Calendar Date

wrz

2010

Login Form

Top10

Inspirujący liderzy roku 2009

19.05.2010.

+ Full Story

Tech

Przyszłość lotnictwa

22.04.2010.

+ Full Story

IT

Doprowadzenie sieci bezprzewodowej do domu

20.04.2010.

+ Full Story

Cytat Dnia

Henri Poincare (1854 - 1912)

"Uczony nie bada Natury, dlatego że jest to użyteczne. Bada ją ponieważ sprawia mu to przyjemność, a sprawia mu to przyjemność, gdyż Natura jest piękna. Gdyby Natura nie była piękna, nie warto byłoby jej poznawać, a gdyby Natury nie warto było poznawać życie nie byłoby warte, aby je przeżyć."

RSS

Nakarm glodne dziecko - wejdz na strone www.Pajacyk.pl

Ewolucja pojęcia atomu

14.03.2009.

Otwarte Referarium Filozoficzne 2, 15 (2009)

Andrzej Łukasik¹

Nadesłano: 11 września 2008. Przyjęto do publikacji: 21 grudnia 2008.

Streszczenie. Celem artykułu jest analiza historyczna zmian pojęciowych w naszym rozumieniu mikroświata na przykładzie historycznego rozwoju pojęcia atomu. W greckiej filozofii przyrody, atomistyczna koncepcja materii była odpowiedzią na pytanie o początek i zasadę (arché) świata, rozumiane jako pytanie o istnienie najbardziej elementarnych składników materii. Współczesną wersją tych pierwotnie czysto spekulatywnych dociekań jest fizyka atomowa i cząstek elementarnych. Analizie poddano ewolucję pojęcia elementarnych składników materii od wyobrażeń o atomach kształtowanych przez analogię z przedmiotami doświadczenia makroskopowego po wysoce abstrakcyjne i niepoglądowe modele mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola, w których pojęcie to staje się niewspółmierne z pojęciami fizyki klasycznej. Ukazano, z jednej strony, spektakularne potwierdzenie hipotezy atomistycznej w nauce XX wieku, z drugiej zaś -- trudności pojęciowe, do jakich doprowadziła mechanika kwantowa.

Spis treści

1 Wstęp
2 Pojęcie atomu w starożytnej filozofii przyrody
    2.1 Prototypy pojęcia atomu
    2.2 Atomy Leukipposa i Demokryta
    2.3 Atomy Epikura
    2.4 Atomy geometryczne Platona
3 Atom w filozofii mechanicyzmu
    3.1 Korpuskuły Newtona
    3.2 Monady Leibniza
    3.3 Punkty materialne Boškovića
4 Atom w nauce XIX wieku
    4.1 Atom chemiczny Daltona
    4.2 Atom w kinetycznej teorii gazów
5 Atom w fizyce początków XX wieku
    5.1 Model atomu Thomsona
    5.2 Model atomu Rutherforda
    5.3 Model atomu wodoru Bohra
6 Atom w mechanice kwantowej
7 Filozoficzne pojęcie atomu a cząstki elementarne
8 Podsumowanie

Dyskusja na temat tego artykułu jest prowadzona na: Forum ŚFiNiA , wątek A. Łukasik, "Ewolucja pojęcia...", str. 15

Gdyby cała nauka miała ulec zniszczeniu w jakimś kataklizmie i tylko jedno zdanie można by uratować i przekazać następnym pokoleniom, jakie zdanie zawierałoby największą ilość informacji w możliwie najmniejszej liczbie słów? W moim przekonaniu byłoby to zdanie formułujące hipotezę (lub rzeczywistość, jeśli wolicie tak to nazwać) atomistyczną, że wszystko składa się z atomów.

Richard Phillips Feynman [1]

1 Wstęp

Pytanie o początek świata należy niewątpliwie do najstarszych pytań, jakie stawiano w próbach zrozumienia przyrody. Na przełomie VII i VI w. p.n.e. pierwsi greccy filozofowie przyrody (Tales, Anaksymander, Anaksymenes i ich następcy), wykraczając poza przyjmowane dotychczas odpowiedzi o charakterze mitologicznym, pytanie o to, ,,co było na początku?" pojęli jako pytanie o podstawowy rodzaj materii, z której powstały wszystkie rzeczy (choć sam termin ,,materia" pojawił się znacznie później). Spośród wielu zaproponowanych koncepcji, uznających na przykład wodę, ziemię, powietrze czy ogień (zwane ,,żywiołami") za podstawowy rodzaj materii, z perspektywy współczesnej nauki szczególną doniosłość należy przypisać atomistycznej koncepcji materii Leukipposa i Demokryta.

Samo pojęcie atomu (podobnie zresztą jak związane z nim pojęcia materii, przestrzeni, czasu i ruchu) ulegało jednak w historii filozofii i historii nauki wielokrotnym przemianom, czemu towarzyszyły zmiany problemów wyjściowych, jakie teoria atomistyczna w danym czasie miała rozwiązywać, oraz zmiany metod poznania przyrody, uznawanych za prawomocne. Wystarczy wspomnieć, że pojęcie atomu pierwotnie należało do spekulatywnej filozofii przyrody, obecnie zaś jest jedną z podstawowych kategorii matematycznego przyrodoznawstwa. Atomy zaś (i cząstki elementarne) z przedmiotów czysto intelektualnych dociekań filozofów stały się przedmiotami, którymi można manipulować w laboratoriach.

Celem artykułu jest analiza historycznego rozwoju pojęcia atomu - od starożytnej filozofii przyrody, przez naukę klasyczną aż do współczesnej fizyki atomowej i fizyki cząstek elementarnych. Podjęto próbę ukazania punktów przełomowych w ewolucji tego pojęcia, a także elementów łączących dawne idee atomistyczne z nauką współczesną. Artykuł traktuje więc o zmianach pojęciowych w naszym rozumieniu mikroświata od koncepcji elementarnych składników materii pojmowanych przez analogię z doświadczeniem makroskopowym, po wysoce abstrakcyjne i niepoglądowe modele mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola, w których pojęcie to staje się niewspółmierne z koncepcjami fizyki klasycznej. Analiza ta dostarcza materiału przydatnego przy rozważaniu pytań w rodzaju: w jakim stopniu fizyka i jej struktury pojęciowe mówią nam o wydarzeniach zachodzących w warunkach jakościowo różniących się od znanych nam ze zwykłej obserwacji (np. w warunkach Wielkiego Wybuchu), a w jakim stanowią jedynie wygodny opis doświadczenia.

Ponieważ w filozofii pojęcie atomizmu ma zakres o wiele szerszy niż w naukach przyrodniczych i wyróżnia się m.in. atomizm psychologiczny, atomizm logiczny czy atomizm społeczny, podkreślić należy, że artykuł niniejszy ogranicza się wyłącznie do analizy pojęcia atomu w filozofii przyrody i naukach przyrodniczych.

2 Atom w starożytnej filozofii przyrody

2.1 Prototypy pojęcia atomu

Pojęcie atomu wprowadzili Leukippos i Demokryt, jednakże wcześniejsi filozofowie przyrody też sformułowali koncepcje, w których pojawiają się pewne prototypy pojęcia atomu lub idee, które odegrały podstawową rolę w rozwoju atomizmu.

Pitagorejczycy, którzy znacząco rozwinęli nauki matematyczne, doszli do przekonania, że podstawową rolę w przyrodzie odgrywają stosunki liczbowe. Sądzili, że zasady matematyki ,,są zasadami wszystkich rzeczy [...], a całe niebo jest harmonią i liczbą" [2,I: 985b-986a]. Postawili nawet tezę, że ,,rzeczy są liczbami". ,,Liczb" nie pojmowali jednak jako wielkości abstrakcyjnych, ale rozumieli je jako obiekty fizyczne.

Tworzyli mianowicie cały świat z liczb ale nie z liczb złożonych z abstrakcyjnych jednostek; przypuszczali bowiem, że jednostki mają wielkość przestrzenną. (Arystoteles [2,XIII: 1080b])

Postrzegali więc świat na sposób atomistyczny: wszystkie ciała składają się z ,,liczb" ułożonych w różne kształty. Materia jest zatem nieciągła, a poszczególne ,,liczby" oddzielone są od siebie próżnią. Przez ,,próżnię" rozumieli jednak pitagorejczycy zarówno ,,nieskończone powietrze" [4], jak pustą przestrzeń i ,,to, co nieskończone". To niezbyt precyzyjne znaczenie pojęcia próżni zawęził później Parmenides do pojęcia ,,pustki-nicości".

Na powstanie atomizmu zasadniczy wpływ miały dwie tezy Parmenidesa, a mianowicie

uznanie próżni za warunek konieczny sensowności pojęć podziału, wielości i ruchu [5];
przekonanie, że nic nie powstaje z niczego, a to, co istnieje, nie może przestać istnieć²:

[...] to, co istnieje, jest niestworzone i nie ulega zniszczeniu, jest bowiem całe, nieruchome i nieskończone, nigdy nie było, ani nie będzie, ponieważ teraz istnieje razem jako coś całego, jednego, ciągłego³. (Diels [9,str. 82-83])

Eleaci przeczyli jednak możliwości istnienia próżni⁴, co w poważnym stopniu utrudniało sformułowanie teorii bytu zgodnej ze zjawiskami.

Empedokles uczynił również krok w kierunku atomizmu, ponieważ twierdził, że wszystkie rzeczy złożone, które powstają i giną, składają się z wiecznych i niezmiennych cząstek ziemi, wody, powietrza i ognia - ,,korzeni wszechrzeczy", nazywanych potem ,,żywiołami" albo ,,pierwiastkami" (στοιχειου) Podobnie jak u Demokryta wszelkie zmiany sprowadzone są do ruchu przestrzennego, mechanicznego łączenia się i rozdzielania się niezmiennych cząstek⁵:

Nie istnieją narodziny żadnej z rzeczy śmiertelnych, ani też żaden koniec niszczącej śmierci. Istnieje tylko mieszanie i wymiana tego, co zostało ze sobą zmieszane. Narodziny to tylko nazwa używana przez ludzi. (Diels [9,str. 91])

Jednak zdaniem Empedoklesa, ruch cząstek pierwiastków nie wymaga założenia istnienia próżni, ponieważ jedne cząstki po prostu ustępują miejsca drugim.

2.2 Atomy Leukipposa i Demokryta

Punktem wyjścia dla teorii atomistycznej Leukipposa i Demokryta było poszukowanie takiego rozwiązania problemu początku wszechrzeczy, które byłoby zgodne tak z tezą Parmenidesa o absolutnej niezmienności bytu, jak i ze zjawiskami:

Leukippos zaś był przekonany, że znalazł rozwiązanie, które pozostając w zgodzie z doświadczeniem, nie podważa ani stawania się, ani niszczenia, ani ruchu, ani mnogości bytów. (Arystoteles [10,I: 325a])

Rozwiązanie polegało na [11]:

odrzuceniu tezy Parmenidesa, że byt jest jeden i przyjęciu założenia, że istnieje nieskończenie wiele absolutnie niezmiennych i zasadniczo niepodzielnych bytów - atomów (gr. άτομοσ - niepodzielny);
przyjęciu istnienia próżni (κευον) jako drugiej, równorzędnej z atomami, zasady ontologicznej.

W szczególności wprowadzenie przez Leukipposa koncepcji próżni było wielkim przełomem pojęciowym [12] i miało decydujące znaczenie powstania atomizmu [13]. Próżnia (pusta przestrzeń) nie jest bytem, ponieważ bytem jest tylko to, co jest całkowicie pełne. Wedle Leukipposa istnieje zatem zarówno byt, jak i nie-byt⁶ .

Każdy z atomów ma (z wyjątkiem nieruchomości) wszystkie fundamentalne cechy, które miał Parmenidejski byt - jest pełny, niepodzielny, wieczny i absolutnie niezmienny.

Atomy mają (poza wspólną wszystkim własnością nieprzenikliwości) jedynie cechy geometryczne, nie mają natomiast żadnych jakości zmysłowych:

Czymś umownym jest słodkie, czymś umownym gorzkie, czymś umownym gorące, czymś umownym zimne, czymś umownym jest barwa, naprawdę zaś istnieją tylko atomy i próżnia. (Sekstus Empiryk [15])

Pierwotnymi i obiektywnymi własnościami atomów są więc nieprzenikliwość, kształt i wielkość. Ponieważ rodzaje atomów różnią się od siebie jedynie kształtami, a ,,kształtów jest nieskończona ilość, dlatego także istnieje nieskończona ilość ciał prostych" [17,III: 303a].

W ciałach złożonych atomom przysługują również obiektywne cechy względne (relacyjne): położenie i porządek w przestrzeni, które odróżniają od siebie poszczególne układy atomów⁷.

Atomy zawsze są w ruchu, dzięki czemu mogą zderzać się ze sobą, łączyć i tworzyć w nieskończonej przestrzeni nieskończenie wiele układów złożonych. Ruchem atomów, a zatem również wszystkimi procesami w przyrodzie, rządzi mechaniczna konieczność (άυάγκευ) [18,IX: str. 44-46].

