Fizika i filosofija

“Danas mi toliko mnogo ljudi – čak i profesionalnih naučnika – izgleda kao da su videli hiljade drveća, ali nikada nisu videli šumu.”
Albert Ajnštajn

Filozofija nauke generalno, a fizike partikularno, je drastično zapostavljena u našoj sredini, naročito u domenu obrazovanja. To je dramatično u kontrastu sa činjenicom da je u poslednjih četvrt veka broj postignuća fizičkih nauka generalno koja imaju filozofski značaj u toj meri porastao, da se može govoriti o većem proširenju polja filozofskog promišljanja nego u čitavoj prethodnoj istoriji čovečanstva.
Pošto svako putovanje počinje prvim korakom, neophodan uslov za bavljenje ovim bogatstvom jeste pregled klasičnih tema filozofije fizike. Koncepti kao što su vreme, prostor, materija, masa, energija, uzročnost, determinizam/indeterminizam i pojam fizičkog zakona samo su jedne od tema kojima se filozofija fizike tradicionalno bavila. Ovo zahvata i delimično se preklapa sa domenom “klasične” metafizike, poput pitanja “Zašto postoji nešto, a ne ništa?”
Kada se ovome dodaju epistemološka pitanja vezana za prirodu i značaj fizičke teorije, te problematiku pojedinih metoda poput eksperimenta ili misaonog eksperimenta, jasno je da je “osnovica” na kojoj se gradi zdanje savremene filozofije fizike veoma obimna, sa dubokim temeljima, te je na ovom uvodnom skupu nemoguće dati išta sem ovlašne skice skupa aktuelnih problema i nekih smernica duž kojih bi se budući seminari na ovu temu mogli osmisliti.

Plank je usmerio problem sa zračenja na atom koji zrači (1895). Plank je uočio da njegova formula prodire do temelja našeg poznavanja prirode, kao i to da se dotadašnji tradicionalni temelji, pomeraju.

Planku, koji je u čitavom svom nazoru bio konzervativan, ova konsekvenca se nije ni najmanje dopadala, ali je, ipak, decembra 1900. godine objavio svoju hipotezu kvanta. Ideja da se energija može emitovati ili apsorbovati samo u diskretnim kvantima energije bila je toliko nova da se nikako nije mogla uklopiti u tradicionalne okvire fizike.

Albert Ajnštajn – nove ideje primenio na dva fizička problema. Prvi je bio tzv. fotoelektrični efekat, emisija elektrona pod uticajem svetlosti. Eksperimenti, posebno oni Lenardovi, pokazali su da energija emitovanih elektrona ne zavisi od intenziteta svetlosti, već jedino do njene boje, ili preciznije, od frekvencije. Ovo se nije moglo razumeti na osnovu tradicionalne teorije zračenja. Ajnštajn je ova opažanja mogao objasniti tumačeći da Plankova hipoteza kaže da se svetlost sastoji od kvanata energije koji putuju kroz prostor. Energija jednog svetlosnog kvanta, po Planku, bila bi jednaka frekvenciji svetlosti pomnoženoj Plankovom konstantom.

Drugi problem se ticao specifične toplote čvrstih tela. Tradicionalna teorija vodila je vrednostima za specifičnu toplotu koje su se poklapale sa rezultatima ispitivanja na visokim temperaturama, ali su odstupala od onih na niskim. I u ovom slučaju Ajnštajn je mogao da razume ovakvo ponašanje primenom kvantne hipoteze na eleastične oscilacije atoma u čvrstom telu.

Ovi rezultati otkrivaju duboko revolucionarni karakter nove hipoteze, pošto prva od njih vodi do opisa svetlosti koji se u potpunosti razlikuje od tradicionalne talasne slike. Svetlost se može tumačiti kao da se sastoji od svetlosnih kvanata, energijskih paketića koji putuju kroz prostor velikom brzinom. Ajnštajn nije mogao u potpunosti da ospori protivrečnost između talasne slike i ideje o svetlosnim kvantima.

