Czy rzeczywiście fizyka [ i fizycy ] przegoniła ze swych rewirów termin i pojęcie materii? Czy jest możliwe znalezienie akademickiego podręcznika fizyki, w którym nie ma tego terminu i nie operuje się pojęciem materii? Lub monografii naukowej?
Myślę ,że z fizyką jeszcze nie jest tak źle, by tak fundamentalne pojęcie, jakim jest pojęcie materii zostało usunięte, lub zakazane w tej nauce.
Oczywiście ,w fizyce nie ma potrzeby korzystania z definicji filozoficznej pojęcia “materia” tym bardziej ,że w skarbnicy wiedzy jaką jest wikipedia , figuruje definicja nieodżałowanego Włodzimierza Ilicza, najwybitniejszego filozofa wśród dyktatorów świata.
Fizyków stać na operacyjne określenie pojęcia materii, funkcjonujące z powodzeniem w tej nauce.
Przecież mówimy w fizyce molekularnej i atomowej o cząstkach materii(chemicznych lub elementarnych),z których zbudowane są wszystkie ciała niezależnie od ich stanu skupienia, o ciemnej materii i antymaterii, o gwiazdach zbudowanych z materii, o anihilacji i kreacji materii, o materii barionowej ,a nawet o “materii normalnej lub zwykłej” [1].
Definicja pojęcia materii w fizyce jest niesłychanie prosta:
Każde ciało makroskopowe, nazywane ciałem materialnym, jest zbiorem molekuł, atomów i cząstek elementarnych.
Zaproponował ją już dawno temu Issac Newton ,o czym pisze szczegółowo Max Jammer w swej głośnej pracy [2], po dziś dzień nie przetłumaczonej na język polski, a było tłumaczeń tej pracy na 17 języków !
Materia, to zbiór molekuł, atomów i cząstek elementarnych tworzących strukturę, układ fizyczny.
Oczywiście elementy tego zbioru są materialne, są też materią.
Taka definicja materii w fizyce powoduje ,że w nauce tej stosujemy zamiennie terminy “materia” i “substancja”.
Z drugiej strony, ta definicja wydaje się być zbyt wąska, gdyż eliminuje spod rzeczownika “materia”, oraz przymiotnika “materialny” pewne ,niezwykle fundamentalne pojęcie fizyki, jakim jest pojęcie “pola”[lub oddziaływania].
W przyrodzie występują przecież pola elektryczne, magnetyczne, elektromagnetyczne, pola sił jądrowych, które w żadnym sensie nie są substancją złożoną z atomów, czy molekuł chemicznych.
Wobec tego powstała tradycja odróżniania tych dwóch postaci materii za pomocą określeń: materia cząsteczkowa i materia polowa.
Materia cząsteczkowa[zwana często –materią zwykłą, występująca we wszechświecie dostępnym naszym obserwacjom] jest zbudowana z dwunastu fermionów, to znaczy cząstek elementarnych o spinowej liczbie kwantowej równej ½ .Do fermionów zaliczamy ogólnie znane cząstki: elektron, proton, i neutron.
Materia cząsteczkowa na poziomie molekularnym jest ściśle lokalizowana [rozciągłość przestrzenna]. W tym samym miejscu nie może być dwóch molekuł. Każda molekuła zajmuje określoną objętość przestrzeni[w granicach zakreślonych relacjami Heisenberga] i jest nieprzenikliwa.
Jeśli idzie o cząstki elementarne tworzące materię, to z racji tego ,iż są to fermiony, reguła Pauliego gwarantuje nam lokalizację i nieprzenikliwość, lecz z drugiej strony falowa natura cząstek powoduje ich swoiste “rozmycie” w przestrzeni.
Nawet na poziomie makroskopowym większość ciał fazy stałej posiada postać, powierzchnię ograniczającą, skończoną objętość i jest nieprzenikliwa. Również można mówić o indywidualności ciał materialnych: nie ma dwóch ciał identycznych.