Atomy w sensie filozoficznym to niepodzielne, wieczne, absolutnie trwałe i niezmienne ostateczne składniki materii. Dlatego też czas, który wprawdzie uznawał Demokryt za wieczny⁸, w żaden sposób nie wiąże się z własnościami elementarnych składników materii. Zmianom podlegają tylko układy złożone z niezmiennych atomów.

Ponadto, jeżeli ilość atomów jest nieskończona, a kosmiczna próżnia rozciąga się bez granic, to - spekulował Demokryt - istnieje w ramach nieskończonego czasowo i przestrzennie wszechświata nieskończenie wiele światów, z których pewne są, być może, podobne do naszego i zamieszkałe; niektóre nie mają warunków potrzebnych do istnienia w nich życia; pewne znajdują się w fazie powstawania, inne zaś upadku [20]. Powstają i ulegają destrukcji jedynie poszczególne światy, nieskończony Wszechświat trwa natomiast wiecznie.

2.3 Atomy Epikura

Epikur wprowadził pewne modyfikacje do pojęcia atomu, które miały być odpowiedzią na krytykę atomizmu przeprowadzoną przez Arystotelesa. Arystoteles argumentował, że ciało, które nie ma części (jak atom) w ogóle nie może się poruszać, chyba, że czas, przestrzeń i ruch miałyby charakter nieciągły⁹. Epikur przyjął, że atomy są fizycznie niepodzielnymi, ale nie są najmniejszymi cząstkami materii. Każdy atom składa się z określonej liczby ,,najmniejszych cząstek" (minimae partes), które w poszczególnych atomach można wyodrębnić jedynie myślowo, ale nie istnieją one jako odrębne realności fizyczne.

[...] atom posiada wielkość minimalną. Trzeba ponadto uznać minimalne cząstki niezespolone za granicę długości i za takie, które z siebie jako pierwszych dostarczają miary dla większych i mniejszych wielkości, w rozumowym dociekaniu cząstek niepostrzegalnych. (Diogenes Laertios [18,X: str. 59])

Epikurejskie minima są nie tylko najmniejszymi cząstkami składowymi atomów: istnieją również minimalne odległości przestrzenne oraz minimalne odcinki czasu [21]. Wszelkie wielkości fizyczne mają charakter dyskretny czy też, używając języka fizyki współczesnej - skwantowany. Różna liczba minimae partes wchodząca w skład atomu danego rodzaju miała wyjaśniać zróżnicowanie wielkości i kształtów atomów [22]. Epikur, w odróżnieniu od Leukipposa i Demokryta, twierdził również, że liczba kształtów atomów jest skończona [23,X: str. 43].

Epikur, także w odpowiedzi na krytykę Arystotelesa [3,I: 985b],że Demokryt nie podał przyczyny ruchu atomów, przyjmując Arystotelesowskie rozróżnienie na ruch naturalny i wymuszony, uznał ciężar za ,,uniwersalny atrybut materii" [24] i jednocześnie za przyczynę naturalnego ruchu atomów w pewnym kierunku w przestrzeni określanym jako ,,dół"¹⁰. Pojęcie ciężaru w filozofii przyrody Epikura jest jeszcze bardzo odległe od przyjmowanego w fizyce współczesnej. Ciężar nie jest tu bowiem związany z oddziaływaniem jednych ciał na drugie, lecz jest wewnętrzną własnością samych atomów i ciał złożonych z atomów¹¹.

2.4 Atomy geometryczne Platona

Osobne miejsce w dziejach pojęcia atomu wypada przypisać Platonowi. Był on autorem koncepcji atomizmu geometrycznego, powstałej pod niewątpliwym wpływem myśli pitagorejskiej. Platon, krytycznie oceniając dotychczasowe systemy filozofii przyrody (nie wspominając jednak ani słowem o Demokrycie, choć trudno przypuścić, by nie znał jego filozofii) postawił hipotezę, że

[...] wszystkie gatunki ciał [...] powstają z brył elementarnych, ich kombinacji i wzajemnych przemian. (Platon [26])

Otóż cząsteczki ognia, powietrza, wody i ziemi mają kształty wielościanów foremnych (nazywane dziś bryłami platońskimi - por. rys. 1). Są to odpowiednio: czworościan, ośmiościan, dwudziestościan i sześcian (pozostaje jeszcze dwunastościan foremny, o którym Platon w Timajosie jedynie enigmatycznie wspomina). Uszeregowane są one od ,,najlżejszego" i ,,najbardziej ruchliwego" (czworościan - ogień) do ,,najcięższego" i ,,najtrudniejszego do poruszenia" (sześcian - ziemia).

Rysunek 1: Bryły Platońskie. Pięć wielościanów foremnych, które można skonstruować w trójwymiarowej przestrzeni Euklidesowej. Bryły te reprezentują żywioły: czworościan (element ognia), ośmiościan (element powietrza), dwudziestościan (element wody), sześcian (element ziemi) i dwunastościan.

Każda ściana dwudziestościanu, ośmiościanu i czworościanu składa się z sześciu trójkątów prostokątnych o długościach boków x, 3^½x, 2x, gdzie x jest dowolną liczbą rzeczywistą dodatnią, złączonych wierzchołkami. Każda ściana sześcianu składa się natomiast z czterech trójkątów prostokątnych równoramiennych¹² o bokach x, 2^½x.

Przyroda ma, według Platona, naturę matematyczną w tym sensie, że istotne własności materii sprowadzają się do odpowiednich symetrii geometrycznych. Bryły platońskie nie są jeszcze ostatecznymi, niepodzielnymi elementami świata fizycznego, ponieważ układ trójkątów, z którego zbudowany jest każdy wielościan w rezultacie zderzenia z innym wielościanem może ulec rozbiciu na trójkąty i utworzyć nowy układ, również w kształcie wielościanu foremnego. Zatem elementarnymi składnikami ciał są obiekty dwuwymiarowe - trójkąty, i to raczej one 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 odpowiednich wielościanów. Ponieważ ogień, powietrze i woda zbudowane są z takich samych elementów matematycznych, to żywioły te mogą przemieniać się w siebie wzajemnie. Nie mogą przemienić się jednak w ziemię, gdyż elementy matematyczne, z których jest zbudowany sześcian ziemi, są inne niż elementy matematyczne pozostałych żywiołów.

Choć już Arystoteles uznawał koncepcję Platona za ,,niedorzeczną" i krytykował go za ,,zerwanie z doświadczeniem" [10,I: 316a], to jednak pewne idee platońskiej filozofii przyrody znalazły pozytywną recepcję wśród dwudziestowiecznych fizyków. Na przykład, Werner Heisenberg pisał następująco:

Według Demokryta atomy są wiecznymi i niezniszczalnymi cząstkami materii, żaden atom nie może przekształcić się w inny atom. Fizyka współczesna zdecydowanie odrzuca tę tezę materializmu Demokryta i opowiada się za stanowiskiem Platona i pitagorejczyków. Cząstki elementarne na pewno nie są wiecznymi i niezniszczalnymi cegiełkami materii i mogą się w siebie nawzajem przekształcać. [...] Podobieństwo poglądów współczesnych do koncepcji Platona i pitagorejczyków nie kończy się na tym. Polega ono jeszcze na czymś innym. ,,Cząstki elementarne", o których mówi Platon w Timajosie, w istocie nie są materialnymi korpuskułami, lecz formami matematycznymi. (Heisenberg [30])

Warto zauważyć, że we współczesnej filozofii fizyki można stwierdzić pewien renesans platonizmu. Poza Heisenbergiem atrakcyjność koncepcji Platona dla współczesnego rozumienia elementarnych składników materii dostrzegają również m.in. Carl F. von Weizsäcker [31,32,33], Steven Weinberg [34], Roger Penrose [35,36], i Michał Heller[37,38]. Uczeni ci twierdzą, że ,,cząstki elementarne" współczesnej fizyki to raczej formuły matematyczne niż obiekty materialne.

3 Atom w filozofii mechanicyzmu

Atomizm nie miał w starożytności i średniowieczu zbyt wielu zwolenników¹³, odrodził się w czasie rewolucji naukowej XVI-XVII wieku, w rezultacie której powstało matematyczne przyrodoznawstwo. Zwolennikami atomizmu byli m.in. Giordano Bruno, Pierre Gassendi, Mikołaj Kopernik, Galileo Galilei, Robert Boyle i Isaac Newton.

Od czasów sformułowania przez Newtona zasad dynamiki i prawa powszechnego ciążenia (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687) dyskusje na temat atomów (i próżni) sytuowały się w ramach paradygmatu wyznaczonego przez mechanikę klasyczną, choć miały one jeszcze charakter bardziej filozoficzny niż naukowy, a w sporach o realność atomów odwoływano się głównie do argumentów filozoficznych oraz teologicznych. Założenie atomowej budowy materii jest bowiem niezależne od ważności praw mechaniki, a takie własności atomów, jak rozciągłość, nieprzenikliwość, bezwładność i podleganie ruchowi przypisywano im na podstawie analogii do własności ciał makroskopowych.

3.1 Korpuskuły Newtona

Newton przypisał atomom (jak zresztą wszelkim ciałom) nową podstawową cechę - bezwładność, której miarą liczbową jest masa, lecz poza tym pojęcie atomu pozostawało w istocie demokrytejskie:

Rozciągłość, twardość, nieprzenikliwość, możliwość poruszania się i bezwładność całości wynika z rozciągłości, nieprzenikliwości, możliwości poruszania się i bezwładności części; w związku z tym dochodzimy do wniosku, że najmniejsze cząstki wszystkich ciał także są rozciągłe, i twarde, i nieprzenikliwe, i podległe ruchowi, i obdarzone bezwładnością¹⁴. (Newton [41])

Warto podkreślić, że dla greckich atomistów niezmiernie istotnym było przekonanie o wieczności atomów - atomy pojmowano jako absolutnie niezmienny byt, co było związane z przyjmowanym przez starożytnych filozofów przyrody przekonaniem, że niemożliwe jest powstawanie z niczego. Zagadnienie powstania świata pojmowano więc wyłącznie jako zagadnienie powstania obecnej formy świata z jakiejś wcześniejszej i wiecznie istniejącej materii. Newton natomiast łączy atomizm z kreacjonizmem - utrzymuje, że Bóg ,,na początku" stworzył materię w postaci atomów:

[...] wydaje mi się prawdopodobne, że na początku Bóg uformował materię w postaci stałych, masywnych, twardych, nieprzenikliwych, ruchomych cząsteczek [...]; te pierwotne cząstki, będące ciałami stałymi, są nieporównywalnie twardsze od jakichkolwiek porowatych ciał z nich zbudowanych; są one tak twarde, że nigdy się nie zużyją ani nie rozpadną na kawałki; żadna zwyczajna siła nie zdoła podzielić tego, co Bóg uczynił całością w pierwszym akcie stworzenia. (Newton [42])

3.2 Monady Leibniza

Wielki rywal Newtona, Gottfried Wilhelm Leibniz, który krytykował atomistyczną koncepcję materii Newtona i teorię absolutnego czasu i przestrzeni absolutnej, był jednocześnie twórcą pewnej formy atomizmu spirytualistycznego - monadologii.

Opierając się na zasadzie racji dostatecznej Leibniz twierdził, że nie ma racji dostatecznej do przyjęcia, by atomy o skończonej przecież wielkości były dalej niepodzielne:

Nie istnieje atom, a co więcej, żadne ciało nie jest tak drobne, żeby nie mogło być aktualnie podzielne. (Leibniz [44])

Ponadto, gdyby istniały atomy, to istniałoby wiele indywiduów nie różniących się od siebie żadną wewnętrzną cechą, to zaś nie zgadza się ze sformułowaną przez Leibniza zasadą identyczności nierozróżnialnych, zgodnie z którą nie istnieją dwa nierozróżnialne indywidua [45].

Na podstawie swojego ,,prawa ciągłości" Leibniz argumentował natomiast, że gdyby istniały (absolutnie sztywne) atomy, wówczas podczas zderzenia zachodziłaby nieciągła zmiana prędkości, a taka nieciągłość to jego zdaniem

niedorzeczne [...] odbywające się w jednej chwili przejście od ruchu do bezruchu, a nie przejście przez stopnie pośrednie. (Leibniz [45]).

Odrzucając mechanistyczne pojmowanie atomów, Leibniz przyjmuje jednak pewną formę atomizmu, wedle którego ostatecznymi składnikami rzeczy są proste substancje o charakterze duchowym - monady¹⁵. Monady są, podobnie jak atomy, substancjami pozbawionymi części, niepodzielnymi, niezniszczalnymi i niepodlegającymi zmianom za sprawą czynników zewnętrznych [47]. Są jednak - w odróżnieniu od materialnych atomów - jakościowo zróżnicowane.