Raderfordov model atoma iz 1911. godine. Atom je predstavljen tako da ima jezgro, koje je pozitivnog naboja i koje sadrži skoro čitavi masu atoma, i elektrona koji kruže oko jezgra kao planete oko Sunca. Prvobitno ovaj model atoma nije mogao da objasni najosobenije svojstvo atoma, njegovu izvanrednu stabilnost. Nijedan se planetarni sistem, koji sledi zakone Njutnove mehanike, nikada ne bi vratio u prvobitan oblik ukoliko bi se sudario sa drugim takvim sistemom. Ali atom ugljenika, naprimer, ostaće atom ugljenika i posle bilo kakvog sudara ili interakcije u hemijskoj vezi.

Objašnjenje ove neobične stabilnosti dao je Bor 1913. godine, primenjujuću Plankovu kvantnu hipotezu. Ako atom može da menja svoju energiju jedino u diskretnim kvantima energije, to mora značiti da atom može postojati jedino u diskretnim stacionarnim stanjima od kojih je najniže normalno stanje atoma. Prema tome, posle bilo koje interakcije atom se na kraju vraća u svoje normalno stanje... Njegova teorija je počivala na kombinaciji klasične mehanike za kretanje elektrona i kvantnih uslova, koji su se primenjivali na klasična kretanja, za određivanje diskretnih stacionarnih stanja sistema. Konzistentnu matematičku formulu ovih uslova dao je kasnije Zomerfeld.

Prema Borovoj teoriji, neslaganje izračunate orbitalne frekvencije elektrona i frekvencije emitovanog zračenja mora se tumačiti kao ograničavanje pojma orbite elektrona. Pojam orbite je od samog početka bio nekako nejasan. Na višim orbitama, međutim, elektroni bi trebalo da se kreću na većoj udaljenosti od jezgra, upravo onako kako to čine kada se posmatraju kako se kreću kroz maglenu komoru. Tada bi bilo opravdano govoriti o orbitama elektrona. Prema tome, bilo je potpuno zadovoljavajuće to što se na ovim višim orbitama frekvencija emitovanog zračenja približavala frekvenciji orbite i njenim višim harmonicima. Bor je sugerisao da se intenziteti emitovanih spektralnih linija približavaju intenzitetima odgovarajućih harmonika - načelo korespondencije.

Prema Borovoj teoriji, neslaganje izračunate orbitalne frekvencije elektrona i frekvencije emitovanog zračenja mora se tumačiti kao ograničavanje pojma orbite elektrona. Pojam orbite je od samog početka bio nekako nejasan. Na višim orbitama, međutim, elektroni bi trebalo da se kreću na većoj udaljenosti od jezgra, upravo onako kako to čine kada se posmatraju kako se kreću kroz maglenu komoru. Tada bi bilo opravdano govoriti o orbitama elektrona. Prema tome, bilo je potpuno zadovoljavajuće to što se na ovim višim orbitama frekvencija emitovanog zračenja približavala frekvenciji orbite i njenim višim harmonicima. Bor je sugerisao da se intenziteti emitovanih spektralnih linija približavaju intenzitetima odgovarajućih harmonika - načelo korespondencije.

Precizna matematička formulacija kvantne teorije potiče iz dva različita razvojna pravca:

• Jedan započinje Borovim principom korespondencije – moralo se odustati od koncepta orbite elektrona, ali se ona ipak morala i zadržati u limesu visokih kvantnih brojeva, tj. u slučaju velikih orbita (ono što matematičari zovu Furijeov razvoj orbite)... Sama po sebi nametnula se ideja da mehaničke zakone treba zapisati ne kao jednačine za položaje i brzine elektrona, već kao jednačine za frekvencije i amplitude njihovog Furijeovog razvoja... 1925. godine ova zamisao je dovela do matematičkog formalizma nazvanog matrična mehanika ili, uopštenije, kvantna mehanika... Kasnije su ispitivanja Borna, Jordana i Diraka pokazala da matrice ne komutiraju...

• Drugi pravac kojim se ova ideja razvijala sledila je De Broljijevu ideju o talasima materije – Šredinger – talasna mehanika.

Tako smo imali konzistentan matematički formalizam koji bi se mogao definisati na dva ekvivalentna načina, bilo da se pođe od relacija među matricama ili talasnih jednačina.

