Determinizm w fizyce i filozofii

Obrazek: Eksperyment z dwiema szczelinami

Determinizm w fizyce i filozofii jest dość istotnym zagadnieniem, rozważanym od początków filozofii europejskiej oraz od czasów nowożytnej fizyki. Determinizm w fizyce i filozofii rzutuje na pojmowanie determinizmu w pozostałych naukach.

1. Stanowisko determinizmu

Determinizm głosi dwie zasady:

(1) zasadę prawidłowości, według której wszystkie zjawiska zachodzące w świecie podlegają prawom (nie ma zjawisk nieprawidłowych) (2) zasadę przyczynowości (przyczynowo-skutkową), zgodnie z którą każde zjawisko ma swoją przyczynę, a każda przyczyna ma swój skutek. (Nie ma zjawisk bezprzyczynowych i bezskutkowych).

Definicja determinizmu brzmi zatem: determinizm głosi, że wszystko jest wyznaczone przez przyczyny i prawa.

Za twórcę determinizmu uważa się Demokryta (V/IV w. p.n.e.), według którego wyjaśnić jakieś zjawisko, to podać jego przyczynę oraz prawa, na mocy których przyczyna wywołuje wyjaśniane zjawisko jako swój skutek.

2. Odmiany determinizmu

a) determinizm jednoznaczny

Istnieją dwie odmiany determinizmu: jednoznaczny i statystyczny. Do XX wieku panował determinizm jednoznaczny. Determinizm statystyczny pojawił się wraz z mechaniką kwantową w 1925 roku.

Determinizm jednoznaczny – obok dwóch zasad determinizmu – głosi jeszcze trzecią zasadę, której nie uznaje determinizm statystyczny. Jest to zasada jednoznaczności (zwana też zasadą konieczności).

Według tej zasady jednakowe przyczyny w jednakowych warunkach wywołują jednakowe skutki (lub równoważnie: w tych samych warunkach dzieje się to samo).

Determinizm jednoznaczny głosi zatem, że wszystko jest jednoznacznie wyznaczone przez przyczyny i prawa.

Klasycznym przedstawicielem determinizmu jednoznacznego był francuski fizyk, matematyk i astronom Pierre Simon de Laplace (1749–1827).

Determinizm Laplace’a głosił, że inteligencja doskonała (nadludzki umysł zwany „demonem Laplace’a”), znając stan Wszechświata w danej chwili, siły działające we Wszechświecie oraz prawa nim rządzące, mogłaby przewidzieć dokładnie zarówno wszystkie przyszłe stany Wszechświata, jak też myślowo odtworzyć wszystkie jego przeszłe stany.

b) determinizm statystyczny

Determinizm statystyczny nie uznaje trzeciej zasady determinizmu jednoznacznego.

Głosi zatem, że wprawdzie wszystko jest wyznaczone przez przyczyny i prawa, ale nie wszystko w sposób jednoznaczny.

Powstanie mikrofizyki, a zwłaszcza zbudowanie w roku 1925 mechaniki kwantowej, dostarczyło argumentów podważających zasadę jednoznaczności. Jednocześnie podważyło determinizm jednoznaczny.

Argumenty za

Eksperyment z dwiema szczelinami

Za determinizmem statystycznym przemawiają zarówno argumenty doświadczalne jak też argumenty teoretyczne. Jednym z argumentów doświadczalnych jest eksperyment z dwiema szczelinami. W eksperymencie tym wiązka cząstek elementarnych jest przepuszczana przez zasłonę z dwiema szczelinami i padając na ekran wytwarza na nim obraz statystyczny o charakterze falowym.

Wyprowadza się stąd wniosek, że jednakowe przyczyny nie wyznaczają w sposób jednoznaczny określonego skutku, lecz z pewnym prawdopodobieństwem wyznaczają rozmaite skutki. Innym argumentem jest eksperyment, w którym wiązka cząstek jest przepuszczana przez szereg zasłon z wieloma otworami.

