, 204,

209, 224

indukcja magnetyczna, 103

indywidualność, 25, 50, 179, 180, 185,

188, 192

infraczerwień, 113

instrumentalizm, 25, 83, 84, 191, 204,

221

interferencja, 120, 123, 133–135, 140,

145–147, 185, 199, 204

destruktywna, 134, 135, 146

konstruktywna, 133, 134

interpretacja mechaniki kwantowej

Hartle'a i Gell-Manna, 191

kopenhaska, 141, 190

parametrów ukrytych, 191

wielu światów, 191

Indeks

231

zespołów statystycznych, 190

interwał czasoprzestrzenny, 81, 215

izotopy, 88, 160, 180, 195, 204, 210

izotropowość przestrzeni, 20, 62, 63, 204

Jammer M., 222

jądro atomowe, 25, 88, 105, 107, 109–

112, 125–129, 131, 134, 136, 147–

149–153, 160, 161, 168, 187, 195,

197, 199, 200, 204–207, 209–214, 218

Jeans James Hopwood sir, 115

jednorodność przestrzeni, 20, 62, 72, 205

Jedynak Stanisław, 10, 223

jon, 155, 205

jonizacja, 155, 157, 160, 198, 205

Jordan Pascual Ernst, 136, 137

Joyce James, 171

Jungius Joachim, 50

Kałuszyńska Elżbieta, 11, 84, 221, 222

Kamiński Wiesław Andrzej, 58, 222

Kant Immanuel, 64

Karol II, 50

Kartezjusz, patrz Descartes René

katastrofa w ultrafiolecie, 115, 205

Kaufmann Walter, 100

Kelvina skala, 115, 116

Kierul Jerzy, 50, 222

Kirchhoff Gustav Robert, 89

klasyfikacja cząstek elementarnych, 169,

170

Kmita Jerzy, 190

kolor, 172, 173, 178, 205, 206

kombinacja liniowa, 140

komora

dyfuzyjna, 156

iskrowa, 156

mgłowa, patrz komora Wilsona

pęcherzykowa, 156

Wilsona, 154–157, 198

Kopernik Mikołaj, 49

Korpanty Józef, 39, 43, 222

korpuskuła, 57, 89, 100, 122, 123, 143,

216

Kosior Krzysztof, 10, 223

Koterski Artur, 11

Kozubowski Jan A., 83, 99, 104, 157,

158, 220, 222

Kragh H., 165, 166, 222

Krajewski Władysław, 10, 224

Krauss Lawrence M., 190, 222

kreacja materii, 167, 188, 205

Krokiewicz Adam, 18, 19, 27, 43, 44, 222

kwant, 116, 117, 119, 122, 126–128, 166,

174, 195, 205, 206, 210, 211

działania, 117

energii, 118, 206

pola elektromagnetycznego, 168, 179

pola grawitacyjnego, 179

pola kolorowego, 179

świetlny, 132, 136, patrz foton

kwarki, 103, 152, 160, 162, 168, 171–

179, 188, 196, 197, 199, 205–207,

210, 212, 216, 220

denny, 172, 177, 178, 206, 216

dolny, 172, 177, 178, 179, 206, 216

dziwny, 172, 177, 178, 199, 206, 216

górny, 172, 177–179, 206

powabny, 172, 177, 178, 206, 216

szczytowy, 172, 177, 178, 206

Lahti Pekka, 139, 220

Langevin Paul, 133

Laplace Pierre Simon de, 66, 67, 143,

198, 222

Large Electron–Proton Collider, 157

Laue Max von, 85, 92, 116, 118, 121, 222

Lawrence Ernesto Orlando, 154

Legowicz Jan, 18, 21, 43, 222

Leibniz Gottfried Wilhelm, 10, 61, 70–

73, 74–79, 81, 82, 192, 208, 210, 211,

213, 214, 223

Leighton Robert B., 9, 84, 147, 221

Lenard Philip Eduard Anton, 101, 121

leptony, 160, 162, 169, 170, 172, 177–

179, 188, 197, 206, 208, 209, 223

Leśniak Kazimierz, 16, 22, 23, 38, 40, 43,

48, 219, 220, 223

Leukippos, 9, 15, 16, 18, 22, 40, 207

Indeks

232

liczby

atomowa (porządkowa), 88, 110, 129,

130, 204, 206

kwantowe, 131, 151, 152, 169, 196,

202, 207, 218

kwantowe, azymutalna, 131

kwantowe, główna, 128, 151, 207

kwantowe, magnetyczna, 151, 207

kwantowe, momentu pędu, 151, 207

kwantowe, orbitalna, 207

kwantowe, spinowa, 207