Bor, Kramers i Slejter 1924. godine pokušavaju da reše protivrečnost između talasne slike i čestične slike uvodeći pojam talasa verovatnoće. Elektromagnetni talasi nisu tumačeni kao stvarni, već kao talasi verovatnoće čiji intenzitet u svakoj tački određuje verovatnoću apsorpcije – ili indukovane emisije – nekog kvanta svetlosti od strane nekog atoma u toj tački.

Ova je ideja dovela do zaključka da zakoni očuvanja energije i impulsa ne treba da važe za svaki pojedinačan događaj, da su oni samo statistički zakoni i da su istiniti samo u statističkom proseku. Talas verovatnoće Bora, Kramersa i Slejtera – težnja ka nečemu – kvantitativna verzija starog pojma mogućnosti (potentia) u Aristotelovoj filozofiji – nešto na sredini između ideje nekog događaja i aktuelnog događaja, neka neobična vrsta fizičke stvarnosti upravo na sredini između mogućnosti i stvarnosti.

Šredinger – pokazao da je njegov formalizam talasne mehanike matematički ekvivalentan kvantnoj mehanici. Pokušao je da neko vreme napusti ideju o kvantima i kvantnim skokovima i da elektrone u atomu jednostavno zameni svojim trodimenzionalnim materijalnim talasima. Umesto nivoa energije – frekvencije. Šredinger je atom opisao kao sistem koji nije sastavljen od jezgra i elektrona, već od jezgra i talasa materije.

Do konačnog rešenja došlo se na dva načina.
= princip neodređenosti = moglo se govoriti o položaju i brzini elektrona kao u Njutnovoj mehanici, mogle su se posmatrati i meriti ove veličine... ali nije bilo moguće sa proizvoljno velikom tačnošću istovremeno utvrditi obe veličine.
= Borov pojam komplementarnosti = čestičnu i talasnu sliku stvarnosti je smatrao za dva komplementarna opisa iste stvarnosti.

Sama kopenhagenska interpretacija kvantne teorije polazi od jednog paradoksa. Bilo koji eksperiment u fizici opisuje se jezikom klasične fizike. Ipak, primena ovih pojmova ograničena je relacijama neodređenosti.

Funkcija verovatnoće – sama po sebi ne reprezentuje tok događaja u vremenskom toku, već težnju da se neki događaj desi. Funkcija verovatnoće sjedinjuje objektivne elemente tendencije i subjektivne elemente nepotpunog znanja. Ona sadrži tvrdnje o mogućnostima ili tendencijama (mogućnost u Aristotelovoj filozofiji) – one su objektivne jer ne zavise od posmatrača, pored toga sadrže i naše stavove o sistemu. Funkcija verovatnoće, za razliku od poznatog postupka u Njutnovoj mehanici, ne opisuju neki određeni događaj ali, bar u toku procesa posmatranja, opisuje čitav ansambl mogućih događaja. Samo posmatranje menja funkciju verovatnoće diskontinualno, ono od svih mogućih događaja izdvaja samo onaj koji se ostvario.

Stara izreka Priroda ne čini skokove (Natura non facit saltus) ---- kvantni skokovi... U klasičnoj fizici – svet ili barem delovi sveta se mogu opisati bez ikakvog pozivanja na nas same – ideal objektivnog sveta.

Vajczeker – «priroda je starija od čoveka, ali je čovek stariji od nauke o prirodi».

Bor je rekao da kvantna teorija podseća na staru mudrost da kada tražimo životni sklad nikada ne smemo da zaboravimo da smo u drami našeg postojanja istovremeno i glumci i gledaoci.

Savremeno tumačenje atomskih događaja ima veoma malo sličnosti sa izvornom materijalističkom filozofijom (Leukip i Demokrit); atomska fizika je odvratila nauku od težnje ka materijalizmu koju je ona pokazivala u XIX veku.

Danas fizičari pokušavaju da iznađu osnovni zakon kretanja materije.