Monada, o której będziemy tutaj mówili, nie jest niczym innym, jak tylko substancją prostą [...]. Otóż tam gdzie nie ma części, nie jest możliwa rozciągłość ani kształt, ani podzielność. I monady te są prawdziwymi atomami natury - elementami rzeczy. (Leibniz [48])

Przykład Leibniza (i Boškovića, o którym niżej) pokazuje, że nie zawsze w pojęciu atomu zawierała się idea rozciągłości przestrzennej.

3.3 Punkty materialne Boškovića

Ciekawym epizodem w historii pojęcia atomu jest atomizm punktowy Rudera Boškovića. Bošković twierdził, że wszystkie, nawet niezmiernie złożone zjawiska można wyjaśnić, przyjmując najprostsze możliwe założenia, to znaczy, że wszystkie zjawiska są rezultatem różnych przestrzennych układów i względnych przemieszczeń identycznych cząstek punktowych, oddziałujących między sobą parami, zgodnie z prostym prawem determinującym ich względne przyspieszenia [49]. Według Boškovića elementarnymi składnikami materii są niezmienne, niepodzielne i nierozciągłe punkty materialne (puncta materiae, prima elementa - Bošković nie używał terminu ,,atom"), stanowiące centra oddziaywań.

Podstawowe elementy materii są, moim zdaniem, doskonale niepodzielnymi i nierozciągłymi punktami; są one rozproszone w niezmierzonej próżni tak, że każde dwa z nich są oddzielone od siebie pewnym interwałem; interwał ten może nieskończenie wzrastać lub zmniejszać się, ale nigdy całkowicie nie może zniknąć, pozwalając na wzajemne przenikanie się punktów, ponieważ nie jest możliwy między nimi bezpośredni kontakt [...]. Jako atrybut tych punktów przyjmuję właściwą im skłonność do pozostawania w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego po linii prostej¹⁶ [...]. (Bošković [50])

W koncepcji Boškovića, puncta nie mają rozciągłości przestrzennej, nieprzenikliwość nie jest zatem atrybutem elementarnych składników materii.

Podsumowując dotychczasowe rozważania można stwierdzić, że od czasów Demokryta aż do Daltona atomizm był raczej spekulatywną metafizyką niż teorią naukową. Filozofowie i uczeni nie dysponowali metodami pozwalającymi na sprawdzenie hipotezy istnienia atomów, a ich podstawowe własności (nieprzenikliwość, kształt, wielkość, ciężar czy masa) nie były cechami dającym się określić empirycznie i przypisywano je atomom jedynie na podstawie analogi z przedmiotami makroskopowymi. Pojęcia atomów wypracowane w ramach nieco bardziej abstrakcyjnych wersji atomizmu (Platon, Bošković) również były raczej owocem wyobraźni filozofów niż rezultatem badań empirycznych.

Filozofia atomizmu była jedną z prób udzielenia odpowiedzi na pytanie pierwszych filozofów ,,co było na początku?". Nie była to jednak odpowiedź na pytanie o czasowy początek Wszechświata, ponieważ greccy filozofowie przyrody przyjmowali, że Wszechświat istnieje wiecznie. Stwierdzenie, że ,,początkiem rzeczy są atomy i próżnia" znaczy więc, że atomy i próżnia stanowią podstawowe elementy przyrody, a ponieważ same atomy są absolutnie niezmienne, to wszelka zmiana sprowadza się do ruchu przestrzennego, łączenia się i rozłączania wiecznych atomów. Samo zagadnienie początku Wszechświata nie było wówczas jeszcze przedmiotem badań naukowych, ale raczej kwestią filozoficznych przekonań czy wiary religijnej i taki status miało aż do XX wieku. Atomizm zaś status teorii naukowej uzyskał dopiero w XIX wieku (najpierw w chemii, później w fizyce), co było związane z radykalną zmianą problemów wyjściowych, jakie koncepcja atomistyczna miała rozwiązać i nie mniej radykalną zmianą metod rozwiązywania problemów - przejściem od czystego namysłu nad ostatecznymi składnikami przyrody do nauki laboratoryjnej.

4 Atom w nauce XIX wieku

4.1 Atom chemiczny Daltona

Już u Roberta Boyle'a, który przyjmował istnienie próżni i uważał, że materia składa się z korpuskuł, których podstawowymi własnościami są kształt, wielkość i ruch obecna jest wyraźna tendencja do czysto fizykalnej teorii atomistycznej, czyli do zastosowania pojęcia atomu raczej do wyjaśnienia konkretnych zagadnień fizycznych i chemicznych (doświadczalne prace nad gazami) niż do formułowania ogólnego filozoficznego obrazu świata.

Jednak za twórcę naukowej atomistyki powszechnie uważny jest John Dalton. Wprowadził on atomizm jako hipotezę wyjaśniającą empiryczne prawa stosunków wagowych substancji w reakcjach chemicznych. U Daltona pojęcie atomu z kategorii filozoficznej staje się kategorią naukową (atom chemiczny) i po raz pierwszy w historii uzyskuje treść związaną z laboratoryjną praktyką badawczą.

Sytuacja teoretyczna, w której została sformułowana teoria Daltona, nie miała właściwie żadnego związku z problemami, które zaprzątały uwagę starożytnych filozofów atomistów. Związana była z zagadnieniem rozważanym przez osiemnastowiecznych chemików: czy w związkach chemicznych złożonych z dwóch lub większej liczby pierwiastków występują one zawsze w tych samych stosunkach, czy też stosunki te mogą być różne, w zależności od warunków, w jakich powstaje dany związek.

Joseph Louis Proust sformułował doświadczalne prawo stosunków stałych (1799) głoszące, że składniki wszystkich związków chemicznych występują zawsze w ściśle określonych stosunkach ilościowych. Na początku XIX wieku prawo Prousta zostało wielokrotnie potwierdzone doświadczalnie i uzyskało podstawowe znaczenie dla dalszego rozwoju chemii. Pojawia się jednak pytanie, dlaczego pierwiastków chemicznych nie można łączyć w związki chemiczne w dowolnych proporcjach, w zależności od warunków reakcji¹⁷?

Dalton odkrył, że jeżeli dwa pierwiastki łączą się ze sobą w różnych stosunkach wagowych, wtedy powstają różne związki chemiczne, a stosunki wagowe pierwiastków wyrażają się niewielkimi liczbami całkowitymi. Jest to treść sformułowanego w 1805 roku prawa stosunków wielokrotnych.

Gdyby materia nie była zbudowana z atomów, wówczas występowanie stałych proporcji wagowych pierwiastków w związkach chemicznych byłoby trudne do wyjaśnienia. Jeśli natomiast pierwiastki chemiczne zbudowane są z atomów o określonym ciężarze, wtedy zarówno prawo stosunków stałych, jak i prawo stosunków wielokrotnych okazuje się konsekwencją atomowej budowy materii¹⁸.

Założenia atomistycznej teorii Daltona można streścić następująco [54,55]: wszystkie ciała składają się z atomów powiązanych ze sobą siłami przyciągania; atomy danego pierwiastka chemicznego mają taki sam ciężar atomowy, wielkość i pozostałe własności; atomy poszczególnych pierwiastków różnią się od siebie ciężarem; pierwiastki, podobnie jak atomy, z których są zbudowane, są niezmienne i nie mogą się wzajemnie w siebie przekształcać; atomy są niepodzielne chemicznie, a reakcje chemiczne mogą jedynie doprowadzić do zmiany połączeń atomów; tworzenie się związków chemicznych z pierwiastków zachodzi dzięki tworzeniu się ,,złożonych atomów" (compound atoms), zawierających określoną liczbę atomów każdego pierwiastka.

Założenia te mają charakter zdecydowanie naukowy a nie filozoficzny. Tak więc filozoficzna kwestia istnienia absolutnie ostatecznych i niepodzielnych składników materii nie ma w tym wypadku znaczenia, chodzi jedynie o niepodzielność w procesach reakcji chemicznych:

Analizy i syntezy chemiczne nie wychodzą poza oddzielenie od siebie cząsteczek i ich połączenie. Żadnego tworzenia ani niszczenia materii nie można osiągnąć w dziedzinie chemii. (Dalton [56])

Podstawowa własność atomów, jaką jest ciężar (względny ciężar atomowy), jest wielkością określaną za pomocą pomiarów. W teorii Daltona atom (chemiczny) rozumiany jest zatem jako elementarny składnik substancji chemicznej¹⁹.

4.2 Atom w kinetycznej teorii gazów

Do fizyki pojęcie atomu zostało efektywnie wprowadzone w połowie XIX wieku w kinetycznej teorii gazów. Przyjmowano początkowo bardzo prosty model materii - zakładano, że cząsteczki czy atomy są sztywnymi kulkami, a pogląd taki stanowił ,,podstawę wszystkich rozważań ówczesnej teorii gazów [...]. Z biegiem czasu teoria zdołała jednak rozszerzyć swe koncepcje na cząsteczki o wewnętrznych stopniach swobody, zakładając obrót i ruch drgający atomów" [57].

Atomistyczna teoria ciepła sformułowana przez Jamesa Clerka Maxwella, Rudolfa Clausiusa i Ludwiga Boltzmanna pokazała, że ciepło jest w rzeczywistości procesem, który polega na przekazywaniu energii kinetycznej od jednego ciała do drugiego w rezultacie wzajemnych zderzeń między cząsteczkami. Istotą nowego podejścia było zastosowanie praw mechaniki Newtona do wielkiej liczby cząsteczek i wyjaśnienie zachowania cząsteczek gazu statystycznie na podstawie rachunku prawdopodobieństwa. Teoria kinetyczna pozwoliła na redukcję termodynamiki fenomenologicznej do fizyki statystycznej. Okazało się, że temperaturę gazu można powiązać ze średnią energią kinetyczną ruchu cząsteczek, a ciśnienie wywierane przez gaz na ścianki naczynia wynika ze zderzeń cząsteczek gazu ze ściankami.

Podejście to spotkało się jednak z krytyką, ponieważ zgodnie z dobrze już wówczas potwierdzoną drugą zasadą termodynamiki, w układach izolowanych występuje określone ukierunkowanie zdarzeń w czasie - stany późniejsze charakteryzują się większą entropią. Chociaż w fizyce statystycznej stosuje się prawa oparte na rachunku prawdopodobieństwa, to jednak prawa te mają charakter praw wtórnych, ponieważ poszczególne cząsteczki gazu podlegają równaniom Newtona. Równania Newtona są natomiast niezmiennicze względem inwersji w czasie (nie wyróżniają żadnego kierunku w czasie), co znaczy że możliwe są również procesy, w których entropia maleje, a to wydawało się niezgodne z II zasadą termodynamiki. Na tej podstawie tacy uczeni jak na przykład Wilhelm Ostwald odrzucali myśl o realnym istnieniu atomów [58]. Boltzmann wykazał jednak, że drugą zasadę termodynamiki można zinterpretować mikroskopowo²⁰. Powiązanie przez Boltzmanna entropii z prawdopodobieństwem pozwoliło zrozumieć, dlaczego nie obserwujemy procesów, w których entropia maleje, takich jak na przykład skupienie się cząsteczek gazu w niewielkiej objętości naczynia czy też przepływ ciepła od ciała zimniejszego do cieplejszego. Zjawiska takie mają po prostu znikomo małe prawdopodobieństwo [60].

Dla recepcji atomizmu w fizyce kapitalne znaczenie miało również sformułowanie teorii ruchów Browna. W 1827 roku Robert Brown odkrył, że drobne cząsteczki (na przykład pyłki roślin) zawieszone w cieczy, wykazują niewielkie chaotyczne drgania, które można obserwować przez mikroskop²¹ [63]. Drgania te są tym silniejsze, im mniejsze są cząsteczki zawiesiny i im wyższa jest temperatura. Zjawisko to można wyjaśnić, jeżeli przyjmie się, że cząsteczki zawiesiny są nieustannie bombardowane przez cząsteczki cieczy, co oczywiście opiera się na założeniu atomistycznej budowy materii. Teorię ruchów Browna sformułowali niezależnie od siebie Albert Einstein (1905) i Marian Smoluchowski (1906). Zjawiska fluktuacyjne stanowią mocny dowód atomistycznej struktury materii, ,,dzięki nim wielu sceptycznie usposobionych uczonych przekonało się do atomistyki" [64].

Na gruncie kinetycznej teorii gazów oszacowano również wielkość atomów. Joseph Loschmidt (1865), przyjmując kulisty kształt atomów, określił poprawnie ich rząd wielkości na 10^-10 m. Po raz pierwszy w historii atomizmu wielkość atomów została określona w sposób ilościowy w opozycji do dotychczasowych czysto jakościowych określeń atomów jako ,,niezmiernie małych".