Gazy mają też objętość wyznaczoną przez objętość zbiornika, w którym znajdują się. Ciecze mają określoną lokalizację przez zbiornik, w którym się znajdują ,stałą objętość, ale zmienną powierzchnie ograniczającą.
Do materii cząsteczkowej na poziomie makroskopowym stosuje się pojęcie gęstości ,które jest dobrze określone i operacyjne. Miarą jej jest[ dla ciała jednorodnego] ilość cząsteczek w jednostce objętości . I definicja operacyjna średniej gęstości materii jest:
d = dm/dV
gdzie
dm- liczba molekuł ciała
dV – element objętości.
Materia polowa nie posiada tych atrybutów ,które wyżej wymieniłem dla materii cząsteczkowej. Zajmuje cała przestrzeń trójwymiarową, w tym samym elemencie przestrzeni w danym momencie czasowym, może być n- pól fizycznych.
Jednak pojawia się problem.
Odkryto, że większość pól fizycznych [z wyjątkiem pola grawitacyjnego] związana jest z cząstkami zwanymi bozonami [o spinowej liczbie kwantowej całkowitej np.1,2 ], które są nośnikami tych pól.
Bozony nie podlegają zakazowi Pauliego ,wobec tego nie są lokalizowane i substancja utworzona z bozonów [tzw. kondensat Bosego-Einsteina],przejawia inne właściwości, niż materia fermionowa.
Fakt istnienia dwóch, tak radykalnie różnych form materii[cząsteczkowa i polowa] jest rysem charakterystycznym fizyki współczesnej i doprowadził do poważnych problemów epistemologicznych, zwłaszcza za sprawą rozwoju mechaniki kwantowej[ale nie tylko jej- teoria względności też w tym ma udział].
Zatrzymam uwagę czytelnika na problemie anihilacji i kreacji cząstek elementarnych, czyli składników materii cząsteczkowej.
Jeżeli spotkają się ze sobą [zderzają się] elektron i pozytron ,to te dwie cząstki elementarne znikają !
Materia cząstkowa może znikać, może być unicestwiona !
Jednak w jej miejsce pojawia się materia polowa.
Czyli obydwie formy istnienia materii są -w sensie ontycznym – równoważne.
Proces anihilacji par można ściśle zapisać tak:
e^(-) + e^(+) ---> 2 kwanty gamma
i słownie:
elektron ujemny + elektron dodatni = dwa kwanty promieniowania gamma.
Promieniowanie gamma jest materią polową.
Anihilacja materii podczas zderzeń z czastkami anty-materii nie dowodzi tego ,że anty materia nie jest materią. Anty- cząstki mogą tworzyć anty-atomy [np.antyproton wokół którego krąży anty-elektron, to anty-wodór] , których własności fizyczne np. widma promieniowań są identyczne z widmem promieniowania atomów materii.Podobnie własności grawitacyjne anty-materii są identyczne z takimi samymi własnościami materii.
Anty-materia jest materią w sensie podanej wyżej definicji materii.
Istnieje proces odwrotny do anihilacji par, a mianowicie kreacja par cząstek z materii polowej .Jest to jednoczesne pojawienie się elektronu i pozytronu z kwantu pola elektromagnetycznego w silnym polu elektrycznym.
Tym samym ,materia w mikro świecie i ze stanowiska mechaniki kwantowej, posiada inne właściwości od ciał materialnych na poziomie makroskopowym.
Cząstki elementarne mogą przemieniać się jedna w drugą, jedna cząstka może rozpaść się na wiele innych, czego nie obserwujemy na poziomie makroskopowym, np. miednica nie przemieni się w mydło plus gąbka, a gdy zderzą się czołowo dwa samochody, to nie otrzymujemy sześć nowych samochodów.
Znikanie materii cząstkowej i przemiany pierwiastków obserwujemy w zjawisku promieniotwórczości naturalnej[lub sztucznej],kiedy np. po czasie zwanym okresem połowicznego rozpadu ,połowa jąder uranu znika, a pojawiają się jądra atomowe innych pierwiastków.