Okazuje się, że zamknięcie któregoś z otworów sprawia, że liczba przelatujących cząstek zamiast się zmniejszać lub pozostawać na dotychczasowym poziomie, faktycznie zwiększa się, co jest niezgodne z determinizmem jednoznacznym.

Prawa połowicznego rozpadu izotopów

Izotopy danego pierwiastka są to atomy tego samego pierwiastka, które różnią się od siebie ciężarem (liczbą masową, wyznaczoną przez liczbę neutronów), czyli mają jednakową liczbę protonów, ale różne liczby neutronów. Natomiast atomy różnych pierwiastków, różnią się od siebie ładunkiem elektrycznym, tj. liczbą atomową. (Jest ona wyznaczona przez ilość protonów zawartych w jądrze atomu).

Na rzecz determinizmu statystycznego przemawiają także prawa połowicznego rozpadu izotopów rozmaitych pierwiastków promieniotwórczych. Każde z tych praw wyznacza okres, w którym 50% atomów danego izotopu rozpada się. Jednakże ani te prawa, ani inne czynniki, nie są w stanie wyznaczyć czasu rozpadu poszczególnych atomów danego izotopu. Prawa połowicznego rozpadu mają charakter zasadniczo statystyczny. To znaczy, nie stanowią one uśrednienia żadnych praw jednoznacznie wyznaczających przebieg zjawisk mikrofizycznych.

 

Zasady związane z mechaniką kwantową

Także dwie zasady związane z mechaniką kwantową:

• (1) zasada nieoznaczoności Heisenberga oraz
• (2) zasada komplementarności Bohra

przemawiają na rzecz determinizmu statystycznego.

(1) Zasada nieoznaczoności Heisenberga głosi, że w mikroświecie istnieją pary wielkości kanonicznie sprzężone (np. położenie i pęd), takie, że im dokładniej wyznaczymy wartość jednej wielkości danej pary (np. położenia), tym mniej dokładnie możemy wyznaczyć wartość pozostałej wielkości tej pary (np. pędu).

(2) Z kolei zasada komplementarności Bohra głosi, że istnieją dwa rodzaje własności mikroobiektów (np. własności falowe i korpuskularne), dwa rodzaje przyrządów pomiarowych oraz odpowiadające im dwa rodzaje sytuacji doświadczalnych. Mianowicie takie, że w sytuacji doświadczalnej jednego rodzaju ujawniają się własności pierwszego rodzaju (np. własności falowe), a w sytuacji drugiego rodzaju – własności drugiego rodzaju (np. własności korpuskularne).

Pełny opis mikroobiektu musi się składać z obu tych wykluczających się i zarazem dopełniających się opisów.

Zasada komplementarności zdaje sprawę z dualizmu falowo-korpuskularnego mikroobiektów. Polega on na tym, że każdy mikroobiekt jest (jakby) zarówno cząstką jak i falą. Z tym, że w jednych doświadczeniach wykazuje swe własności korpuskularne, a w innych własności falowe.

Determinizm statystyczny uzyskał w fizyce przewagę nad determinizmem jednoznacznym. Prowadzi to do wniosku, że światopogląd ściśle deterministyczny należy zastąpić przez światopogląd probabilistyczny.

Za determinizmem statystycznym opowiedziała się tzw. szkoła kopenhaska (Bohr, Heisenberg, Born, Dirac i niektórzy inni twórcy mechaniki kwantowej). Natomiast determinizmu jednoznacznego bronią tzw. przeciwnicy szkoły kopenhaskiej (Planck, Einstein, Schrödinger, Bohm i inni).

3. Splątanie kwantowe (korelacje kwantowe) i nielokalność

Nowe wyniki badań mikrofizycznych pokazują, że mikroświat zachowuje się jeszcze dziwniej niż przypuszczali twórcy mechaniki kwantowej. Najdziwniejszym zjawiskiem niedawno odkrytym jest splątanie kwantowe, nazywane też korelacjami kwantowymi.

Polega ono na tym, że jeśli dwa mikroobiekty (np. fotony lub elektrony), które tworzyły wcześniej jeden układ kwantowy, oddalą się od siebie na dowolną odległość, to pomiar własności jednego z mikroobiektów wywiera natychmiastowy wpływ na analogiczną własność pozostałego mikroobiektu.