Pomimo sceptycznego nastawienia niektórych uczonych do atomizmu, jako koncepcji zbyt spekulatywnej²², w XIX wieku zastosowano pojęcie atomu do opisu i wyjaśnienia konkretnych procesów chemicznych i fizycznych, w zasadzie całkowicie dystansując się od ogólnych problemów filozoficznych, takich jak pytanie o początek świata. W odróżnieniu od starożytnej koncepcji atomów charakteryzowanych przez nieprzenikliwość, kształt i wielkość, dla nauki XIX wieku znacznie istotniejsze były takie własności atomów, jak ciężar atomowy, sprężystość, zdolność do oddziaływania na siebie siłami przyciągania i odpychania, przez co pojęcie atomu uległo wzbogaceniu, ale jednocześnie stopniowo coraz bardziej oddalało się od pojęcia pierwotnego.

Rozwój fizyki w drugiej połowie XIX wieku umacniał atomistyczną teorię materii, ale jednocześnie podważał wielowiekowe przekonania na temat niezmienności atomów. Odkrycie dyskretnych linii widmowych, promieni Röntgena i przemian promieniotwórczych doprowadziły ostatecznie do wniosku, że atomy nie są obiektami niezmiennymi.

5 Atom w fizyce początków XX wieku

Odkrycie elektronu, cząstki materii drobniejszej niż atom (Joseph John Thomson, 1897) otworzyło nowy etap w badaniu atomowej struktury materii. Odkrycie to związane było m.in. z badaniami nad wyładowaniami w gazach podejmowanymi przez fizyków w II połowie XIX wieku i doprowadziło do wniosku, że atomy nie są obiektami elementarnymi, jak dotąd przyjmowano. Zatem obok pytań, w jaki sposób materia zbudowana jest z atomów, powstały pytania o charakterze bardziej podstawowym - jak zbudowane są atomy? Stopniowo etymologiczna i realna treść pojęcia ,,atom" coraz bardziej zaczęły się od siebie różnić.

5.1 Model atomu Thomsona

Pierwszym modelem atomu jako obiektu złożonego był model Thomsona (1902), znany w polskojęzycznej literaturze²³ jako model ciasta z rodzynkami²⁴ Zgodnie z nim atom to dodatnio naładowana kula materii wielkości rzędu 10^-10 m, w której - podobnie jak rodzynki w cieście - tkwią ujemnie naładowane elektrony (por. rys. 2). Ponieważ w normalnych warunkach atomy są elektrycznie obojętne, przyjmowano, że dodatni ładunek owej kuli jest równy ujemnemu ładunkowi wszystkich elektronów. Rozmieszczenie i liczba elektronów w atomach nie były jednak jeszcze znane - sugerowano na przykład, że każdy atom składa się z miliardów fragmentów, z których każdy ma dodatni lub ujemny ładunek równej wielkości [67].

Rysunek 2: Model atomu Thomsona (1902) - ,,ciasto z rodzynkami". W dodatnio naładowanej kulistej kropli materii o rozmiarach rzędu 10^-10 m tkwią ujemnie naładowane elektrony. Atom jako całość jest elektrycznie obojętny.

Główną wadą modelu atomu Thomsona była trudność w wyjaśnieniu trwałości atomów, ponieważ ujemnie naładowane elektrony działają na siebie siłami odpychania elektrycznego i wyprowadzają taki układ ze stanu równowagi. Nie wiadomo było również, jakie właściwości atomów miały tłumaczyć okresowość pierwiastków i naturę wiązań chemicznych i dlaczego każdy pierwiastek posiada charakterystyczne dla siebie linie spektralne.

5.2 Model atomu Rutherforda

Następnym ważnym krokiem był planetarny model atomu Ernesta Rutherforda²⁵ (1911). Jego sformułowanie umożliwiły nowe techniki eksperymentalne wynalezione przez fizyków na początku XX wieku, z których najważniejsze dla nas mają eksperymenty rozproszeniowe. Eksperymenty Rutherforda polegały na przepuszczaniu cząstek alfa przez cienką warstwę złota (około 10^-7m, czyli około 400 warstw atomów) i analizie kątów ich odchyleń, co pozwalało na zbadanie rozkładu ładunków elektrycznych wewnątrz atomu.

Rezultaty eksperymentu były zdumiewające. Rutherford stwierdził [69], że znakomita większość cząstek przelatywała przez folię prawie bez żadnych odchyleń lub też ulegała odchyleniu o bardzo niewielki kąt, tak jakby składająca się z 400 warstw atomowych złota folia była całkowicie przenikliwa dla cząstek alfa. Jednak zdarzały się również cząstki rozproszone do tyłu²⁶, tzn. odchylone o kąty większe niż 90 stopni (około jedna na 20 000) [70].

W celu wyjaśnienia rezultatów eksperymentu Rutherford sformułował planetarny model atomu (por. rys. 3), zgodnie z którym ładunek dodatni znajduje się w centrum, stanowiąc jądro atomowe, w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomu²⁷. Wokół jądra, analogicznie jak planety wokół Słońca, po kołowych orbitach krążą elektrony. Oszacowania rozmiarów jądra atomowego dają wielkość rzędu zaledwie 10^-15m, czyli sto tysięcy razy mniejszą niż rozmiar całego atomu (10^-10m) - między elektronem i jądrem jest tylko pusta przestrzeń. Okazało się więc, że ciała sprawiające na naszych zmysłach wrażenie ciągłych i nieprzenikliwych substancji ,,zbudowane są" przede wszystkim z próżni. Trzeba było więc porzucić atrybut nieprzenikliwości, tradycyjnie przypisywany atomom.

Rysunek 3: Planetarny model atomu Rutherforda (1911) - ujemnie naładowany elektron porusza się po orbicie kołowej wokół dodatnio naładowanego jądra na skutek działania sił przyciągania elektrycznego.

Rutherford odkrył jądro atomowe, a jego model atomu dawał całkowicie nowy obraz materii. Analogia między układem planetarnym a atomem jednak zawiodła, ponieważ z elektrodynamiki Maxwella wynika, że elektrony poruszając się wokół jądra powinny emitować promieniowanie elektromagnetyczne, a więc tracić energię i spaść na jądro w ciągu ułamka sekundy (ok. 10^-8 s). Model ten nie wyjaśniał więc stabilności atomów. Druga trudność związana była z faktem, że w modelu planetarnym elektron może krążyć w dowolnej odległości od jądra. Oznacza to, że model Rutherforda nie wyjaśniał, dlaczego rozmiary wszystkich atomów są rzędu 10^-10 m. Po trzecie, jeżeli elektrony mogą krążyć w dowolnej odległości od jądra, to energia elektronu na orbicie może zmieniać się w sposób ciągły. Zatem przy zmianie promienia orbity widmo promieniowania atomów byłoby ciągłe, co jednak nie zgadzało się z obserwacjami dyskretnych linii widmowych.

5.3 Model atomu wodoru Bohra

Rozważane poprzednio modele atomów oparte były na fizyce klasycznej i charakteryzowały się poglądowością. Niezależnie od tego, czy pojmowano atomy jako obiekty elementarne czy też jako układy złożone, filozofowie i przyrodnicy kształtowali swoje wyobrażenia na temat atomów na podstawie analogii z własnościami obiektów makroskopowych. Rozwój fizyki atomowej w XX wieku prowadził jednak do coraz bardziej abstrakcyjnych i niepoglądowych, a nawet sprzecznych z fizyką klasyczną i naszą intuicją pojęć elementarnych składników materii.

Naszkicowany na rys. 4 model atomu wodoru Nielsa Bohra (1913) [71] opiera się na planetarnym modelu Rutherforda uzupełnionym sprzecznymi z elektrodynamiką klasyczną warunkami kwantowymi, zwanymi postulatami Bohra.

Głównym problemem było dla Bohra wyjaśnienie stabilności atomów. Na podstawie studiów nad wzorem Balmera wysunął on hipotezę, że elektron krążąc wokół jądra po takich orbitach kołowych, na których wartość momentu pędu elektronu jest całkowitą wielokrotnością kreślonej stałej Plancka (^h/_2p) (mvr = n(^h/_2p), n = 1, 2, 3...) znajduje się w stanie stacjonarnym i nie promieniuje energii. Elektron emituje lub absorbuje energię tylko podczas przeskoku z jednej orbity stacjonarnej na drugą, przy czym związek energii z częstością promieniowania wyraża się takim wzorem, jak w teorii Plancka (E_n - E_m = hn).

Orbity elektronów w modelu Bohra są skwantowane - ich promienie (zatem i wartości energii) mogą przybierać tylko ściśle określone, dyskretne wartości (por. rys. 4). Każdemu przeskokowi elektronu między orbitami odpowiada zaś ściśle określona wartość wypromieniowanej lub pochłoniętej energii, a zatem i ściśle określona linia spektralna w widmie promieniowania elektromagnetycznego danego pierwiastka.

Rysunek 4: Model atomu wodoru Bohra (1913). Elektron, podobnie jak w modelu Rutherforda, porusza się wokół jądra po orbicie kołowej, jednak promień orbity jest ściśle określony przez pierwszy warunek kwantowy Bohra (mvr=n(^h/_2p), n= 1, 2, 3...). Orbity elektronu oraz poziomy energetyczne są skwantowane i numerowane główną liczbą kwantową n (n= 1, 2, 3...). Ponieważ dozwolone poziomy energetyczne tworzą nieciągły zbiór, przeskokowi elektronu z jednej orbity na drugą (reprezentowane są przez strzałki na rysunku) towarzyszy emisja lub absorpcja kwantu energii hn. Przejścia między poziomami prowadzą do różnych serii linii widmowych - każdej parze poziomów, między którymi może przeskakiwać elektron, odpowiada określona linia widmowa.

Teoria Bohra wyjaśniała jednak tylko położenie linii wodoru i zjonizowanego helu, ale już nie cięższych pierwiastków. Postawiła również nowe problemy: dlaczego w atomie jakieś orbity są wyróżnione? (Postulat, że promienie orbit elektronu w atomie są skwantowane, w jawny sposób łamie prawa elektrodynamiki klasycznej.) Gdzie znajdują się elektrony podczas przejść?

Odkrycie subtelnej struktury widma, czyli faktu, że obserwowane linie widmowe nie są pojedyncze, ale składają się z dwóch lub kilku linii widmowych o zbliżonej długości fali, wymagało modyfikacji teorii Bohra. Arnold Sommerfeld sformułował teorię, w której elektrony poruszają się po orbitach eliptycznych, a jądro znajduje się w jednym z ognisk elipsy. Teoria ta była bardziej skomplikowana niż teoria Bohra: wymagała dwóch warunków kwantowych i wprowadzenia, obok głównej liczby kwantowej n, azymutalnej liczby kwantowej l. Sommerfeld uwzględnił też relatywistyczną zmianę masy elektronu podczas ruchu na orbicie.

Aż do odkrycia neutronu (1932) wysuwano wiele modeli z różnymi konfiguracjami ładunków w jądrach [73]. Modele te nie stanowiły jednak znaczącego przełomu w badaniach struktury atomu.

6 Atom w mechanice kwantowej

Podstawą dzsiejszego rozumienia atomów i cząstek elementarnych jest mechanika kwantowa. Jej zręby sformułowali niezależnie od siebie (wychodząc z całkowicie odmiennych założeń) Werner Heisenberg (mechanika macierzowa, 1925) i Erwin Schrödinger (mechanika falowa, 1926).

Opis atomu polega na rozwiązaniu równania Schrödingera, które jest podstawowym równaniem opisującym dynamikę układu w (nierelatywistycznej) mechanice kwantowej²⁸:

i(^h/_2p)

∂

∂t

Ψ(

,t) = -

(^h/_2p)²

grad² Ψ(

,t) + V(

)Ψ(

,t)

(1)

Rozwiązanie tego równania umożliwiło obliczenie poziomów energetycznych atomów, wyjaśnienie budowy atomów i okresowości tablicy Mendelejewa pierwiastków chemicznych, co było wielkim sukcesem mechaniki kwantowej. Sukcesy te przyszło jednak opłacić całkowitym zerwaniem z poglądowym charakterem modelu atomu. Otóż stan układu w mechanice klasycznej wyznaczony jest przez pędy i położenia wszystkich elementów. Natomiast stan układu kwantowomechanicznego (takiego jak na przykład atom) reprezentuje pewne wyrażenie matematyczne - funkcja falowa Y - wektor z abstrakcyjnej przestrzeni Hilberta. Wprawdzie zgodnie z równaniem Schrödingera ewolucja w czasie funkcji Y ma charakter ciągły i deterministyczny, to jednak funkcja Y może być powiązana z doświadczeniem jedynie, gdy nastąpi pomiar danej wielkości fizycznej. Aparat matematyczny mechaniki kwantowej pozwala jedynie na obliczenie prawdopodobieństw rezultatów pomiarów (zgodnie ze statystyczną interpretacją fizycznego znaczenia funkcji Y sformułowaną przez Maxa Borna 1926 roku). W tym sensie mechanika kwantowa jest teorią indeterministyczną. Na przykład, można obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze wokół jądra atomowego w atomie w rezultacie wykonanego pomiaru (rys. 5), lecz z uwagi na obowiązującą w mechanice kwantowej zasadę superpozycji stanów²⁹, nie można przypuszczać, że elektron był w danym miejscu również przedwykonaniem pomiaru.

