En etterpåklok betraktning av Newtonsk fysikk

`The classical mechanistic world view was based on the notion of solid, indestructible particles moving in the void. Modern physics has brought about a radical revision of this picture. It has led not only to a completely new concept of ``particles'', but has also transformed the classical concept of void in a profound way. This transformation took place in the so-called field theories. It began with Einstein's idea of associating the gravitational field with the geometry of space, and became even more pronounced when quantum theory and relativity theory were combined to describe the force fields of subatomic particles. In these ``quantum field theories'' the distinction between particles and the space surrounding them loses its original sharpness and the void is recognized as a dynamic quantity of paramount importance.' Fritjof Capra⁷

Newton var atomist. Men den fysikken han var hovedansvarlig for å grunnlegge, sto i spenningsfeltet mellom atomisme og kontinuumsteori. Felttanken lurte hele tida i bakgrunnen som en trussel mot teorien, selv om den ikke ble utviklet før i første halvdel av 1800-tallet og ført til sin konklusjon innenfor rammen av klassisk fysikk av Einstein.

I Newtons fysikk kommer dualismen mellom materie og kraft klart til uttrykk. Materien -- det passive prinsipp -- var karakterisert ved masse (treghet og tyngde) og utstrekning, mens kreftene -- det aktive prinsipp -- var avstandskrefter, som forandret legemenes hastigheter (eller impulser) med en mengde som var avhengig av avstanden mellom de vekselvirkende legemer. Paradigmeeksemplet på en slik kraft var gravitasjonskraften, som virket mellom alle legemer -- men man kjente også andre krefter, slik som magnetisme, og Newton mente at det måtte finnes flere, sterkere krefter som holdt materien sammen i våre makroskopiske legemer (ting). Støtkrefter kunne anses som et spesialtilfelle av avstandskrefter. Verden besto av atomer (eller i det minste stoffpartikler) i bevegelse; under gjensidig påvirkning av avstandskrefter. En viktig del av forskningsprogrammet var å finne de kreftene som var dominerende på atomært nivå, for kanskje å kunne utlede kreftene på makroskopisk nivå som `residualkrefter'. Et eksempel på dette, og en av dette programmets mest glitrende suksesser, er da Boltzmann m.fl. i siste halvdel av forrige og begynnelsen av vårt århundre kunne forklare all termodynamikk og alle friksjonskrefter (innbefattet hydrodynamikken) prinsipielt som et resultat av mikroskopiske (atomære) støt eller andre krefter.

Alt dette så meget pent ut, og det er ikke til å undres over at Kant forsøkte å utlede essensen i dette programmet (deriblant Newtons lover) på et rent a priori grunnlag. Men skal man være etterpåklok, kan man peke på flere momenter som Kant burde ha sett:

Det første, og mest åpenbare, var et problem for Newtons fysikk allerede i fødselen. 1600-tallets fysikere, oppflasket som de var med Descartes' fysikk (utledet på et rent a priori grunnlag) -- en kontinuumsteori som bare anerkjente kontaktkrefter (støt, trykk og friksjon) -- reagerte med avsky på idéen om avstandskrefter. De ble sett som `okkulte', og ikke forklarende i det hele tatt. Selv om Newton offisielt nektet å konstruere `hypoteser' om avstandskreftenes opphav, kunne han ikke unngå å forsøke å komme med noen forklaringer. De tre hovedtyper av forklaringer var:

• Legemer virker direkte på hverandre på avstand. Denne hypotesen er den filosofisk mest uakseptable, men innebærer samtidig færrest tilleggsantagelser utenom det som kan observeres, og mange forsonet seg etter hvert med denne tanken. Denne forklaringen kan muligens være lettere å godta dersom en innfører Gud som den som formidler kreftene mellom legemene.