Dlatego Werner Heisenberg napisze:
“ Doświadczenia wykazały więc, że materia jest całkowicie przeobrażalna. Wszystkie cząstki elementarne mogą ,jeśli mają dostatecznie dużą energię, przekształcać się w wyniku zderzeń w inne cząstki...a także ulegać anihilacji. Wszystkie cząstki elementarne są zbudowane z tego samego tworzywa, które możemy nazwać.. materią uniwersalną.”[3]
W tym miejscu fizyka nie tylko, że nie odrzuca pojęcia materii, ale wręcz nawiązuje [ możliwe ,że nieświadomie] do Arystotelesa .
Dla niego wszystko co istnieje, wymaga materii i formy. Materia w/g Arystotelesa nie istnieje samodzielnie, jest tylko podłożem zjawisk i przemian, bezpostaciowym ,bezkształtnym tworzywem, z którego powstają wszystkie byty. Powstają dzięki formie, która ich kształtuje[4]. Każda klasa bytów i indywidualny byt ma sobie charakterystyczną formę.
Inna więc forma decyduje o istnieniu materii cząsteczkowej, a inna o materii polowej. Formy, to idee platońskie, a wśród nich bryły platońskie, czyli struktury matematyczne. Relacje miedzy formami matematycznymi, a materią są chyba największą zagadką filozofii przyrody.
Inne światło na problem rozumienia materii w fizyce, rzucają obydwie einsteinowskie teorie względności [szczegółowa i ogólna].
Po pierwsze – STW nakłada bardzo silne kryterium na obiekt ,który możemy zaliczyć do materii. Musi on posiadać niezerową masę spoczynkową. Zgodnie z tym kryterium np. fotony [kwanty] pola elektromagnetycznego nie są materią.
Po drugie – jeśli się nawet z tym kryterium zgodzimy, to słynna formuła Einsteina
E = m*c^2
wprowadza energię, jako fenomen równoważny atrybutowi materii jakim jest w STW – masa. W sposób oczywisty, materia staje się więc bytem niezwykle subtelnym, przez fakt posiadania konstytutywnej cechy - masy.
Sytuacja się gmatwa jeszcze silniej w obrębie ogólnej teorii względności.
Tutaj materia jest obdarzona tajemniczą własnością : wywołuje w swym najbliższym otoczeniu zmianę geometrii przestrzeni. Zakrzywia przestrzeń, lub wyrażając się żargonowo: globalnie zmienia metrykę przestrzeni.
Na dodatek, to zakrzywienie jest interpretowane, jako pole grawitacyjne !
Czyli w OTW materia ma własność wytwarzania pola grawitacyjnego.
Słynne równania pola dla OTW mają postać
G^ab = 8*3,14 * T^ab
Gdzie
T^ab , to tajemnicza wielkość matematyczna zwana tensorem energii- pędu materiii reprezentuje jednocześnie dwa rodzaje materii [cząsteczkową i polową].[5]
Pojęcie, oraz idea materii w fizyce współczesnej gra kluczową rolę dlatego ,że wszechświat, w którym znaleźliśmy się, może być opatrzony filozoficznym pytaniem Leibniza:
Dlaczego istnieje raczej coś, a nie – nic ?
Dlaczego istnieje materia?
Dlaczego w naszym wszechświecie jest taka znikoma ilość anty-materii?
Można mieć nadzieję, że te pytania z filozofii, przejdą w obręb fizyki.
Literatura
[1] R.Penrose, Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,s.741-743
[2] M.Jammer,Concepts of mass in Classical and Modern Physics,Harvard University Press,1961
[3]W.heisenberg,Fizyka a filozofia,Warszawa,1965,s.161
[4] Arystoteles, Dzieła wszystkie,t.2,Metafizyka,Warszawa,1990,s.746-750
[5]B.F.Schutz, Wstęp do ogólnej teorii względności, Warszawa,1995,s.178
