News

Prof. Wiesław Sztumski: Współczesna nauka, dzięki fizyce kwantowej, odrzuciła ściśle deterministyczny obraz świata, oparty na pojęciach pewności, stałości i niezawodności. Mija 150. rocznica urodzin Maxa Plancka i 108 lat od dokonania przez niego epokowego odkrycia kwantowej natury promieniowania. Teoria kwantów zaowocowała wieloma doniosłymi odkryciami i wynalazkami. Wraz z teorią względności Einsteina radykalnie zmieniła sposób myślenia i postrzegania świata. Przyczyniła się nie tylko do postępu fizyki, ale całej nauki. Dlatego słusznie uznaje się ją za rewolucję naukową, porównywalną z kopernikańską. Teoria kwantów wycisnęła też piętno na poglądach filozoficznych XX w. i zrodziła wiele sporów związanych z interpretacją i zasięgiem jej oddziaływania. Głównie chodziło o pojmowanie podstawowych pojęć i praw fizyki kwantowej, wpływ czynnika subiektywnego (obserwatora) na pomiar fizyczny, ingerencję eksperymentatora w obiekt doświadczeń, udział prawdopodobieństwa i przypadku w zjawiskach fizycznych i w przyrodzie w ogóle, a także o kontrowersję między relatywistycznym a kwantowym obrazem świata. Teoria kwantów jest szczególnie wrażliwa na interpretacje filozoficzne (zwłaszcza na płaszczyźnie ontologicznej) i nadinterpretacje światopoglądowe. Dotyczą one struktury świata zmysłowego (np. zagadnienie ciągłości i nieciągłości, relacja części do całości) oraz prawdziwości kwantowego obrazu świata. Nadinterpretacja teorii kwantowej ma swoje źródło w ?dziwnym? sposobie myślenia fizyków, którzy mają skłonność do nadmiernego hipostazowania, przesadnych ekstrapolacji, nieuzasadnionych analogii oraz nieprzestrzegania zasady zgodności kategorii ontologicznych racji i następstwa. Źródła nadinterpretacji teorii kwantowej tkwią w jej genezie. Kontekst odkrycia kwantu 14 grudnia 1900 r. Planck poinformował o swoich próbach obliczenia promieniowania cieplnego. Był tylko jeden problem: obliczenia podane przez niego sprawdzały się tylko dla jednych długości fal, a nie dla innych. Planck, zamiast szukać rozwiązania w matematyce, zaczął go poszukiwać w filozofii. Zastosował znany chwyt: skoro opis nie pasuje do rzeczywistości, to winien temu jest sposób postrzegania jej. Wobec tego trzeba inaczej ją widzieć, interpretować i przedstawiać. Należy zastosować inny ?filtr poznawczy? w postaci nowej aparatury pojęciowo-wyobrażeniowej i wprowadzić nowe pojęcie do języka fizyki tak, aby adekwatnie opisywało rzeczywistość. Ten ?zabieg filozoficzny? Planckowi udał się w pełni. Wiedział on, że przyrodoznawcy niejednokrotnie szukali ratunku w światopoglądzie i filozofii w sytuacji zaistnienia kryzysu w badaniach. Dlatego dokonał stosunkowo prostego zabiegu metodologicznego, który wymagał zerwania z obowiązującym w fizyce klasycznej paradygmatem. Odszedł od ciągłej (falowej) koncepcji struktury materii i zwrócił się ku nieciągłej (atomistycznej). Nawiązał do myśli Demokryta, bezpośrednio zaś skorzystał ze znanej mu hipotezy o dyskretnej strukturze elektryczności H. Helmholtza, który podsunął myśl o atomistycznej strukturze elektryczności i wprowadził pojęcie ?elementarnego ładunku elektryczności?. Wykorzystał też ?teorię elektronową? H. A. Lorentza, który był przekonany o istnieniu ?atomu elektryczności? i nazwał go ?elektronem?. Planck przyjął, że materia składa się właśnie z ?oscylatorów elektronowych?, drgających pod wpływem jakiejś nieznanej siły, proporcjonalnej do odległości od położenia równowagi. W takim razie również przedmioty emitujące promieniowanie (elektromagnetyczne i cieplne) są zbiorami ?oscylatorów elektronowych?. Dzięki temu zdołał poprawnie wyjaśnić istotę promieniowania cieplnego i stworzył kwantową teorię materii: materia ma strukturę atomistyczną, kwantową; składa się z odrębnych i niepodzielnych części (kwantów) o ściśle określonych rozmiarach czasoprzestrzennych. Udało mu się w ten sposób na gruncie fizyki (jak Demokrytowi na gruncie filozofii) znieść sprzeczność między statycznym a dynamicznym