magiczne, 207

masowa, 88, 204, 206

zespolone, 140, 207, 217

licznik Geigera–Müllera, 154, 155, 198

linie widmowe (spektralne), 89, 90, 93,

98, 105, 124, 126, 127, 131, 150

Liss Tony M., 177, 223

Livingston M. O., 154

Locke John, 10

Lorentz Hendrik Antoon, 98

Lucretius Titus Carus, 22, 23, 38–41, 43–

45, 48, 92, 93, 222, 223

Lukrecjusz, patrz Lucretius Titus Carus

ładunek

elektryczny, 91, 97, 100–104, 107,

108, 113, 121, 127, 136, 152, 156,

157, 161, 162, 166, 168, 172, 175,

177–180, 188, 195, 196, 199, 202,

205–209, 213

elementarny, 103, 177, 199

kolorowy, 177, 205

Łukasik Andrzej, 36, 190, 193, 223

Mach Ernst, 83

magnetyzm, 169

Mandelbrot Benoit, 63, 179, 224

Marconi Gugliemo, 120

Marsden Ernest, 107

Martyna Witold, 11

masa

atomu wodoru, 105

bezwładna, 60, 208

cząstki alfa, 108, 109

elektronu, 103, 105, 109, 136, 149

grawitacyjna, 203, 208

protonu, 149

relatywistyczna, 164

spoczynkowa, 161, 164, 177, 178,

180, 188, 199–202, 206, 208, 209

materializm, 27, 35, 37, 45, 207

Maxwell James Clerk, 69, 79, 98, 104,

115, 116, 120, 123, 168, 169, 175,

188, 199

McMullin Ernan, 61, 139, 192

mechanicyzm, 21, 44, 45, 55, 56, 67, 186,

198, 208, 222

mechanika

falowa, 137

klasyczna, 9, 55, 59, 62, 65, 67, 113,

144, 147–149, 164, 175, 180, 181,

200, 208

kwantowa, 9, 10, 25, 36, 43, 44, 67,

77, 97, 104, 119, 124, 136–144,

147–151, 155, 158, 159, 169, 174,

175, 179–183, 187–194, 198–200,

205, 206, 209, 213, 216, 217, 219,

220, 224, 225

macierzowa, 137

Newtona, 85, 164, 194

relatywistyczna, 164

statystyczna, 85

Mehra J., 190, 223

Meitner Lise, 153

Mendelejew Dmitrij Iwanowicz, 87, 88,

93, 128

Mermin David N., 192, 223

metafizyka, 61, 71

mezony, 168–170, 172, 173, 195–197,

203, 206

miejsce naturalne, 47

Mikołaj z Autrecourt, 49

Mikołaj z Kuzy, 49

mikroskop

elektronowy, 157, 158

jonowy, 157

optyczny, 84, 88, 157

tunelowy, 157, 158

Mill James, 10

Indeks

233

Mill John Stuart, 10

Millikan Robert Andrews, 103

minima naturalia, 48, 49

minimae partes, 40

mion, 170, 172, 177, 178, 202, 206, 208,

215

Misiek Józef, 190

Mittelstaed Peter, 139, 220

model standardowy fizyki cząstek ele-

mentarnych, 24, 177–179, 188, 197,

206

molekulae, patrz korpuskuła

moment pędu, 125, 150, 211

monada, 77, 208

monadologia, 70, 208, 214

monizm, 17, 209

Mrówczyński S., 162, 223

Muszyński Zbysław, 193, 223

nanotechnika, 154

Neddermayer S. H., 170, 208

Neumann John von, 136

neutrino, 161–163, 167, 169, 170, 172,

174, 177, 178, 197, 202, 205, 209,

214, 225

elektronowe, 170, 177, 178, 206, 209

mionowe, 170, 177, 178, 206, 209

taonowe, 170, 178, 206, 209

neutron, 25, 88, 152, 153, 160–163, 168–

173, 175, 187, 188, 196, 197, 199,

202–207, 209–214

Newton Isaac sir, 50, 51, 53, 55, 57, 58,

61–65, 67–75, 78, 79, 82, 85, 86, 89,

92, 93, 113, 120, 123, 125, 130, 167,

176, 179, 186, 187, 195, 198, 203,

204, 208, 213–215, 218, 222–225

nieodróżnialność cząstek identycznych,

180

nieoznaczoność, 142, 143, 187, 217

nieprzenikliwość, 18, 19, 39, 41, 53, 57,

69, 186

Norwood John, 114, 121, 223

nukleon, 25, 88, 153, 168, 170, 173, 174

obserwable, 139, 149, 203, 209, 216

oddziaływania

elektromagnetyczne, 167–169, 174–