= u jednom slučaju, da se sve elementarne čestice mogu svesti na nekoliko 'osnovnih' elementarnih čestica;
= u drugom slučaju, da se sve elementarne čestice svedu na neku univerzalnu supstanciju koju bismo mogli zvati energija ili materija, u tom slučaju nijedna od različitih čestica ne bi se mogla smatrati osnovnijom od ostalih – ovo potonje stanovište odgovara Anaksimandru, a i Hajzenberg je uveren da je ono ispravno u savremenoj fizici.

Heraklit – vatra je istovremeno i materija i pokretačka sila. U ovoj tački savremena fizika je bliska Heraklitovom učenju, ako se reč vatra zameni rečju energija. Supstancija iz koje su sve elementarne čestice, svi atomi i stvari sačinjene, energija je ono što pokreće. Ona se može promeniti u kretanje, u toplotu, u svetlost i u napon. Energijom se može nazvati osnovni uzrok svih promena u svetu.

Mogućnost praznog prostora je uvek bila sporna tema u filozofiji. U opštoj teoriji relativnosti materija proizvodi geometriju ili geometrija materiju. To više odgovara stanovištu koje su imali mnogi filozofi koji su prostor odredili kao rasprostrtost materije. Ali Demokrit jasno napušta ovo stanovište da bi promenu i kretanje učinio mogućim. Platon nije bio atomista, ali je sjedinio ideje bliske atomistima sa učenejm pitagorejske škole kao i sa Empedoklovim poučavanjima. Platon je poredio najsitnije delove elemenata zemlje sa kockom, vazduha sa oktaedrom, vatre sa tetraedrom i vode sa ikosaedrom. Ne postoji element koji odgovara dodekaedru. Osnovni trouglovi ne mogu se smatrati materijom pošto nemaju protežnost u prostoru – jedino kada se ovi trouglovi sastave da bi obrazovali neko pravilno telo nastaje jedinica materije.

Savremeno određenje elementarne čestice – ako želimo da damo neki prikaz, jedino što možemo navesti kao prikaz jeste funkcija verovatnoće. Elementarnoj čestici se ne može dodeliti ni kvalitet bića, ona je mogućnost ili tendencije ka biću. Utoliko je elementarna čestica savremene fizike daleko apstraktnija nego atom u grčkoj filozofiji.

Prema teoriji relativnosti, masa i energija su u suštini isti pojmovi - ovo bi se moglo tumačiti kao da je energija prva supostancija sveta, ona poseduje suštinsko svojstvo supstancije, postojanost. Savremena fizika u tom pogledu vrlo je bliska Heraklitovom stanovištu, ukoliko se njegov element vatra interpretira kao energija.

U Demokritovoj filozofiji atomi su večne i neuništive jedinice materije, oni se nikada ne mogu pretvarati jedni u druge. Po tom pitanju savremena fizika zauzima stav krajnje protivan materijalizmu Demokrita i staje na stranu Platona i pitagorejaca. Elementarne čestice svakako nisu večne i neuništive jedinice materije, one se mogu pretvarati jedne u druge.
Konačna jednačina kretanja materije još uvek nije poznata....

U kopenhagenskoj interpretaciji kvantne teorije nije moguće zanemarivati činjenicu da je prirodnu nauku stvorio čovek. Prirodna nauka nije prosto nešto što samo po sebi opisuje i objašnjava prirodu. Ona je deo uzajamnog dejstva između nas i prirode; opisuje prirodu onako kako se ona pokazuje izložena našem načinu ispitivanja. Na ovu mogućnost Dekart nije mogao pomisliti, ali ona onemogućava oštro razdvajanje Ja i Sveta.

Metafizički realizam – svet, tj. protežuće stvari, postoje...
Praktični realizam – postoje trvdnje koje se mogu učiniti objektivnim (najveći deo našeg svakodnevnog iskustva sastoji se od takvih tvrdnji)... Dogmatski realizam – ne postoje tvrdnje o materijalnom svetu koje se ne mogu učiniti objektivnim... Aktuelna pozicija klasične fizike jeste pozicija dogmatskog realizma, jedino kroz kvantnu teoriju može se shvatiti da je egzaktna nauka moguća iako se ne zasniva na njemu.... Kada je Ajnštajn kritikovao kvantnu teoriju, on je to činio sa osnova dogmatskog realizma...