obrazem świata. Teorię kwantów można więc postrzegać jako kompromis między idealizacją statyczną i dynamiczną. Polega on na tym, że kwant Plancka, podobnie, jak atom Demokryta, jest bytem niezmiennym, ponieważ nie ma struktury wewnętrznej. Sam zaś jako niepodzielna całość porusza się uczestnicząc w zjawisku promieniowania i konstytuując je. Granicą tego kompromisu są tzw. podwójne zasady nieokreśloności Heisenberga: nie da się określić jednocześnie i jednakowo ściśle dwóch kanonicznie sprzężonych ze sobą wielkości fizycznych, określających stan mikrocząstki (np. położenia i prędkości). Wartością graniczną i zarazem granicą kompromisu jest właśnie stała Plancka ?h?. Zwrot ku atomistyce spowodowany był tym, że niemożliwe było rozwiązanie problemu promieniowania cieplnego na podstawie ówczesnej fizyki teoretycznej, gdzie dominował paradygmat Newtona i Leibniza o absolutnie ciągłej strukturze substancji. Trzeba było go przełamać, ale to wymagało wyjścia poza fizykalny sposób myślenia i widzenia świata i zwrócenie się ku filozofii. Wielokrotnie Planck podkreślał rolę poglądów filozoficznych w twórczości naukowej, pisząc że ?nauki przyrodnicze nie mogą obyć się bez filozofii?. Oficjalnie przyznawał się do tego, że u podstaw swojej działalności badawczej leżało poszukiwanie tego, co niezmienne w nauce i w świecie, co w filozofii nazywa się ?absolutem?, a w fizyce ?inwariantem?. Dlatego sceptycznie odnosił się do absolutnego rozumienia teorii względności i ekstremalnej interpretacji zasady względności. Słusznie twierdził, że względność ma sens tylko w połączeniu z bezwzględnością. Czym jest kwant? Planck, zakładając fikcyjnie istnienie czegoś niepodzielnego, wprowadził pojęcie ?kwant? (quantum - ilość) ze względów czysto formalnych, jako stałą matematyczną. Dlatego początkowo nie uświadamiał sobie ważności swego odkrycia dla fizyki. Później pojęcie to - jako najmniejsza mierzalna porcja energii (? = h?) - uzyskało sens fizyczny, a nawet status ?bytu realnego? (ciała fizycznego). W ten sposób pojęcie kwantu zmieniało się od wielkości matematycznej, do fizycznej, a w końcu zaczęło funkcjonować jako kategoria ontologiczna, oznaczająca coś istniejącego realnie. Kwant jako wielkość fizyczna, za pomocą której opisuje się stan fizyczny, jest składnikiem świata pomyślanego. Natomiast w postaci uprzedmiotowionej jest składnikiem świata zmysłowego. Planck, sugerując się myślą Demokryta, pojmował kwant przedmiotowo, jako cegiełkę świata. Przeniósł go w sposób nieuprawniony z płaszczyzny opisu do realności. Konsekwencją tego jest powszechne dziś przekonanie, jakoby świat składał się z kwantów. Ma to daleko idące skutki światopoglądowe dla kształtowania obrazu świata, stylu myślenia o świecie i sposobu wyjaśniania zjawisk świata. Termin ?kwant działania? wprowadził Planck do języka fizyki, aby mógł sformułować postulat o porcjowaniu energii w warunkach wysokich częstotliwości i niskich temperatur, gdy w wymianie energii między ciałami fizycznymi za pomocą promieniowania faktycznie uczestniczy bardzo duża liczba bardzo małych porcji energii. (Dzięki temu obserwator postrzega te procesy jako ciągłe.) Wprowadzenie nazwy ?kwant? nie oznaczało odkrycia najmniejszej cegiełki świata i nie wniosło niczego nowego do wiedzy o strukturze świata. Miało ono jednak istotne znaczenie dla zrozumienia, że energia i inne wielkości fizyczne nie są nieskończenie podzielne i nie mogą przybierać dowolnie małych wartości liczbowych. Zrewolucjonizowało ono język fizyki, którym później zaczęły posługiwać się inne dyscypliny naukowe. Zainicjowało rewolucję w nauce, określaną jako ?silna?. W odróżnieniu od cząstek elementarnych ?kwant? nie jest ani bytem substancjalnym, jakimś kawałkiem albo cegiełką świata, ani nie oznacza bytu w sensie przedmiotu istniejącego samoistnie. Jest fundamentalnym pojęciem języka fizyki, służącym do opisu zjawisk mikroświata i wyraża najmniejszą możliwą ilość energii. Znaczenie odkrycia Plancka Odkrycie Plancka miało