177, 179, 199, 202

elektrosłabe, 169, 199

grawitacyjne, 60, 69, 79, 81, 167, 170,

174, 179, 197, 199, 200, 202, 203,

209, 214

jądrowe silne, 167, 168–179, 196, 205,

212

jądrowe słabe, 167, 168–170, 179,

197, 205

kolorowe, 168, 177, 179, 205

na odległość, 176

Omnès R., 138, 191, 223

ontologia, 28, 37, 49, 56, 83, 201, 209,

210, 222, 225

operator, 139, 142, 203, 209

Oresme Mikołaj, 49

paradoks Olbersa, 69

parenklisis, patrz parenkliza

parenkliza, 42, 43, 209

Parmenides z Elei, 17, 18

Pauli Wolfgang, 136, 150, 161, 162, 174,

209

Penrose Roger, 36, 37, 138, 144, 147,

191, 223

Perrin Jean-Baptiste, 100

pęd, 40, 65, 86, 89, 99, 100, 122, 132,

135, 139, 141–144, 149, 161, 165,

174, 175, 180, 198, 202, 207, 209,

210, 217

pierwiastek, 16, 46–51, 87–90, 92, 105,

108, 109, 125, 126, 128–131, 150,

152, 153, 160, 161, 168, 171, 195,

204, 206, 209–212, 218

pion, 168, 170, 172, 199, 210, 215

Planck Max Karl Ernst Ludwig, 35, 43,

113, 116–119, 123, 124, 134, 136, 187,

195, 197, 205, 206, 210, 211, 214,

222, 223

Platon, 9, 18, 26–36, 45, 46, 49, 203, 216,

222, 223

platonizm, 26

Plücker Julius, 99

Indeks

234

pluralizm, 17, 28, 209, 210

Podolny Roman, 45, 223

Podolsky Borys, 191

Podsiad Antoni, 10, 223

Poincaré Henri, 68, 92

Poisson Simeon Denis, 67

polaryzacja, 120, 123, 199

pole

elektromagnetyczne, 69, 156, 174

elektronowe, 174

elektryczne, 101–103, 156

grawitacyjne, 41

magnetyczne, 98–103, 150, 156, 157

neutrinowe, 174

Polkinghorne John C., 223

Popper Karl Raimund, 23, 192, 224

postulaty Bohra, 127, 136, 148, 187

postulaty kwantowe, patrz postulaty

Bohra

Powell Cecil Frank, 168

pozyton, 157, 165–167, 196, 206, 211

praca wyjścia, 123

prawdopodobieństwo, 86, 87, 141, 142,

144–146, 148, 150, 181–184, 187,

188, 190, 198, 201, 202, 212, 217

prawo

Plancka, 118

powszechnego ciążenia, 24, 51, 58, 60,

203

Rayleigha–Jeansa, 115

spektroskopii Kirchhoffa, 90

stosunków wielokrotnych, 87, 211

Wiena, 115

prędkość światła w próżni, 116, 156, 163,

164, 177

Priestley Joseph, 10

Prigogine Ilya, 61, 224

prima mixta, 50

principium identitatis indiscernibilium,

patrz zasada identyczności nierozróż-

nialnych

promieniotwórczość, 90, 92, 99, 113, 212,

220, 225

promieniowanie

alfa, 92, 211

beta, 92, 161, 211, 212

ciała doskonale czarnego, 115, 116,

118, 124

elektromagnetyczne, 91, 100, 111,

113, 114, 121–123, 126, 132, 133,

166, 187, 197, 200, 202, 205, 211,

212

gamma, 166, 195, 212

katodowe, 91, 99–103, 113, 211

kosmiczne, 212

nadfioletowe, 121

Röntgena, 90–92, 153, 212

termiczne, 114

widzialne, 113

X, patrz promieniowanie Röntgena

proton, 25, 88, 126, 129, 132, 143, 149,

152, 153, 155, 160–163, 165, 168–

173, 175, 178, 187, 188, 196, 197,

199, 202–207, 209–214

Prout William, 90

próżnia, 9, 13, 15, 16, 18–20, 22, 25, 27,

34, 38–42, 45, 47–49, 56, 61–65, 69,

74, 75, 77, 79, 80, 84, 110, 111, 156,

163, 164, 186, 189, 197, 198, 200–

202, 208, 211–213, 215

przemiany promieniotwórcze, 92

przenikalność dielektryczna próżni, 110,

125

przestrzeń

absolutna, 55, 61–64, 69–73, 75, 78,

79, 81, 213

euklidesowa, 30, 31, 196

Hilberta, 138

kosmiczna, 41

względna, 62, 72, 80, 213, 215