Zakon kauzaliteta više se ne primenjuje u kvantnoj teoriji, a zakon održanja materije više ne važi za materijalne čestice.

Pojmovi prirodnih nauka se ponekad mogu jasno odrediti na osnovu njihove međusobne povezanosti – Njutn u svom delu Principia započinje grupom definicija i aksioma koji su međusobno povezani tako da čine 'zatvoreni sistem'.

U njutnovskoj mehanici sila gravitacije se smatrala datom, a ne predmetom daljeg teorijskog proučavanja. U radu Faradeja i Maksvela, međutim, polje same sile postalo je predmet istraživanja; fizičari su želeli da znaju kako se ovo polje sile menja kao funkcija vremena i prostora. Pokušali su da postave jednačine kretanja za polja, a ne prvenstveno za tela na koja polja deluju.

Ova promena nas je vratila na stanovište koje su zastupali mnogi naučnici pre Njutna. Činilo se da se dejstvo moglo prenositi sa jednog tela na drugo samo kada se dva tela dodiruju, npr. sudarom ili trenjem. Njutn je uveo potpuno novu i neobičnu hipotezu, pretpostavljajući silu koja deluje na daljinu.

Sada se u teoriji polja sile možemo vratiti starijoj ideji da se dejstvo sile prenosi s jedne tačke na susednu tačku, jedino uz pomoć ponašanja polja, jezikom diferencijalnih jednačina. Upravo to se pokazalo kao moguće i zato je opis elektromagnetnih polja koje daju Maksvelove jednačine izgledao kao zadovoljavajuće rešenje problema sile. Njutnovi aksiomi i definicije odnosili su se na tela i njihova kretanja... Ali kod Maksvela polja sila su dostigla isti stepen realnosti.

Teorija relativnosti je pokazala da se koncept etra kao supstance na koju se odnose Maksvelove jednačine mora napustiti – polja se moraju razmatrati kao nezavisna realnost. Pod utiskom potpuno nove situacije mnogi fizičari su, pomalo ishitreno, došli do sledećeg zaključka: njutnovska mehanika je konačmo oborena - primarna stvarnost je polje, a ne telo, te ustrojstvo prostora i vremena dosledno opisuju Lorencove i Ajnštajnove formule, a ne Njutnovi aksiomi.

Njutnova mehanika u mnogim slučajevima bila je dobra aproksimacija, ali ona se sada mora usavršiti radi strožijeg opisa prirode. Ovaj stav zanemaruje činjenicu da je većina eksperimenata kojima se mere polja zasnovana na njutnovskoj mehanici, i da se njutnovska mehanika ne može usavršiti, moguće je jedino zameniti je nečim suštinski drugačijim!

Razvoj kvantne teorije poučio nas je da bi tu situaciju pre trebalo opisati na sledeći način: kad god je moguće primeniti pojmove njutnovske mehanike na opisivanje događaja u prirodi, zakoni koje je formulisao Njutn potpuno su ispravni i ne mogu se usavršavati. Ali, elektromagnetne pojave nije moguće prikladno objasniti pojmovima njutnovske mehanike.

Možemo razlikovati četiri sistema koji su dosegli svoj konačni oblik:

• njutnovsku mehaniku – pogodnu za opis svih mehaničkih sistema, kretanja fluida i oscilacija elastičnih tela; obuhvata akustiku, statiku i aerodinamiku

• drugi zatvoreni sistem pojmova nastao je tokom XIX veka u vezi sa teorijom toplote – mada se mogla povezati sa mehanikom preko razvoja statističke mehanike, ne bi bilo realno smatrati je delom mehanike... mnogi pojmovi nemaju svoj pandan u ostalim granama fizike: toplota, specifična toplota, entropija, slobodna energija... toplota se smatra energijom koja je statistički raspodeljena... pojam verovatnoće u bliskoj vezi sa pojmom entropije... Teorija toplote može se kombinovati sa bilo kojim drugim zatvorenim sistemom pojmova