• Det finnes en materiell substans -- eteren -- som fyller hele rommet og som formidler kreftene. Denne hypotesen innebærer en rekke tilleggsantakelser, og fører til en del paradokser, men ble godtatt av svært mange. Newton benyttet seg til dels av denne hypotesen. Grunnen til at den ble populær er at den ga en tilsynelatende anskuelig forklaring, og avstandskreftene kunne reduseres til mekaniske krefter.

• Punktene i rommet har matematiske egenskaper som avhenger av materiefordelingen, og som bestemmer hvordan kreftene virker -- eller sagt på en annen måte: Det finnes et felt som er definert overalt i rommet. Newton knyttet dette til idéen om et absolutt rom (Guds sensorium) -- en idé som imidlertid var i latent konflikt med Galileis relativitetsprinsipp (som var innbakt i Newtons første lov). Dette var ikke riktig vei å gå, noe som Einstein gjorde klart gjennom sin relativitetsteori (utledet på et nærmest a priori grunnlag).

Kant burde ha forutsetningene til å kunne `forutsi' en relativistisk feltteori -- det er nesten underlig at han ikke gjorde det, spesielt ettersom flere sentrale punkter i relativitetsteorien ligger ganske nær Kants argumentasjon:

Sammenhengen mellom muligheten for å snakke om absolutt samtidighet og eksistensen av (instantane) avstandskrefter, som var Einsteins utgangspunkt, var Kants hovedargument for sin vekselvirkningskategori: Man kan kun si at to fenomener er samtidige dersom de står i gjennomgående vekselvirkning med hverandre. Som eksempel⁸ bruker han noe som kunne vært hentet rett ut fra læreboka i relativitetsteori: Lyset som går mellom oss og de fjerne himmellegemene danner en middelbar vekselvirkning som gjør det mulig å fastslå deres samtidighet. (Kant visste utmerket godt at lyset hadde endelig utbredelseshastighet.)

Det virker dessuten som om Kant mente at rommet mellom de vekselvirkende legemene ikke kunne være tomt, ettersom et tomt rom ikke kan erfares. Altså måtte han forfekte enten en feltteori eller en eterteori, hvor feltet eller eteren oppfattes som reelle størrelser.⁹ Dermed er det naturlig å anta en endelig utbredelseshastighet for krefter, ut fra prinsippet om at en årsak aldri oppnår sin fulle virkning i løpet av et øyeblikk.

Alt dette fører ikke bare til Einsteins relativitetsteori, men også (spesielt) til at den strenge dualismen mellom materie og krefter bryter sammen. Kreftene blir oppfattet som fullt ut virkelige, og kan gjerne være bærere av energi (eller andre mål på materiemengde). I en eterteori er dette nesten uunngåelig. På flere andre punkter ligger også forestillingen om avstandskrefter i latent konflikt med forestillingen om utstrakte legemer:

Dersom det virker avstandskrefter (i en eller annen form) mellom atomene, og støtkrefter kan oppfattes kun som spesialtilfelle av avstandskrefter, betyr det dessuten at disse kreftene er alt vi merker -- kreftene blir mer primære enn materien, som uten videre kan reduseres til punkter -- kilder og angrepspunkter for kreftene. Og i alle fall fører dette til at analogien mellom atomer og ting bryter sammen allerede her: Den tradisjonelle (demokritiske) oppfatningen av atomene er som (uendelig) harde legemer -- som en slags `super-ting', som er fullstendig uavhengige av hverandre, og aldri kan ødelegges -- og med en helt klart avgrenset utstrekning. Dersom avstandskrefter er det generelle, kan en ikke skille klart mellom atomet (dets utstrekning) og omgivelsene -- eller en kan ikke skille klart mellom tingen selv og dens virkninger. Og hva slags ting er det da? Forestillingen om en avgrenset ting er knyttet til kontaktkreftene; det at man kan si at der er vi i kontakt med tingen. Med avstandskrefter ville en klar avgrensing av tingen alltid innebære en vilkårlig grense.