istotne znaczenie bardziej w sferze poznawczej, niż w ontologicznej. Planck nie odkrył przecież żadnego ?elementarnego? składnika świata. Nie rozstrzygnął dylematu ciągłości i nieciągłości materii. Pokazał natomiast, że opis obiektów subatomowych wymaga kwantowania wielkości fizycznych, za pomocą których określa się ich stany fizyczne. Wprowadzenie najmniejszej porcji działania (energii) i innych wielkości fizycznych do opisu zjawisk świata subatomowego spowodowało również konieczność rewizji wyobrażeń o przestrzeni i czasie. Przede wszystkim położyło kres spekulacjom o nieskończonej podzielności czasoprzestrzeni oraz o możliwości redukcji odcinków i chwil do punktów geometrycznych. Trzeba było także kwantować przestrzeń i czas. To ograniczyło pole zastosowania teorii względności. Ponadto okazało się, że nie tylko pomiar ingeruje w stan fizyczny mikrocząstki i zakłóca go, ale nawet zwykła obserwacja wpływa na stan obiektów kwantowo-mechanicznych, ponieważ może wywołać spowolnienie albo przyspieszenie procesów zachodzących w nich. Można powiedzieć, że zbliżyliśmy się jakby do granicy możliwości zmysłowego poznania mikroświata. W świecie cząstek elementarnych rządzą niepodzielnie prawa i rozkłady statystyczne, ponieważ zjawiska lub stany mikrocząstek opisuje się za pomocą funkcji falowej, która jest ściśle związana z prawdopodobieństwem ich lokalizacji (równanie Schrödingera). Odkrycie Plancka zrewolucjonizowało technikę w XX w. Nowoczesna technika, zwłaszcza komputerowa, to przede wszystkim nanotechnika, która rozwija się dzięki postępowi fizyki kwantowej, a więc dzięki odkryciu Plancka. A od ostatniej dekady XX wieku postępuje tzw. druga rewolucja kwantowa związana z rozwojem inżynierii kwantowej. Odkrycie Plancka można porównać z przewrotem kopernikańskim w ewolucji wiedzy, ponieważ spowodowało: * zmianę sposobu widzenia podstawowej struktury świata wskutek postrzegania go przez filtr nieciągłości i prawdopodobieństwa wyników pomiarów, * rozciągnięcie opisu kwantowego na zjawiska mezoskopowe i makroskopowe, na obszar przyrody ożywionej, a nawet na sferę zjawisk społecznych (socjofizyka i ekonofizyka), * uświadomienie sobie istnienia granicy poznania naukowego, zwłaszcza na drodze doświadczalnej, w obszarze cząstek elementarnych i zjawisk subatomowych, * ukształtowanie się nowego stylu myślenia, który odrzucił myśl o absolutnej ścisłości, obiektywności i pewności pomiarów oraz o nieskończonej podzielności świata. Rola fikcji heurystycznej Odkrycie kwantów było możliwe dzięki przekonaniu, że w świecie występuje symetria oddziaływań, równowaga, stałość, zachowawczość i pewność. To wszystko mieściło się w paradygmacie nauki od Platona i Arystotelesa, poprzez Kartezjusza aż do XX w.. Filozofia wymyślała różne absoluty i poszukiwała dla nich uzasadnienia w nauce, która odkrywała wielkości stałe i dawała bezsporne opisy. Fizyka odkrywała deterministyczne zależności i inwarianty: zasady zachowania, niezmienne schematy i struktury oraz stałe uniwersalne. Planck działał w tym paradygmacie nauki, też chciał znaleźć jakiś absolut (uważał to za swoje najważniejsze zadanie) i pogodzić hipotezę kwantów z fizyką klasyczną. Częściowo mu się to udało, gdyż wzbogacił fizykę o jeszcze jedną stałą uniwersalną, o liczbę kwantową ?h?. Tymczasem współczesna nauka, dzięki fizyce kwantowej, odrzuciła ściśle deterministyczny obraz świata, oparty na pojęciach pewności, stałości i niezawodności. Pojęcia te stanowią szczytowy produkt idealizacji rzeczywistości postępującej wraz z matematyzacją nauki i powszechnym posługiwaniem się modelami teoretycznymi. W istocie są produktami wyobraźni, a więc fikcjami. Wtedy, gdy pełnią rolę postulatów, założeń lub drogowskazów w poznaniu naukowym można je zaliczyć do fikcji heurystycznych. Według Louisa de Broglie?a należą do nich pojęcia: ?cząstka?, ?fala?, ?punkt dokładnie zlokalizowany w przestrzeni? oraz ?w pełni określony stan ruchu?. Fikcją heurystyczną był również ?kwant?. Odkrycie