Przypuszczenie, że w grę wchodzi tu oddziaływanie fizyczne rozchodzące się momentalnie (z nieskończoną prędkością) jest sprzeczne ze szczególną teorią względności i według większości fizyków, jest fałszywe. Wygląda na to, że zachodzi tu jakaś tajemnicza korelacja kwantowa, która narusza zasadę lokalności zjawisk mikroświata.

Zgodnie z zasadą lokalności, to co się dzieje w jednym miejscu przestrzeni, nie może wywierać natychmiastowego wpływu na zjawiska dowolnie odległe.

Niektórzy fizycy sądzą także, że naruszona jest nie tylko zasada lokalności mikrozjawisk, lecz także zasada realizmu.  Głosi ona, że zjawiska mikroświata – podobnie jak zjawiska makroskopowe – nie zależą od podmiotu poznającego (od świadomości ludzkiej).

4. Stanowisko indeterminizmu

Indeterminizm jest częściowym zaprzeczeniem determinizmu.

Indeterminizm głosi, że nie wszystkie zjawiska podlegają prawom i (lub) nie wszystkie mają swoje przyczyny i skutki.

Ogranicza on zatem lub odrzuca co najmniej jedną z dwóch zasad determinizmu.

Parenkliza (z gr. parenklisis – odchylenie), to właściwość atomów, które spadając równomiernie w próżni, podlegają bezprzyczynowemu odchylaniu się od pionu, przez co zderzają się z sobą i łączą. A to przeczy determinizmowi.

Za twórcę indeterminizmu może być uznany Epikur (IV/III w. p.n.e.). Według jego teorii parenklizy atomy w sposób bezprzyczynowy odchylają się od pierwotnego toru, co umożliwia powstawanie różnorodnych obiektów i zjawisk z nich złożonych.

Indeterminizm dopuszcza takie zjawiska, jak cuda (rozumiane jako zjawiska naruszające prawa natury) czy absolutnie wolna wola (rozumiana jako akty woli niezdeterminowane przyczynowo).

5. Odmiany indeterminizmu

W indeterminizmie wyróżniamy: indeterminizm typowy oraz nietypowy.

Według indeterminizmu typowego w świecie istnieją dwa rodzaje zjawisk:

• (1) zjawiska podlegające zasadom determinizmu oraz
• (2) zjawiska naruszające przynajmniej jedną z tych zasad.

Zazwyczaj, indeterminizm typowy ogranicza każdą z trzech zasad determinizmu jednoznacznego, lecz żadnej z nich nie odrzuca.

Najczęściej indeterminizm typowy głosi, że zjawiska przyrodnicze są zdeterminowane. Natomiast zjawiska społeczne są zależne od absolutnego przypadku oraz absolutnej wolnej woli, i jako takie, są niezdeterminowane.

Takie stanowisko prowadzi do niesłusznego wniosku, że społeczeństwo – w odróżnieniu od przyrody – nie podlega żadnym prawom. Oznaczałoby to zakwestionowanie samej możliwości uprawiania nauk społeczno-humanistycznych.

Z kolei indeterminizm nietypowy obejmuje wszystkie pozostałe odmiany indeterminizmu. Na przykład odrzuca  lub ogranicza jedną z zasad determinizmu, albo też jedną odrzuca, drugą ogranicza itp.

Nauka współczesna opowiada się za determinizmem. Nie przesądza jednak całkowicie kwestii, która z odmian determinizmu jest słuszna, aczkolwiek większość fizyków opowiada się za determinizmem statystycznym.

Ilustracje

Eksperyment z dwiema szczelinami (obr. wyróżn.) – źródło: Wikimedia Commons
Pierre Simon de Laplace – źródło: Wikimedia Commons
Eksperyment z dwiema szczelinami – źródło: Wikimedia Commons 
Werner Heisenberg – źródło:Wikimedia Commons 
Niels Boh – źródło: Wikimedia Commons 

Zob. kategorię Ontologia