For ytterligere å synliggjøre paradokset, kan vi stille oss spørsmålene om hvor i atomene kreftene kommer fra, og hva de virker på -- spørsmål som ble forutsett av Galilei (som nektet å prøve å svare på dem, siden de var metafysiske): Er de sammensatt av bidragene fra materiens minste deler (punkter), eller kommer de fra et sentralt punkt i atomet? Og virker de på de minste delene, eller virker de på legemet som helhet? Dersom tiltrekkende krefter virker på de minste delene, hvorfor kollapser da ikke legemet til et punkt? Og ytre krefter skulle virke forskjellig på de forskjellige delene av legemet, noe som burde kunne føre til at atomene deformeres eller endog sprenges. For å motvirke dette, må en da forutsette en slags `metafysiske' krefter inne i atomene, som sørger for at de bevarer utstrekningen sin, uansett hva som skjer.

Alt dette har ingen effekt for materiens makroskopiske funksjoner: Spesielt sørger kreftene for at `materien' fremdeles er utstrakt -- en `inntrengende' partikkel eller struktur av partikler og krefter blir mer eller mindre effektivt holdt på avstand. De øvrige funksjoner blir overtatt av (punkt)partiklene. Diskusjonen mellom atomistiske og ikke-atomistiske retninger blir imidlertid irrelevant når atomene ikke behøver å være utstrakte.

Også på et annet punkt måtte materiens essens bli forandret i det Newtonske programmet: Etter hvert som flere krefter ble oppdaget, måtte materien få flere essensielle egenskaper (attributter).

En materie som kun er karakterisert ved utstrekning og masse (for øyeblikket kan vi overse argumentet for at utstrekning ikke kan være noe attributt ved mikroskopisk materie), vil være insensitiv overfor alle andre krefter enn de som kobler til disse attributtene, altså støtkrefter og gravitasjonslignende krefter. Nå var det velkjent både at ingen av disse kreftene kunne forklare stabile, mikroskopiske bindinger -- støtkrefter er alltid frastøtende, mens gravitasjonskraften er for svak -- og at det fantes andre krefter, som koblet til andre attributter. Spesielt kan en legge merke til at dersom elektrisitet er en fundamentalkraft, må ladning være et av materiens attributter. Ladning skiller seg dessuten fra masse i at den forekommer i to versjoner: positiv og negativ. Dermed kan den ikke reduseres direkte til én stoffmengde -- man trenger (minst) to typer materie: positivt og negativt ladet. Heller ikke kan vi umiddelbart kvitte oss med massen som attributt. Vi står altså foreløpig med (minst) to gjensidig irredusible urkrefter og (minst) to attributter ved materien¹⁰.

Kant poengterte¹¹ at det empiriske kriterium for å kunne identifisere materien, er dens rolle som kilde for krefter. Det er altså klart at alle mål på kildestyrke må regnes som attributt ved materien. En kan derfor regne med at dersom flere krefter blir oppdaget, må materien også få flere attributter. En får altså et mangfold av (tilsynelatende) uavhengige, irredusible materier, eller materien får kvaliteter -- noe som virker merkelig i forhold til hva man skulle kreve av materien i utgangspunktet.¹² Spesielt kan en legge merke til at dersom en antar at det er flere materier (f.eks. `ladningsmaterie' og `massematerie'), vil disse (tildels) falle sammen i rom -- det samme legemet vil alltid kunne ha komponenter av flere materier. Materien blir stadig mer kvalitet, og stadig mindre utstrekning.

Og selv om det igjen skulle la seg gjøre å redusere alle de forskjellige kreftene til én urkraft, vil denne nødvendigvis ha en annen karakter enn de kreftene vi gikk ut fra. Dermed sitter vi igjen med både `okkulte krefter' og en materie med `okkulte kvaliteter'. Og kreftene bevirker i like stor grad kvalitative forandringer som stedsbevegelser. Dette, om ikke annet, er et brudd med det Newtonske programmet.