Pszczołowski Tadeusz, 10, 223

Quantum Chromodynamics, patrz chro-

modynamika kwantowa

Quantum Electrodynamics, patrz elektro-

dynamika kwantowa

quinta essentia, 47

racjonalizm, 57, 71, 82

radioaktywność, 90, 92, 212

Indeks

235

Rayleigh John William Strutt, 115

reakcja łańcuchowa, 153

reaktor atomowy, 160, 215

Reale Giovanni, 20, 224

realizm, 83, 191

redukcja funkcji falowej, 144

redukcjonizm, 212

Reines Frederick, 162, 209

relacjonizm, 70, 71, 195, 213

res cogitans, 56

res extensa, 56

Rhazes, 46

Richards J. A., 103, 221

Rival Michel, 89, 107, 129, 224

Roger Gérard, 36, 49, 192, 219

Röntgen Wilhelm Conrad, 91, 212

Rorlich Fritz, 83, 224

Röseberg Ulrich, 190, 224

Rosen Natan, 191

Roskal Zenon, 58, 222

rozpad

beta, 161, 162, 168, 213

beta odwrotny, 162, 213

neutronu, 162

promieniotwórczy, 108

rozpraszanie cząstek, 107, 108, 133, 213

rozszczepienie jądra atomowego, 153,

160, 215

równanie

Diraca, 165, 198

Maxwella, 79, 175

Newtona, 65, 141, 213

Schrödingera, 137, 140, 141, 144, 147,

148, 152, 164, 202, 213

własne, 139, 216

równoczesność, 63, 80

ruchy Browna, 88, 213

Russell Bertrand Arthur, 11

Rutherford Ernest, 24, 92, 105, 107, 108–

113, 124, 125, 127, 128, 148, 152,

153, 173, 187, 204, 213

Sands Matthew, 9, 84, 147, 221

Schiff Leonard I., 140, 180

Schilpp Paul Arthur, 191, 220

Schrödinger Erwin, 35, 134, 136–138,

150, 213, 222

scyntylacja, 109

Sennert Daniel, 50

sensorium Dei, 65

sfera

gwiazd stałych, 47

nadksiężycowa, 47, 48

pierwszego poruszyciela, 47

podksiężycowa, 47, 48

siła

bezwładności, 63, 64, 74

Coulomba, 125

dośrodkowa, 156

elektromagnetyczna, 25, 168, 197, 199

elektryczna, 102, 103, 110, 111

grawitacji, 25, 58, 60, 68, 111, 167,

203

jądrowa, 25

magnetyczna, 101–103, 156

poruszająca, 47

Skłodowska-Curie Maria, 92, 212

skrócenie Lorentza, 80

SLAC, 173

Smoczyński P. J., 190

Smolin Lee, 193, 224

Smoluchowski Marian, 88, 202, 213

Sokrates, 20, 224

soma leptomeres, 40

Sommerfeld Arnold, 131, 142

spektrometr, 89

Spencer Herbert, 10

spin, 24, 150, 151, 164, 165, 169, 170,

180, 183, 188, 196–200, 202, 206,

207, 210, 212, 214, 217

spirytualizm, 214

stała

Balmera, 90

Boltzmanna, 115, 116, 201

grawitacji, 60, 203

Plancka, 116–119, 132, 202, 210

Plancka, zredukowana, 125, 140, 211

Stanley H. Eugene, 36, 63, 179, 223, 224

Indeks

236

statystyka

Bosego–Einsteina, 181–185, 188, 196,

214

Fermiego–Diraca, 181, 183, 184, 188,

202, 214

Maxwella–Boltzmanna, 183, 184

statyzm, 17

Stauffer Dietrich, 63, 179, 224

Stengers Isabelle, 61, 224

Stevenson F., 170

Stewart Ian, 66, 67, 224

Stoney George Jonstone, 97, 98

Straton z Lampsaku, 45

Street J., 170

subtelna struktura, 131

Superconducting Supercollider, 157

superpozycja, 144, 217

Szaniawski Klemens, 190

Szczeniowski Szczepan, 36

Średniawa Bronisław, 143, 224

Święcicki Michał, 175, 224

Taine Hippolyte-Adolphe, 10

Talbot Henry Fox, 89

Tales z Miletu, 17, 18

taon, 170, 172, 177, 178, 206

Tatarkiewicz Władysław, 24, 45, 224

Teajtet, 32

Teller Paul, 183, 185, 192, 224

Tempczyk Michał, 56, 57, 62–65, 71, 82,

191, 219, 224

Teodoryk z Chartres, 46

teoria

fali pilota, 190

kinetyczna materii, 85, 105

korpuskularna światła, 122