Rysunek 5: Pierwsze powłoki elektronowe w atomie wodoru. Przedstawione orbitale to powierzchnie opisane funkcją falową jednego elektronu - kwadrat modułu określa gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danym punkcie przestrzeni [72].

Co więcej, z uwagi na obowiązujące w mechanice kwantowej relacje nieoznaczoności Heisenberga³⁰ dla pewnych par wielkości fizycznych (zwanych sprzężonymi), takich jak pęd i położenie, elektrony nie poruszają się wokół jądra po orbitach - pojęcie orbity traci na gruncie mechaniki kwantowej sens. Atomy według pojęć mechaniki kwantowej niewątpliwie składają się z jądra atomowego i elektronów, lecz ruch elektronów wokół jądra wymyka się poglądowym wyobrażeniom i jedyny dostęp poznawczy do świata atomów daje wyrafinowany formalizm matematyczny (oczywiście w połączeniu z całym zapleczem fizyki doświadczalnej). Model atomu w mechanice kwantowej jest modelem czysto matematycznym. Wszelkie analogie z przedmiotami makroskopowymi, znanymi z codziennego doświadczenia, należy uznać za chybione.

Dalsze badania wzbogaciły kwantowomechaniczne pojęcie atomu: wprowadzono spin, nową własność elektronów i innych cząstek elementarnych (Georg Uhlenbeck i Samuel Goudsmit, 1925); odkryto, że jądra atomowe mają złożoną strukturę - zbudowane są z dodatnio naładowanych protonów (Rutherford i James Chadwick) [74], których liczba determinuje rodzaj pierwiastka i tym samym jego miejsce w układzie okresowym, oraz obojętnych elektrycznie neutronów³¹ (Chadwick, 1932) [76]. Dziś przyjmuje się, że również protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych obiektów - kwarków³² (Murray Gell-Mann, 1964). Atomy nie są więc obiektami prostymi, lecz układami złożonymi czyli systemami.

Atomy nie są również obiektami absolutnie niezmiennymi i trwałymi, lecz jedynie układami względnie niezmiennymi i względnie trwałymi. Z uwagi na skwantowanie poziomów energetycznych elektronów, atomy są relatywnie niezmienne w tym sensie, że kwant energii o wartości mniejszej niż różnica poziomów energetycznych, charakterystyczna dla atomu danego rodzaju, nie powoduje zmiany polegającej na wzbudzeniu atomu. Niektóre atomy (ściślej nuklidy, czyli jądra atomowe o określonych wartościach liczby atomowej i masowej) są względnie trwałe w tym znaczeniu, że bez ingerencji czynników zewnętrznych (jak na przykład bombardowanie neutronami) mogą trwać dowolnie długi czas. Niektóre nuklidy jednak podlegają spontanicznemu rozpadowi promieniotwórczemu, a naturalne i sztuczne przemiany promieniotwórcze prowadzą do wzajemnych przekształceń atomów (szeregi promieniotwórcze).

Atomy nie są również niepodzielne. Do jonizacji atomu wystarczy niewielka energia - rzędu kilku eV (elektronowoltów), ale można dokonać rozszczepienia jądra atomowego³³, w rezultacie czego wyzwala się olbrzymia energia. Możliwa jest nawet sztuczna przemiana atomów jednych pierwiastków w inne i produkcja takich, które nie występują w stanie naturalnym w przyrodzie³⁴.

Atomy nie są również obiektami wiecznymi - powstały w trakcie ewolucji Wszechświata, gdy w rezultacie ekspansji ciśnienie i temperatura spadły do odpowiednio niskich wartości, umożliwiających powstanie w przestrzeni kosmicznej atomów wodoru i helu. Atomy cięższych pierwiastków powstały w gwiazdach, dzięki zachodzącym w nich procesom nukleosyntezy.

7 Filozoficzne pojęcie atomu a cząstki fundamentalne

Ponieważ wiadomo, że obiekty, które niegdyś fizycy i chemicy nazwali ,,atomami" okazały się w rzeczywistości układami złożonymi, podzielnymi, dającymi się w siebie przekształcać i zniszczalnymi, powstaje naturalnie pytanie, czy odpowiednimi kandydatami na atomy filozofów czyli ostateczne składniki materii są podstawowe składniki atomów, to znaczy cząstki elementarne.

Z jednej strony, na powyższe pytanie można odpowiedzieć twierdząco, ponieważ według modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych najprostszymi składnikami materii są kwarki i leptony³⁵, które nazywane są cząstkami fundamentalnymi (właściwie wszystkie otaczające nas rzeczy zbudowane są ostatecznie z kwarków górnego i dolnego oraz z elektronów). W takiej sytuacji zagadnienie istnienia podstawowych składników materii należałoby po prostu przesunąć poziom niżej w hierarchii struktur fizycznych - z atomów na cząstki elementarne³⁶. Wówczas na prastare pytanie greckich filozofów przyrody ,,co było na początku?" moglibyśmy odpowiedzieć następująco: ,,na początku" (tj. w najwcześniejszym stadium ewolucji Wszechświata dostępnym dla współczesnych badań naukowych) materia składała się z cząstek fundamentalnych (kwarków i leptonów), z których następnie powstały atomy, z nich cząsteczki związków chemicznych, aż wreszcie - w procesie ewolucji - coraz bardziej złożone struktury, aż po istoty obdarzone inteligencją, zdolne zadawać pytania o początek świata i jego fundamentalne składniki.

Z drugiej jednak strony, zagadnienie istnienia i natury elementarnych składników bardzo się komplikuje, gdy teorie fizyki współczesnej porównamy nie tylko z wyobrażeniami dawnych filozofów przyrody ale również z poglądowym obrazem świata atomizmu klasycznego.

Przede wszystkim model standardowy fizyki cząstek elementarnych, pomimo wielu sukcesów, jest współcześnie dość fragmentaryczny i daleki od dojrzałości. Podstawową wadą modelu standardowego jest to, że nie uwzględnia on oddziaływania grawitacyjnego, a powszechnie używany formalizm grupy SU(3) nie daje kompletnego i spójnego opisu procesów fundamentalnych, dlatego formułuje się odmienne koncepcje, takie jak teoria wielkiej unifikacji i teoria strun [78]. Ponadto, jeżeli już nawet pominiemy setki nietrwałych cząstek elementarnych, lub cząstki takie jak protony i neutrony, o których wiemy, że złożone są z kwarków, a zatem nie są obiektami elementarnymi, i skupimy uwagę na cząstkach fundamentalnych, to okazuje się, że nie wykazują one większości cech, które przypisywano atomom w sensie filozoficznym.

W filozoficznym pojęciu atomu zakładano, że ostateczne składniki materii istnieją odwiecznie. Tymczasem według pojęć współczesnej fizyki cząstki fundamentalne nie są odwieczne, ponieważ nasz Wszechświat miał początek w czasie - około 13.7 miliarda lat temu powstał w gorącym Wielkim Wybuchu. We wczesnym etapie ewolucji, zwanym erą Plancka³⁷, panowały takekstremalne warunki fizyczne, że materia w znanej nam postaci (ani atomy, ani nawet cząstki elementarne) nie mogły wówczas istnieć. Badanie najwcześniejszych etapów ewolucji Wszechświata wymaga oczywiście połączenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności Einsteina, czyli stworzenia kwantowej teorii grawitacji. Problem w tym, że mechanika kwantowa nie opisuje grawitacji, natomiast ogólna teoria względności całkowicie pomija efekty kwantowe, co utrudnia sformułowanie spójnego obrazu podstawowych składników materii.

Cząstki fundamentalne nie są również absolutnie trwałe. Wprawdzie elektron jest cząstką trwałą w tym sensie, że nie ulega spontanicznemu rozpadowi, ale w rezultacie zderzenia z antycząstką (pozytonem) następuje anihilacja - cząstki te przestają istnieć, a powstają kwanty promieniowania elektromagnetycznego (fotony):

e⁺ + e^- → 2 g.

(2)

Procesy anihilacji dotyczą również na przykład par kwark - antykwark.

W pobliżu jądra atomowego możliwy jest także proces odwrotny do anihilacji, kreacja par cząstka - antycząstka z wysokoenergetycznego fotonu:

g → e⁺ + e^-.

(3)

Elektrony (i pozostałe leptony) powstają również w innych procesach, jak na przykład w rozpadzie neutronu na proton elektron i antyneutrino elektronowe:

n⁰ → p⁺ + e^- + n^-.

(4)

Powstające w tym rozpadzie cząstki nie są jednak składnikami neutronu w takim sensie, jak elektrony, protony i neutrony są składnikami atomów. Procesy te polegają raczej na przekształcaniu się jednych cząstek elementarnych w inne. Jednak w filozoficznym pojęciu atomu przyjmowano, że żaden atom (cząstka elementarna) nie może ani powstać, ani przestać istnieć, ani też przekształcić się w żaden inny atom, a ponadto, że schodząc w dół w hierarchii struktury materii, dochodzimy do składników coraz trwalszych, aż do absolutnie trwałych. Fizyka cząstek elementarnych nie potwierdza jednak tego założenia. Nafundamentalnym poziomie struktury materii nie znajdujemy absolutnie trwałych składników, lecz obiekty, które mogą się w siebie wzajemnie przekształcać.

Cząstki fundamentalne, takie jak elektron, uważa się, podobnie jak atomy filozofów za obiekty niepodzielne, ponieważ nigdy dotąd nie zaobserwowano na przykład części elektronu, lecz zawsze całą cząstkę o określonej masie i ładunku. Jednak zgodnie z kwantową teorią pola, każda cząstka kwantowa otoczona jest chmurą cząstek wirtualnych i nie istnieje bez swego wirtualnego otoczenia³⁸. Mechanizmy kreacji i absorpcji cząstek wirtualnych sprawiają, że w pewnym sensie cząstka elementarna ,,składa się" z tejże cząstki i swego wirtualnego otoczenia³⁹. Jest to niewątpliwie daleka od poglądowych wyobrażeń odpowiedź na pytanie o naturę elementarnych składników materii.

Cząstkom kwantowym nie możemy ponadto przypisywać ,,prostego umiejscowienia w przestrzeni" [80]. Zgodnie z mechaniką kwantową, jeżeli wykonamy pomiar położenia elektronu i znajdziemy go w pewnym miejscu, to nie możemy stąd wnosić, że elektron znajdował się w tym miejscu również przed wykonaniem pomiaru i niezależnie od niego. Zasada nieoznaczoności Heisenberga dla pędu i położenia skutecznie uniemożliwiają również przypisanie cząstkom kwantowym ściśle określonych trajektorii w przestrzeni.

Wiadomo też, że mikroobiekty wykazują niezwykle osobliwe (z punktu widzenia fizyki klasycznej) zachowanie polegające na tym, że w pewnych warunkach można je opisać tak, jakby to były klasycznie rozumiane cząstki, w innych zaś tak jakby to były klasycznie rozumiane fale. Zjawisko to, zwane dualizmem korpuskularno-falowym, od czasów powstania mechaniki kwantowej budzi kontrowersje interpretacyjne: w jakim bowiem sensie cząstka (obiekt zindywidualizowany, zlokalizowany w niewielkim obszarze czasoprzestrzeni) może przejawiać własności falowe, czego typowym przykładem jest interferencja⁴⁰ Na gruncie najpowszechniej przyjmowanej kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej Bohra i Heisenberga, odpowiedź na to pytanie zawiera sformułowana przez Bohra zasada komplementarności. 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 obserwowanych zjawisk, co powoduje wzajemne wykluczanie się informacji potrzebnych do opisu całości zjawiska. Dwa klasycznie wykluczające się opisy zjawiska fizycznego są komplementarne, jeżeli dla poznania całości potrzebne są obydwa, ale znajomość jednego aspektu wyklucza znajomość drugiego. Komplementarne opisy uzupełniają się i wyczerpują wszelką możliwą wiedzę o układzie. Oznacza to, że opis falowy i korpuskularny zdają sprawę z równie ważnych aspektów zjawisk atomowych i nie ma między nimi sprzeczności, gdyż zastosowanie mechanicznych pojęć korpuskuły i fali odnosi się do wzajemnie wykluczających się układów doświadczalnych [82]. 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 [83]. Jednak opis mikroobiektów jako korpuskuł albo jako fal nigdy nie jest w pełni adekwatny - podaje jedynie jeden z komplementarnych aspektów zjawiska. Z takiego stanowiska wynika jednak, że mikroświat na zawsze pozostanie dla nas niewyobrażalny, ponieważ z komplementarnych aspektów zjawisk atomowych nie możemy utworzyć modelu samoistnej realności fizycznej.