Plancka było kamieniem milowym na drodze poszukiwania kolejnych fikcji heurystycznych, bez których dalszy rozwój fizyki byłby niemożliwy. Współczesna fizyka nadal musi postulować istnienie fikcji i posługiwać się fikcyjnymi eksperymentami myślowymi. Trzeba jednak być świadomym tego, że fikcje są tylko środkami poznawczymi, stosowanymi w celu poznania świata i dostarczenia wiedzy werystycznej. Nie są one właściwymi przedmiotami poznania fizyki, tzn. składnikami świata materialnego lub ciałami fizycznymi. Nadinterpretacja odkrycia kwantu Wielkim odkryciom naukowym towarzyszą spekulacje filozoficzne na podłożu pozanaukowym, filozoficznym i religijnym. Prowadzą one często do nadinterpretacji odkryć, ponieważ stanowią ?krzywe zwierciadło nauki?, które tworzy zafałszowany obraz świata. Najbardziej sprzyja temu hipostazowanie lub substancjalizacja składników języka opisu: wielkości fizycznych, modeli teoretycznych oraz reprezentacji matematycznych, czyli przeniesienie ich z płaszczyzny epistemologicznej na ontologiczną, albo ze świata pomyślanego do zmysłowego. Efektem tego jest przekonanie, że istnieją one tak, jak rzeczy i że można je traktować jak ciała fizyczne. Ale inne jest kryterium istnienia w świecie zmysłowo postrzeganym, a inne w świecie pomyślanym. W pierwszym wypadku jest nim wiedza uzyskana z doświadczenia zmysłowego, a w drugim - wiedza uzyskana w inny sposób, np. dzięki przekazowi informacji. Nadawanie bytom pomyślanym wymiarów rzeczywistych jest przekształcaniem fikcji w rzeczywistość. Przedmiotami badań fizyki są w zasadzie składniki świata postrzeganego: przedmioty materialne oraz ich cechy, zjawiska, procesy i oddziaływania wzajemne między nimi. Badaniem składników świata pomyślanego zajmują się inne dyscypliny naukowe, głównie artystyczne i teologiczne. Jednak w badaniu mikroświata coraz częściej zdarza się fikcje przekształcać w rzeczywistość, operatory matematyczne w wielkości fizyczne, a modele matematyczne w ciała fizyczne. Powoduje to zacieranie się granic między fikcją a rzeczywistością, między spostrzeganym a wyobrażonym, między ciałami fizycznymi a ich reprezentacjami matematycznymi, między rzeczą a jej wyobrażeniem. W związku z tym wydaje się, jakoby składniki języka fizyki posiadały takie same właściwości, jak byty rzeczywiste. Dlatego często traktuje się je zamiennie. Stąd rodzi się przypuszczenie, że u podstaw świata spostrzeganego leżą idee (Platon) lub liczby (Pitagoras), że umysł kreuje świat rzeczywisty (Kant) albo, że słowo było początkiem wszystkiego (Biblia). Tak na przykład jedni fizycy (Werner Heisenberg) twierdzili, że cząstki elementarne bardziej przypominają idee platońskie (konstrukty myśli) niż ciała substancjalne, a inni sądzą, że energia jest nie tylko czymś innym od materii, ale że wytwarza materię. A to oznacza przypisywanie jej boskich atrybutów w zakresie kreacji. Nic więc dziwnego, że według najnowszych badań amerykańskich, wśród wierzących uczonych w USA najwięcej (około 80%) jest fizyków i matematyków. Na gruncie nierozróżniania sensu słowa ?istnieć? na płaszczyznach: ontologicznej, metodologicznej i poznawczej, przeciwstawia się sobie wybrane wielkości fizyczne (najczęściej dotyczy to energii i masy, chociaż w świetle teorii względności niczym się nie różnią), utożsamia się siłę z przyczyną sprawczą albo twierdzi się, że Wszechświat powstał z energii, albo, że pole elektromagnetyczne (lub jakiekolwiek inne) generuje cząstki masowe. Moc sprawczą składników języka fizyki podkreślał Niels Bohr, który twierdził, że do opisu świata atomów musimy używać języka tak, jak w przypadku poezji, a zadaniem poety jest nie tyle opis faktów, ile ich tworzenie. A więc, język fizyki nie ma opisywać świata, tylko stwarzać go. Wskutek tego fizyka upodabniałaby się do teologii: badałaby to, co stwarza świat, a nie to, co się na niego składa. Jej celem byłoby poszukiwanie absolutu, jak chciał Planck, a nie dostarczanie werystycznej wiedzy o strukturze świata.