kwantowej grawitacji, 179, 194

kwarków, 103

pola kwantowa, 174, 192, 202

Weinberga–Salama, 169, 199

Wielkiej Unifikacji, 157, 169, 179

wszystkiego, 179

względności, 36, 63, 68, 69, 78, 79,

81, 97, 119, 174, 175, 177, 190,

193, 194, 197, 200, 201, 203, 208,

213–215, 220, 221, 225

względności ogólna, 69, 81, 167, 169,

193, 208, 214

względności szczególna, 61, 67, 69,

78, 80, 81, 100, 164, 166, 214, 218

Terlecki J., 191, 224

termodynamika, 85, 86, 201

Thayer H. S., 57, 225

Theory of Everything, patrz teoria

wszystkiego

Thomson Charles, 154

Thomson George Paget, 104

Thomson Joseph John sir, 24, 97, 98, 101,

102, 104, 105, 107, 110, 113, 121,

136, 187, 200

Thomson William (Lord Kelvin), 104

Tipton Paul L., 177, 223

TOE, patrz teoria wszystkiego

Torricelli Evangelista, 74

Uhlenbeck G. E., 214

układ

odniesienia, 41, 57, 59, 63, 64, 69, 74,

79, 80, 81, 164, 165, 176, 177, 196,

200–202, 204, 208, 215, 216, 218

okresowy pierwiastków, 88, 93, 105,

124, 129–131, 152, 171

planetarny, 111, 124, 125, 142, 187

ultrafiolet, 113

unifikacja, 169, 194

uniwersalia, 26, 209, 216

uwięzienie koloru, 173

Varley Cromwell Fleetwood, 100

Vinci Leonardo da, 49

Walton Ernest Thomas Sinton, 153

wariabilizm, 17

wartość własna, 139, 144, 216

warunki początkowe, 65, 66, 68, 141,

143, 144, 198

Wawiłow Siergiej, 43, 225

Wehr M. R., 103, 221

Weinberg Steven, 36, 166, 174, 225

Indeks

237

Weizsäcker Carl Friedrich von, 36, 64,

149, 225

Wells Herbert George, 153

Wichmann Eyvind H., 147, 225

widmo, 89, 90, 113

absorpcyjne, 90, 126

atomowe, 90

ciągłe, 125

emisyjne, 90

liniowe, 112

promieniowania ciała doskonale czar-

nego, 115, 117

promieniowania temperaturowego,

113

słoneczne, 89

Wiechert Emil, 100

Wielki Wybuch, 157, 166, 173

Wien Wilhelm Carl, 115

Więckowski Zbigniew, 10, 223

Wilhelm z Conches, 48, 49, 225

Wilson Rees, 154

Wittgenstein Ludwig, 11

Wojtkiewicz Jacek, 87, 221

Wollaston William Hyde, 89

Wróblewski Andrzej Kajetan, 80, 85, 92,

97, 99, 105, 115, 154, 177, 225

Young Thomas, 120, 123, 204

Yukawa Hideki, 168, 170

zakaz Pauliego, 169, 170, patrz zasada

wykluczania Pauliego

zapach, 171, 216

zarodki, 17, 38, 39

zasada

bezwładności Galileusza, patrz zasady

dynamiki Newtona

identyczności nierozróżnialnych, 76

komplementarności Bohra, 190, 216

nieoznaczoności Heisenberga, 43, 142,

143, 155, 180, 216, 217

przyczynowości, 217

racji dostatecznej, 76

równoważności masy i energii, 166

superpozycji stanów, 140, 217

termodynamiki druga, 86

wykluczania Pauliego, 150, 152, 183,

202, 217

względności, 59, 79, 218

wzrostu entropii, patrz druga zasada

termodynamiki

zachowania energii, 110, 161, 166,

175, 218

zachowania ładunku elektrycznego,

207, 218

zachowania momentu pędu, 218

zachowania pędu, 125, 150, 151, 161,

162, 175, 198, 210, 211, 214, 218

zasady dynamiki Newtona, 51, 58–60, 63,

74, 213, 218

zdolność

absorpcyjna, 114

emisyjna, 114

Zdybel Jolanta, 10, 223

Zdybel Lech, 10, 223

Zeeman Peter, 98

zjawisko

fotoelektryczne, 120–123, 199, 202

Zeemana, 98, 150

Zweig George, 171, 206

Życiński Józef, 21, 43, 44, 55, 57, 61, 64,

67, 70, 71, 222

żywioły, 25, 28–30, 32, 33, 46, 47, 218