W pewnych przypadkach cząstki kwantowe nie są niezależnie od siebie istniejącymi obiektami nawet wówczas, gdy są odseparowane przestrzennie. Wniosek ten wynika z eksperymentu (początkowo jedynie myślowego) Einsteina, Podolskiego i Rosena⁴¹ [85] (EPR), a ściślej - z empirycznej falsyfikacji nierówności Bella [87] w doświadczeniach Aspecta [88]. Eksperymenty Aspecta prowadzą do wniosku, że cząstki, które kiedyś oddziaływały ze sobą, pozostają w jakiś sposób częściami jednego systemu nawet wówczas, gdy obecniedzieli je znaczna odległość przestrzenna i wobec tego trudno traktować je jako całkowicie od siebie niezależne realności fizyczne. Nielokalność (nonseparability) mechaniki kwantowej ukazuje holistyczne aspekty tej teorii, które są zdecydowanie niezgodne z podstawowymi założeniami atomizmu.

Trudno również traktować cząstki kwantowe jako indywidua, do których można by stosować wyrażenia ,,ta oto" w odróżnieniu od ,,tamtej". Zgodnie z mechaniką kwantową, wszystkie cząstki elementarne danego typu (,,cząstki identyczne") nie różnią się od siebie żadną wewnętrzną cechą i - zgodnie ze statystykami kwantowymi Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca - są nierozróżnialne⁴². Przykładem może być pierwsza ,,orbita" w atomie, na której mogą znajdować się co najwyżej dwa elektrony: wiadomo, że muszą one mieć skierowane przeciwnie spiny, ale ,,nie istnieje eksperymentalna metoda, pozwalająca stwierdzić, że ten elektron ma spin w górę, a tamten ma spin w dół" [90].

Dodajmy na zakończenie, że pojęcie kwantowej próżni współczesnej fizyki jest również bardzo odległe zarówno od starożytnego pojęcia nie-bytu, jak i od nowożytnego pojęcia przestrzeni absolutnej. Nie jest ona po prostu pustą przestrzenią o czysto geometrycznych właściwościach, ale ośrodkiem dynamicznym, w którym - dzięki kwantowej nieoznaczoności energii i czasu - zachodzą nieustanne procesy kreacji i anihilacji par cząstek wirtualnych. Znanym dowodem realności fluktuacji kwantowych próżni jest efekt Casimira⁴³.

8 Podsumowanie

Starożytni atomiści zaproponowali niezwykle doniosłe rozwiązanie zagadnienia początku Wszechświata - twierdzili mianowicie, że początkiem wszechrzeczy są atomy i próżnia. Rozwój fizyki w XX wieku przyniósł tak spektakularne potwierdzenie tezy o atomowej strukturze materii - od bomby atomowej po możliwość manipulowania pojedynczymi atomami - że w istnienie atomów i cząstek elementarnych trudno dziś wątpić. W tym sensie redukcjonistyczny paradygmat badawczy filozofii atomizmu okazał się niezwykle owocny i bliższy nauce współczesnej niż jakikolwiek inny system filozofii przyrody.

Analiza historyczna pokazuje jednak, że samo pojęcie atomu (elementarnego składnika materii) ulegało w historii filozofii i historii nauki wielu istotnym zmianom. Od Demokryta aż do początków XIX wieku atomy pojmowano jako ostateczne składniki materii (obiekty absolutnie niepodzielne, wieczne i niezmienne) i przypisywano im pewne atrybuty (jak nieprzenikliwość, kształt, wielkość czy ciężar) na podstawie analogii z przedmiotami makroskopowymi. W tym okresie atomizm nie był jednak jeszcze teorią naukową, lecz koncepcją należącą do spekulatywnej filozofii przyrody. Od czasów Daltona atomizm uzyskał status teorii empirycznej (najpierw w chemii, potem w fizyce - kinetyczno-molekularna teoria materii), a własności przypisywane atomom określane są na podstawie laboratoryjnej praktyki badawczej. Odkrycie elektronu (Thomsom) doprowadziło do wniosku, że atomy nie są obiektami elementarnymi. Modele atomów jako układów złożonych (Thomson, Rutherford) formułowane na podstawie fizyki klasycznej doprowadziły nieoczekiwanie do ukazania granic stosowalności tej teorii i poglądowych modeli elementarnych składników materii. Przezwyciężeniem tych trudności była teoria kwantów (Bohr), z której rozwinęła się mechanika kwantowa (Heisenberg, Schrödinger i in.), stanowiąca współcześnie podstawową teorię mikroświata. Według mechaniki kwantowej atom jest układem złożonym z elektronów i jądra atomowego, składającego się z protonów i neutronów, które same złożone są z kwarków. Kwantowomechaniczny model atomu wymyka się jednak całkowicie poglądowym wyobrażeniom, a wszelkie wyobrażenia na temat atomów ukształtowane na podstawie analogii z przedmiotami naszego codziennego doświadczenia okazują się chybione.

Według modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych najprostszymi składnikami materii są kwarki i leptony (zwane cząstkami fundamentalnymi). To właśnie pojęcie cząstek fundamentalnych współczesnej fizyki wydaje się najbliższe intuicjom zawartym w filozoficznym pojęciu atomu. Jednak według pojęć fizyki współczesnej, a wbrew przekonaniom atomistów różnych epok, okazuje się, że na poziomie elementarnych składników materii nie znajdujemy absolutnie trwałych, substancjalnych, niezmiennych, zindywidualizowanych, dobrze zlokalizowanych przestrzennie i całkowicie niezależnie od siebie istniejących elementów. Ponadto ich własności i dynamika całkowicie wykraczają poza naszą wyobraźnię (a nawet zwykłą logikę) i mogą być opisane jedynie w kategoriach abstrakcyjnego formalizmu matematycznego. Sukcesy w poznaniu świata atomów i cząstek elementarnych przyszło więc przypłacić całkowitym zerwaniem z poglądowymi wyobrażeniami na temat elementarnych składników materii.