• treći zatvoreni sistem pojmova i aksioma počiva na pojavama elektriciteta i magnetizma i svoj konačni oblik zadobija u prvoj deceniji XX veka u radu Lorenca, Ajnštajna i Minkovskog. Ovaj sistem obuhvata elektrodinamiku, specijalnu teoriju relativnosti, optiku, magnetizam, a može uključiti i De Broljijevu teoriju talasa materije, ali ne i Šredingerovu talasnu teoriju

• četvrti koherentni sistem je kvantna teorija - njen središnji pojam je funkcija verovatnoće ili statistička matrica. Obuhvata kvantnu i talasnu mehaniku, teoriju atomskih spektara, hemiju i teoriju o ostalim svojstvima materije kao što su električna provodljivost, feromagnetizam.

U ovom prikazu izostavljena je opšta teorija relativnosti, pošto nije zadobila svoj konačni oblik, no značajno se razlikuje od ostala četiri skupa.
Najvažnija odlika jednog zatvorenog sistema aksioma i definicija jeste mogućnost iznalaženja konzistentne matematičke reprezentacije za taj sistem.

Maksvelovo otkriće elektromagnetne prirode svetlosnih talasa unelo je jednu ozbiljnu teškoću u ovu oblast – ovi talasi se razlikuju od ostalih talasa – npr. od zvučnih talasa, svetlosni se razlikuju po tome što se mogu prenositi u prostoru koji nam izgleda kao prazan prostor. Pretpostavilo se da su to veoma elastični talasi sačinjeni od veoma lake supstance koja se zove etar, i koja se ne može ni videti ni osetiti, ali koja ispunjava i evakuisani prostor i prostor u kojem postoji neka druga materija.

1904. godine. Morli i Miler, ponovili su Majkelsonov eksperiment (iz 1881) – dokaz da efekat očekivanog reda ne postoji, ne postoji supstanca etar.
Tražilo se matematičko tumačenje kojim bi se talasna jednačina za prostiranje svetlosti uskladila sa ovim principom relativnosti. Lorenc je 1904. sugerisao matematičku transformaciju koja bi ispunjavala ove zahteve.

Odlučujući korak načinio je Ajnštajnov članak iz 1905. godine, u kojem je on 'prividno' vreme iz Lorencovih transformacija ustanovio kao 'realno' vreme i odbacio ono što se kod Lorenca nazivalo 'realnim' vremenom. Zahvaljujući tom novom tumačenju, struktura prostora i vremena se bitno izmenila i mnogi problemi fizike su se pokazali u novom svetlu. Sada je bilo moguće potpuno odbaciti supstancu kao što je etar. Najvažnija promena principa relativnosti jeste inercija energije ili ekvivalentnost mase i energije.

KRITIKA I KONTRAPOSTAVKE KOPENHAGENŠKOJ INTERPRETACIJI KVANTNE TEORIJE

Mogu se podeliti u tri različite grupe.:

• prvu grupu čine oni koji ne žele da menjaju kopenhagensku interpretaciju u pogledu njenih predviđanja eksperimentalnih rezultata, ali nastoje da izmene njen jezik da bi se dobila veća sličnost sa klasičnom fizikom.... Članovi ove grupe samo ponavljaju kopenhagensku interpretaciju, samo drugim jezikom... Ovaj pokušaj nastoji da promeni filozofiju, a da pri tome ne promeni fiziku... Bom, De Brolji, Fenis, Bop, Vajcel... Blohincev i Aleksandrov...

• druga grupa smatra da je kopenhagenska interpretacija prikladna jedino ako se eksperimentalni rezultati uvek i svuda poklapaju sa njenim predviđanjima... Janoši...

• treća grupa izražava svoje opšte nezadovoljstvo rezultatima kopenhagenske interpretacije... Ajnštajn, Fon Laue, Šredinger...
Svi oponenti kopenhagenske interpretacije slažu se u jednome – bilo bi poželjno da se u upotrebu vrati pojam stvarnosti klasične fizike, da se vratimo ontologiji materijalizma... Kopenhagenska interpretacija ni na koji način nije pozitivistička... Statističku prirodu mikroskopskih zakona nije moguće izbeći...