Literatura

[1]: R. P. Feynman, R. B. Leighton, i M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, 1, część 1, tłum. R. Gajewski, Z. Królikowska, M. Grynberg, T. Buttler (PWN, Warszawa 1974), str. 21.
[2]: Arystoteles, ,,Metafizyka", tłum. K. Leśniak, [w:] Arystoteles. Dzieła wszystkie [3].
[3]: Arystoteles, Dzieła wszystkie, tom 2 (PWN, Warszawa 1990).
[4]: M. Jammer, Concepts of Space. The History of Theories of Space in Physics (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts 1957), str. 7.
[5]: A. Krokiewicz, Zarys filozofii greckiej. Od Talesa do Platona (PWN, Warszawa 1975), str. 176.
[6]: A. Krokiewicz, Etyka Demokryta i hedonizm Arystypa (Instytut Wydawniczy Pax, Warszawa 1960), str. 8.
[7]: J. Burnet, Greek Philosophy. Tales to Plato (Macmillan, London 1960), str. 67.
[8]: Lukrecjusz, O rzeczywistości. Ksiąg sześć, I, tłum. A. Krokiewicz (De Agostini Polska, Warszawa 2003), str. 146-158.
[9]: H. Diels, Die Fragmente der Vorsokratiker. Griechisch und Deutschich, B 7 (Weidmennsche Buchhandlung, Berlin 1903). Za polskim tłumaczeniem: J. Legowicz (red.) Filozofia starożytna Grecji i Rzymu, tłum. B. Kupis, (PWN, Warszawa 1970).
[10]: Arystoteles, ,,O powstawaniu i niszczeniu", tłum. L. Regner, [w:] Arystoteles. Dzieła wszystkie [3].
[11]: H. J. Johnson, ,,Three Ancient Meanings of Matter: Democritus, Plato, and Aristotle", Journal of the History of Ideas 28, 7 (1967).
[12]: D. Sedley, ,,Two Conceptions of Vacuum", Phronesis 27, 175 (1982).
[13]: M. Jammer, Concepts of Space. The History of Theories of Space in Physics (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts 1957), str. 11.
[14]: C. Bailey, The Greek Atomists and Epicurus (Russell & Russell Inc., New York 1964), str. 75ff.
[15]: Sekstus Empiryk, ,,Adversus mathematicos", [w:] W. F. Asmus, Demokryt. Wybór... [16], VII 135; FVS 68 B 9.
[16]: W. F. Asmus, Demokryt. Wybór fragmentów Demokryta i świadectw starożytnych o Demokrycie, tłum. B. Kupis (Książka i Wiedza, 1961).
[17]: Arystoteles, ,,O niebie", tłum. P. Siwek, [w:] Arystoteles, Dzieła wszystkie [3].
[18]: Diogenes Laertios, Żywoty i poglądy słynnych filozofów, tłum. I. Krońska, K. Leśniak i W. Olszewski (PWN, Warszawa 1984).
[19]: Arystoteles, ,,Fizyka", tłum. K. Leśniak, [w:] Arystoteles, Dzieła wszystkie [3].
[20]: Hipolit, ,,Refutationes I", 13, 2-4; FVS 68 A 40, [w:] Demokryt, Wybór... [16], 118.
[21]: A. Krokiewicz, Nauka Epikura (Aletheia, Warszawa 2000), str. 216.
[22]: C. Bailey, The Greek Atomists and Epicurus (Russell & Russell Inc., New York 1964), str. 287.
[23]: Epikur, ,,List do Herodota", tłum. I. Krońska, K. Leśniak i W. Olszewski, [w:] Diogenes Laertios, Żywoty... [18].
[24]: M. Jammer, Concept of Mass in Classical and Modern Physics (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts 1961), str. 26.
[25]: M. Jammer, Concepts of Space. The History of Theories of Space in Physics (Harvard University Press,, Cambridge, Massachusetts 1957), str. 11.
[26]: Platon, Timajos. Kritas albo Atlantyk, 61c, tłum. P. Siwek (PWN, Warszawa 1986).
[27]: K. R. Popper, ,,Natura problemów filozoficznych i ich korzenie w nauce", [w:] Droga do wiedzy. Domysły i refutacje, tłum. S. Amsterdamski (PWN, Warszawa 1999), str. 158-159.
[28]: K. R. Popper, Społeczeństwo otwarte i jego wrogowie, tom 1: ,,Urok Platona", tłum. H. Krahelska, oprac. A. Chmielewski (Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993), str. 272-278 i 342-343.
[29]: J. Świderek, Rozważania matematyczne w pismach Platona (Wydawnictwo UMCS, Lublin 2002), str. 51ff.
[30]: W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, tłum. S. Amsterdamski (Książka i Wiedza, Warszawa 1965), str. 56-57.
[31]: C. F. von Weizsäcker, ,,Filozofia grecka i fizyka współczesna", tłum. M. Heller, [w:] M. Heller, A. Michalik, i J. Życiński (red.), Filozofować w kontekście nauki (Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków 1987), str. 147-148.
[32]: C. F. von Weizsäcker, Jedność przyrody, tłum. K. Napiórkowski, J. Prokopiuk, H. Tomasik, K. Wolicki (PIW, Warszawa 1978), str. 433-510.
[33]: C. F. von Weizsäcker, ,,Platońska koncepcja prawdy w dziejach przyrodoznawstwa", tłum. M. Łukasiewicz, Literatura na Świecie (rocznik 1981, nr 3), 156ff (1981).
[34]: S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, tłum. P. Amsterdamski (Zysk i S-ka, Warszawa 1994), str. 13.
[35]: R. Penrose, Makroświat, mikroświat i umysł ludzki, tłum. P. Amsterdamski (Prószyński i S-k, Warszawa 1997), str. 18-19.
[36]: R. Penrose, Droga do rzeczywistości. Wyczerpujący przewodnik po prawach rządzących Wszechświatem, tłum. J. Przystawa (Prószyński i S-ka, Warszawa), str. 17ff.
[37]: M. Heller, ,,Ewolucja pojęcia masy", [w:] M. Heller, A. Michalik, i J. Życiński (red.), Filozofować w kontekście nauki (Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków 1987), str. 162-163.
[38]: M. Heller, Filozofia i wszechświat. Wybór pism (Universitas, Kraków 2006).
[39]: A. Łukasik, Filozofia atomizmu. Atomistyczny model świata w filozofii przyrody, fizyce klasycznej i współczesnej a problem elementarności (Wyd. UMCS, Lublin 2006), str. 108-115.
[40]: R. M. Hutchins (red), Great Books of The Western World, tom 34, tłum. A. Motte (Encyclopaedia Britannica Inc., Chicago - London - Toronto 1952).
[41]: I. Newton, ,,Mathematical Principles of Natural Philosophy", [w:] Great Books... [40], str. 270.
[42]: I. Newton, ,,Optics", [w:] Great Books... [40], str. 541.
[43]: G. W. Leibniz, Wyznanie wiary filozofa. Rozprawa metafizyczna. Monadologia. Zasady natury i łaski oraz inne pisma filozoficzne, tłum. S. Cichowicz, J. Domański, H. Krzeczkowski, i H. Moese (PWN, Warszawa 1969).
[44]: G. W. Leibniz, ,,Prawdy pierwotne metafizyki", tłum. J. Domański, [w:] Wyznanie... [43], str. 92.
[45]: G. W. Leibniz, ,,Polemika z Clarkiem. Czwarte pismo Leibniza", [w:] Wyznanie... [43], str. 347.
[46]: G. W. Leibniz, ,,Zasady filozofii, czyli monadologia", [w:] Wyznanie... [43], str. 312.
[47]: R. Bregman, ,,Leibniz and Atomism", Nature and System (rocznik 1984, nr. 6), 237-248 i 242 (1984).
[48]: G. W. Leibniz, ,,Zasady filozofii, czyli monadologia", [w:] Wyznanie... [43], str. 297.
[49]: L. L. Whyte, ,,Boscovich's Atomism", [w:] L. L. Whyte (red.), Roger Joseph Boscovich. Studies on His Life and Work on the 250th Anniversary of His Birth (George Allen & Unwin Ltd., London 1961), str. 117.
[50]: R. J. Boscovich, A Theory of Natural Philosophy, transl. by J. M. Child (Open Court Publishing, Chicago - London 1922). Tekst dostępny w internecie pod adresem: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Boscovich-1763.html.
[51]: Struktura materii. Poradnik encyklopedyczny, tłum. zbiorowe (PWN, Warszawa 1980), str. 11.
[52]: W. H. Brock i D. M. Knight, ,,The Atomic Debates", [w:] W. H. Brock (red.), The Atomic Debates. Brodie and the Rejection of the Atomic Theory (Leicester University Press, Leicester 1967), str. 5.
[53]: J. Dalton, New System of Chemical Philosophy (W. Dawson, London 1953). Faksymile edycji z roku 1808. Dostępne w internecie pod adresem: http://web.lemoyne.edu/~giunta/dalton.html.
[54]: J. Dalton, ,,On the Constitution of Bodies", [w:] New System..., cz. 1, rozdz. 2 [53].
[55]: G. Holton i S. G. Brush, Introduction to Concepts and Theories in Physical Science (Addison-Wesley Publishing Company, 1973), str. 313-320.
[56]: J. Dalton, ,,On Chemical Synthesis", [w:] New System..., cz. 1, rozdz. 3 [53].
[57]: M. von Laue, Historia fizyki, tłum. A. Teske (PWN, Warszawa 1957), str. 154.
[58]: R. Mierzecki, Historyczny rozwój pojęć chemicznych (PWN, Warszawa 1987), str. 135.
[59]: L. N. Cooper, Istota i struktura fizyki, tłum. J. Kozubowski, Z. Majewski, A. Pindor, J. Prochorow (PWN, Warszawa 1975), str. 375.
[60]: L. Boltzmann, ,,On Certain Questions of the Theory of Gases", Nature 51, 413-415 (1895). Reprinted in [61].
[61]: B. McGuiness (red.), Ludwig Boltzmann. Theoretical Physics and Philosophical Problems. Selected Writings, transl. by P. Foulkes (D. Reidel Publishing Company, 1974), str. 204-205.
[62]: A. Teske, Marian Smoluchowski. Życie i twórczość (PWN, Warszawa 1955), str. 164-165.
[63]: R. Brown, ,,A Brief Account of Microscopical Observations Made in Months of June, July and August, 1827, on the Particles Contained in the Pollen of Plants; and of the General Existence of Active Molecules in Organic and Inorganic Bodies", [w:] W. F. Magie (red.), A Source Book in Physics (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts 1965), str. 151.
[64]: M. von Laue, Historia fizyki, str. 158.
[65]: D. M. Dallas, ,,The Chemical Calculus of Sir Benjamin Brodie", [w:] W. H. Brock (red.), The Atomic Debates. Brodie and the Rejection of the Atomic Theory (Leicester University Press, Leicester 1967), str. 31-90.
[66]: A. K. Wróblewski, Historia fizyki od czasów najdawniejszych do współczesności (Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006), str. 443-446.
[67]: G. Holton i S. G. Brush, Introduction to Concepts and Theories in Physical Science (Addison-Wesley Publishing Company, 1973), str. 458.
[68]: A. K. Wróblewski, Historia fizyki od czasów najdawniejszych do współczesności (Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006), str. 443.
[69]: E. Rutherford, ,,The Scattering of a and b Particles by Matter and the Structure of the Atom", Philosophical Magazine 21, 669-688 (1911). Artykuł dostępny w internecie, http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Rutherford-1911/Rutherford-1911.html.
[70]: E. Rutherford, The Development of The Theory of Atomic Structure, cyt. za: Holton i Brush [67], str. 459.
[71]: N. Bohr, ,,On the Constitution of Atoms and Molecules", Philosophical Magazine 26, 1-25 (1913). Artykuł dostępny w internecie, http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html.
[72]: http://www.marefa.org/books/images/thumb/c/cf/HAtomOrbitals.png/120px-HAtomOrbitals.png.
[73]: A. K. Wróblewski, Historia fizyki od czasów najdawniejszych do współczesności (Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006), str. 485-489.
[74]: E. Rutherford, ,,Nuclear Constitution of Atoms", Proceedings Royal Society A 97, 374 (1920). Faksymile: [75].
[75]: S. Wright (red.), Classical Scientific Papers: Physics (American Elsevier, New York 1965).
[76]: J. Chadwick, ,,Possible Existence of a Neutron", Nature (rocznik 1932, 27 lutego), 312 (1932). Artykuł dostępny w internecie, http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Chadwick-neutron-letter.html.
[77]: M. GellMann, ,,A Schematic Model of Baryons and Mesons", Physics Letters 8, 214-215 (1964).
[78]: M. Tempczyk, ,,Stabilność fizycznego obrazu świata", [w:] A. Łukasik i M. Kuszyk-Bytniewsk (red.), Filozofia przyrody współcześnie (Universitas, Kraków). W przygotowaniu.
[79]: M. Święcicki, ,,Struktura cząstek elementarnych", [w:] Encyklopedia fizyki współczesnej (PWN, Warszawa 1983), str. 98.
[80]: A. N. Whitehead, Nauka i świat nowożytny, tłum. M. Kozłowski, M. Pieńkowski OP (Znak, Kraków 1987), str. 79.
[81]: A. Zeilinger, ,,Why The quantum? ,It' from ,Bit'? A Participatory Universe? The Farreaching Challenges from John Archibald Wheeler and their Relation to Experiment", [w:] J. D. Barrow, P. C. Davies, i C. L. Harper, Jr. (red.), Science and Ultimate Reality. Quantum Theory, Cosmology, and Complexity (Cambridge University Press, Cambridge 2004), str. 211-213.
[82]: N. Bohr, Fizyka atomowa a wiedza ludzka, tłum. W. Staszewski, S. Szpikowski, A. Teske (PWN, Warszawa 1963), str. 15.
[83]: W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, tłum. S. Amsterdamski (Książka i Wiedza, Warszawa 1965), str. 26.
[84]: A. Einstein, ,,Mechanika kwantowa a rzeczywistość", [w:] S. Butryn (red.), Albert Einstein. Pisma filozoficzne, tłum. K. Napiórkowski (Wydawnictwo IFiS PAN, Warszawa 1999), str. 163.
[85]: A. Einstein, B. Podolsky, i N. Rosen, ,,Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality by Considered Complete?", Physical Review 47, 777-780 (1935). Tłumaczenie polskie: [86].
[86]: A. Einstein, B. Podolsky, i N. Rosen, ,,Czy opis kwantowomechaniczny rzeczywistości fizycznej można uznać za zupełny?", [w:] S. Butryn (red.), Albert Einstein. Pisma filozoficzne, tłum. K. Napiórkowski (Wydawnictwo IFiS PAN, Warszawa 1999), str. 117-123.
[87]: J. S. Bell, ,,On the Einstein Podolsky Rosen Paradox", Physics 1, 195-200 (1964). Artykuł dostępny w internecie, http://www.drchinese.com/David/Bell_Compact.pdf.
[88]: A. Aspect, J. Dalibard, i G. Roger, ,,Experimental Test of Bell's Inequalities Using Time Varying Analyzers", Physical Review Letters 49, 1804-1807 (1982).
[89]: A. Łukasik, Filozofia atomizmu. Atomistyczny model świata w filozofii przyrody, fizyce klasycznej i współczesnej a problem elementarności (Wyd. UMCS, Lublin 2006), str. 294ff.
[90]: M. Redhead i P. Teller, ,,Particles. Particle Labels, and Quanta: The Toll of Unacknowledged Metaphysics", Foundation of Physics 21, 204 (1991).

Przypisy:

¹ Zakład Ontologii i Teorii Poznania, Instytut Filozofii, Wydział Filozofii i Socjologii, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie; adres elektroniczny: Ten adres email jest ukrywany przed spamerami, włącz obsługę JavaScript w przeglądarce, by go zobaczyć

²Parmenides nie przeczył wprawdzie temu, że w świecie zjawisk jest wielość rzeczy, powstawanie i ginięcie, zmiany ilościowe i jakościowe czy wreszcie ruch przestrzenny, ale utrzymywał, że zmienny świat zjawisk nie może być przedmiotem prawdziwego poznania, lecz co najwyżej przedmiotem mniemania, ponieważ prawdziwą wiedzę można zdobyć nie na podstawie doświadczenia zmysłowego, lecz jedynie metodą dedukcyjnego rozumowania (por. A. Krokiewicz [6]). Przeciwstawienie niedoskonałego poznania zmysłowego czysto intelektualnemu pojmowaniu bytu było niewątpliwie związane z osiągnięciami pitagorejczyków ukazującymi potęgę abstrakcyjnego myślenia (por. J. Burnet [7])

³U Lukrecjusza czytamy: ,,Rzecz zaczniemy wywodzić z tego założenia, że nigdy nic nie powstaje z niczego przez boskie zrządzenie" [8].

⁴Melissos twierdził, że ,,nic nie jest próżne. Próżnia jest nicością, a to, co jest nicością, nie istnieje. [To, co istnieje] nie porusza się także, nie ma bowiem gdzie się przesunąć, ale jest pełne. Gdyby istniała próżnia, mogłoby przesunąć się w próżnię. Ponieważ próżnia nie istnieje, nie ma się gdzie przesunąć [9,str. 88].

⁵Dzieje się to za sprawą dwóch ,,sił", zwanych miłością i waśnią, czyli, we współczesnej terminologii, sił przyciągania i siły odpychania.

⁶Por. C. Bailey [14]. Arystoteles pisał, że według Leukipposa i Demokryta ,,[...] elementami są pełnia i próżnia (tó plhreV kaί tó kenón), 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 to były materialne przyczyny rzeczy" [3,I: 985b].

⁷Arystoteles pisze: ,,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" [3,I: 985b].

⁸Według słów Arystotelesa, ,,[...] Demokryt chciał wykazać, iż niemożliwe jest, by wszystkie rzeczy miały początek; bo właśnie czas jest niestworzony" [19,VIII: 251b].

⁹Argument Arystotelesa jest następujący: ,,Załóżmy mianowicie, że rzecz bez części zmienia się, przechodząc ze stanu AB do BG - bądź z jednej wielkości w inną, bądź z jednego kształtu w inny, bądź wreszcie z jednego stanu w przeciwny - i niechaj D będzie pierwszą chwilą, w której zachodzi zmiana. Wobec tego w czasie, w którym się dokonuje zmiana, owa rzecz musi być albo w AB, albo w BG, albo częściowo w A, częściowo w B; bo tak, jak widzieliśmy, można zgodnie z prawdą powiedzieć to o wszystkim, co się zmienia. Ale przecież nie może być częściowo w tym, a częściowo w tamtym, bo musiałoby być podzielne. Nie może też być w BG, gdyż to by znaczyło, że proces zmiany został już zakończony, a zakłada się, że zmiana się dokonuje. Pozostaje zatem, że w czasie zmiany [rzecz] znajdowała się w AB. Jeżeli tak, to spoczywała; bo jak widzieliśmy, znajdować się w tym samym stanie przez pewien czas, to tyle, co spoczywać. Tak więc jest niemożliwe, by to, co nie ma części, mogło się poruszać lub zmieniać w jakikolwiek sposób. Pod jednym tylko warunkiem ruch tego, co nie ma części, byłby możliwy, pod tym mianowicie, że czas składałby sięz szeregu teraz" [19,VI: 240b].

¹⁰Koncepcja ta rodzi oczywiście pewien problem, ponieważ Epikur przyjmował, że przestrzeń jest nieskończona: jak zatem rozumieć kierunek ,,w dół" w nieskończonej przestrzeni? Szerzej por. M. Jammer [25].

¹¹Przez ciężar ciała na powierzchni Ziemi rozumiemy obecnie wypadkową dwóch sił - przyciągania ziemskiego i siły odśrodkowej wywołanej obrotem Ziemi. Z uwagi na spłaszczony na biegunach kształt Ziemi, zmniejszanie się wartości siły przyciągania grawitacyjnego wraz ze wzrostem odległości od środka Ziemi, zależność wartości siły odśrodkowej od odległości od osi obrotu czy wreszcie lokalne zmiany pola grawitacyjnego wywołane przez masywy górskie, Słońce i Księżyc, ciężar w rozumieniu współczesnej fizyki jest względny - zależy od położenia geograficznego i wysokości nad poziomem morza. Możemy oczywiście mówić o ciężarze ciał na powierzchni Księżyca czy innych ciał niebieskich i wówczas na ogół ciężar danego ciała różni się od jego wartości na powierzchni Ziemi. Zupełnie inaczej rzecz się przedstawia w fizyce Epikura - ciężar jest tu absolutną własnością ciał (zarówno prostych, jak i złożonych) i nie podlega żadnej relatywizacji. Epikur wprowadził również modyfikacje do deterministycznego systemu Demokryta, przyjmując, że atomy ulegają przypadkowym odchyleniom podczas wiecznego ruchu (parenkliza), lecz pogląd ten dotyczy raczej teorii ruchu, niż samego pojęcia atomu, zatem jego szersze omówienie nie mieści się w ramach niniejszego artykułu.

¹²Zagadnienie, dlaczego Platon wybrał trójkąty o takich kształtach, doczekało się wielu interpretacji, lecz omówienie tej kwestii wykracza poza ramy tego artykułu. Szerzej por. np. Popper [27,28], Świderek [29].

¹³Do czego przyczyniły się zarówno względy naukowe, jak i pozanaukowe - etyczne i religijne [39].

¹⁴Newton bronił również poglądu o istnieniu próżni, co jest równie istotnym, jak teza o dyskretnej budowie materii, składnikiem atomizmu.

¹⁵,,Wszystkie monady są natury duchowej, ale ,,nie ma dusz całkiem oddzielonych ani też duchów pozbawionych ciała. Jeden tylko Bóg jest całkowicie odeń odłączony." G. W. Leibniz [46].

¹⁶Bezwładność w rozumieniu Boškovića nie jest jednak, w przeciwieństwie do teorii Newtona, związana z masą, rozumianą jako absolutna własność elementarnych składników materii.

¹⁷Dla pewnych związków, zwanych bertolidami, zachodzą odstępstwa od powyższego prawa. Związki spełniające prawa stechiometryczne określa się jako daltonidy [51].

¹⁸Dalton porównywał nawet chemię przed sformułowaniem przez niego teorii atomistycznej z astronomią przed sformułowaniem przez Newtona prawa powszechnego ciążenia i twierdził, że bez teorii atomistycznej prawa stosunków stałych i wielokrotnych są równie ,,mistyczne", jak prawa Keplera bez dynamiki Newtona [52].

¹⁹Chociaż wiemy współcześnie, że podział substancji na pierwiastki chemiczne i związki chemiczne nie w każdym przypadku jest jeszcze prawidłowy. Dalton w New System... przedstawił tablicę 37 elementów, wśród których, obok symboli pierwiastków chemicznych we współczesnym rozumieniu, figurują również ,,atomy" wody i innych związków chemicznych.

²⁰Druga zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie izolowanym mogą zachodzić jedynie takie procesy, w których entropia S rośnie (dla procesów nieodwracalnych) lub pozostaje stała (dla procesów odwracalnych): dS/dT > 0 Wzrost entropii w procesach nieodwracalnych 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 braku uporządkowania. Ponieważ entropia wyraża się wzorem S = k_BlnP, gdzie k_B jest stałą Boltzmanna, P jest wyrażeniem proporcjonalnym do prawdopodobieństwa danego stanu, to wzrost entropii oznacza, że wszelkie układy izolowane zdążają do stanów bardziej prawdopodobnych, a zatem mniej uporządkowanych. Druga zasada termodynamiki stwierdza zatem, że w przyrodzie, w układach izolowanych, występujeokreślone ukierunkowanie zdarzeń w czasie - stany późniejsze charakteryzują się większą entropią. Pojęcie entropii wprowadził w 1865 roku Clausius, interpretację statystyczną entropii i II zasady termodynamiki Boltzmann podał w 1877 roku [59].

²¹Jak wykazał Smoluchowski, to, co można zaobserwować przez mikroskop, jest średnim położeniem cząstki, ponieważ zderzenia następują 10²⁰ razy na sekundę, czego oczywiście zaobserwować się nie da [62].

²²Atomizm odrzucali npa przykład Jöns Jakub Berzelius, Friedrich August Kekulé, Benjamin Brodie, Wilhelm Ostwald i Ernst Mach [65].

²³W literaturze anglojęzycznej stosuje się zwykle nazwę ,,plum pudding model".

²⁴Koncepcję te wysunął William Thomson (Lord Kelvin), lecz nie opracował jej ilościowo. O innych, podobnych modelach atomów Philippa Lenrda i Hantaro Nagaoki por. Wróblewski [66].

²⁵Hipotezę, że atomy mogą wyglądać jak miniaturowe układy planetarne wysunął już w 1901 roku Jean Perrin [68].

²⁶Rutherford napisał wiele lat później: ,,Była to z pewnością najbardziej niewiarygodna rzecz, która wydarzyła mi się w życiu. Było to tak samo niewiarygodne, jakby 15-calowy pocisk, który wystrzeliliście w kierunku kawałka bibułki, wrócił i trafił w was" [70].

²⁷Masa jądra wynosi około 99,975% masy atomu.

²⁸W przypadku relatywistycznym jest to równanie Diraca.

²⁹Zasada superpozycji stanów stwierdza, że jeżeli układ kwantowomechaniczny może się znajdować w stanach opisanych przez funkcje falowe Ψ₁, Ψ₂,..., to może się on również znajdować w stanie opisywanym przez dowolną kombinację liniową Ψ = a₁Ψ₁ + a₂Ψ₂ + ..., gdzie a₁, a₂,... oznaczają dowolne liczby zespolone. Zasada superpozycji ma fundamentalne znaczenie w mechanice kwantowej i jest odpowiedzialna za pewne osobliwe cechy mikroświata. Wynika z niej między innymi, że mechanika kwantowa dopuszcza istnienie stanów kwantowych, w których pewne wielkości fizyczne nie mają określonej wartości.

³⁰Iloczyn nieoznaczoności składowej pędu cząstki elementarnej i odpowiadającej jej składowej położenia jest nie mniejszy niż wielkość rzędu stałej Plancka: Δx Δp_x > (^h/_2p)/2, gdzie Δx jest nieoznaczonością x-owej składowej współrzędnej cząstki elementarnej, Δp_x - nieoznaczonością x-owej składowej pędu. Nieoznaczoność Δx i Δp_x oznacza tu pierwiastek ze średniego kwadratu odchylenia od wartości średniej, gdzie wartość średnia rozumiana jest jako wartość oczekiwana.

³¹W skład jąder atomowych mogą wchodzić i inne cząstki, np. hiperony. Wówczas mamy do czynienia z hiperjądrami.

³²Początkowo GellMann traktował kwarki jako obiekty czysto matematyczne [77].

³³Pierwszego rozszczepienia jądra atomowego dokonali Otto Hahn i Lise Meitner w 1939 roku.

³⁴Na przykład, w warunkach laboratoryjnych możliwa jest przemiana rtęci w złoto według schematu: ²⁰⁰₈₀Hg + ¹₁p → ¹⁹⁷₇₉Au + ⁴₂a, lub ¹⁹⁹₈₀Hg + ²₁d → ¹⁹⁷₇₉Au + ⁴₂a.

³⁵Leptony to: elektron (e), neutrino elektronowe (n_e), mion (m), neutrino mionowe (n_m), taon (t) i neutrino taonowe (n_t). Do każdej cząstki istnieje odpowiednia antycząstka. Do cząstek fundamentalnych zalicza się również cząstki przenoszące oddziaływania (bozony cechowania). Są to foton (przenoszący oddziaływania elektromagnetyczne), 8 gluonów (silne oddziaływania jądrowe), oraz bozony przenoszące oddziaływania słabe: W⁺, W^- i Z⁰. Model standardowy przewiduje ponadto istnienie pewnego rodzaju cząstek, nazywanych bozonami Higgsa, nieznalezionych dotychczas eksperymentalnie.

³⁶Eksperymentalne metody fizyki cząstek elementarnych wymagają zastosowania niezwykle skomplikowanych urządzeń, takich jak akceleratory i detektory cząstek elementarnych, zatrudniających niekiedy tysiące pracowników. Z uwagi na wysokie koszty przedsięwzięć budowa akceleratorów wymaga współpracy międzynarodowej wielu państw. W chwili pisania tego artykułu (10.09.2008) uruchomiono największy w historii akcelerator cząstek elementarnych LHC w laboratorium CERN pod Genewą.

³⁷Czas, odległość i gęstość Planka wynoszą odpowiednio: t_P = {(^h/_2p) G/c⁵}^½ @ 5.4·10^-44 s, l_P = {(^h/_2p) G/c³}^½ @ 1.6·10^-35 m, r_P = c⁵/(^h/_2p) G² @ 5.2·10⁹⁶ kg/m³.

³⁸Wynika to z zasady nieoznaczoności dla energii i czasu: ΔE ·Δt > (^h/_2p)/2, gdzie ΔE jest nieoznaczonością energii, a Δt jest nieoznaczonością czasu.

³⁹,,Możemy więc powiedzieć, że fizyczny elektron składa się z prawdopodobieństwem (na jednostkę czasu) bliskim jedności z jednego elektronu bez struktury, z prawdopodobieństwem rzędu (1/137)² z pozbawionych struktury elektronu i fotonu oraz z prawdopodobieństwem rzędu (1/137)⁴ z elektronu i pary elektron-pozyton, itd." [79]. W elektrodynamice kwantowej prawdopodobieństwo emisji cząstki wirtualnej jest proporcjonalne do stałej struktury subtelnej (a_el @ 1/137).

⁴⁰Interferencji ulegają nie tylko fotony czy elektrony: w 1999 roku zaobserwowano interferencję dla cząsteczek fulerenów, złożonych z 60 albo 70 atomów węgla, czyli, biorąc pod uwagę, że same atomy węgla są systemami złożonymi, dla bardzo skomplikowanych układów [81].

⁴¹Einstein twierdził, że teorie fizyczne muszą się wiązać z założeniem, że poszczególne rzeczy istnieją całkowicie niezależnie od siebie o ile ,,leżą w różnych częściach przestrzeni" [84]. W pracy EPR [85] rozważa się układ dwóch cząstek, które uprzednio oddziaływały ze sobą - a zatem są opisane przez wspólną funkcję falową Y, następnie oddaliły się od siebie na znaczną odległość - i pokazuje się, że wykonując pomiar na układzie I, można przewidzieć w sposób pewny stan przestrzennie oddalonego układu II bez jego zakłócania, nawet wówczas, gdy mierzy się wielkości wchodzące w relacje nieoznaczoności, a zatem należy uznać, że wielkości te są realne (co miało dowodzić niekompletności mechaniki kwantowej), chyba że przyjmiemy, iż stan układu II zależy od procesu pomiaru przeprowadzonego na układzie I, co w żaden sposób nie zakłóca stanu układu II. ,,Nie można oczekiwać - twierdzi jednak Einstein - by jakakolwiek rozsądna definicja rzeczywistości na to pozwalała" [86].

⁴²Szczegółowo na temat stosunku zasady identyczności cząstek nierozróżnialnych do sformułowanej przez Leibniza principium identitatis indiscernibilium por. np. [89].

⁴³Polega on na przyciąganiu się dwóch nienaładowanych płytek wykonanych z przewodnika i spowodowany jest różnicą ciśnień oddziałujących na nie cząstek wirtualnych.

File translated from T_EX by T_TH, version 3.81.
On 15 Mar 2009, 01:00.

Fizyka - Astronomia

Biologia - Chemia

Cywilizacja - Technika

Umysł - Zdrowie

Wszelkie prawa zastrzeżone.

Calendar Date

Login Form

Top10

Tech

IT

Cytat Dnia

RSS

Otwarte Referarium Filozoficzne 2, 15 (2009)

Andrzej Łukasik1

Spis treści

1 Wstęp

2 Atom w starożytnej filozofii przyrody

2.1 Prototypy pojęcia atomu

2.2 Atomy Leukipposa i Demokryta

2.3 Atomy Epikura

2.4 Atomy geometryczne Platona

3 Atom w filozofii mechanicyzmu

3.1 Korpuskuły Newtona

3.2 Monady Leibniza

3.3 Punkty materialne Boškovića

4 Atom w nauce XIX wieku

4.1 Atom chemiczny Daltona

4.2 Atom w kinetycznej teorii gazów

5 Atom w fizyce początków XX wieku

5.1 Model atomu Thomsona

5.2 Model atomu Rutherforda

5.3 Model atomu wodoru Bohra

6 Atom w mechanice kwantowej

7 Filozoficzne pojęcie atomu a cząstki fundamentalne

8 Podsumowanie

Literatura

Przypisy:

Andrzej Łukasik¹