Dette bruddet kommer også til syne på et annet område, hvor en dessuten får illustrert forholdet mellom urstoffteori og elementlære:

Galileis og Newtons atomteori var metafysisk. Den vitenskapelige atomteorien ble utviklet i kjemien, som inneholdt både kvantitative egenskaper (f.eks. masse), hentet fra demokritiske teorier, og kvalitative egenskaper (kjemiske egenskaper), arvet fra aristotelisk og averroistisk teori. Vekselvirkningene var i det alt vesentlige kvalitative. Resultatet var ca. 90 forskjellige atomer og substanser, som fysikken kunne begynne å arbeide med på 1800-tallet.¹³ En kan også her legge merke til at utstrekning slett ikke var noe relevant attributt ved kjemisk materie.

Dersom en nå godtar at verden oppviser en nivå-struktur, og at materien på dypere nivåer har andre attributter (egenskaper) enn de vi opplever på det daglige nivå, følger det at disse `dypere' egenskapene må observeres indirekte. Man blir nødt til å konstruere eksperimenter for i det hele tatt å være i stand til å observere og definere disse egenskapene og greiene, og ikke bare for å kunne gi dem en presis verdi. Dette får følgende konsekvenser:

• Observasjonen må nødvendigvis ses på som en fysisk prosess. Hele komplekset om hva observasjon og sansing egentlig er, må tas opp til drøfting. Man kan verken si at sansingen er uproblematisk eller at den er alfa og omega i erfaringen -- det er atskillig mer som kommer til.

• Observasjonen blir dessuten en aktiv prosess i mye større grad enn tidligere -- en preparerer de omstendighetene som gjør det mulig å `se'. For å observere en ladning er en nødt til å sette opp instrumenter som ledende plater, ledninger, batterier osv. (Eksemplet er kanskje ikke helt velvalgt, ettersom vi kan få støt når ladningen er stor nok!) Dette i motsetning til i dagliglivet, hvor vi ikke trenger å gjøre annet enn å snu på hodet, dvs. innrette oss selv for å få øye på noe; og også i motsetning til galileiske eksperimenter, som tjener til å øke presisjonen eller velge ut hva en vil se -- noe som i prinsippet kunne forekommet naturlig.<sup>14</sup> De `dypere' fenomenene kan vi ikke se når de forekommer naturlig -- vi kan bare se dem (identifisere dem) i et eksperiment.¹⁵ Det er dermed ikke noe i veien for at de eksperimentoppsett som er nødvendige for å observere ett fenomen, faktisk kan utelukke observasjonen av et annet fenomen på samme nivå eller et annet nivå -- noe som ligger til grunn for Bohrs komplementaritetsprinsipp.

• Våre observasjoner blir i utstrakt grad `teori-impregnerte'. Teoriene på høyere nivå danner bakgrunnen for observasjonene på lavere nivå, ved at eksistensen av lavere-nivå greier er sluttet ut fra erfaringer og teori på høyere nivå, og ved at eksperimentene forutsetter kjent teori. For å gjøre det siste helt tydelig: I moderne eksperimentalfysikk er det helt essensielt at måleapparatene kalibreres -- dvs. at man tilpasser parametre slik at apparatene gir riktige måleverdier i velkjente eksperimentsituasjoner, og slik at feilkildene er kjent. Dette er åpenbart helt meningsløst viss en ikke har en teori som sier noe om forventede måledata og en teori om måleinstrumentenes oppførsel.

  Denne teori-avhengigheten stikker mye dypere enn den en kan hevde gjør seg gjeldende på daglig nivå. Også her kan en hevde at det å `se' alltid forutsetter en viss preetablert kunnskap for at vi overhodet skal se noe som vi kan identifisere, eller for at vi skal vite hva vi skal se etter. Denne kunnskapen kan imidlertid i stor utstrekning reduseres til syntetiske forutsetninger a priori à la Kant eller til grunnleggende kategorier i dagligspråket -- ting som det er meningsløst å betvile (slik som ting, tid og rom, som jeg diskuterte i avsnitt 3.1.1).

Dette foregriper (i ettertid) mange vesentlige trekk ved kvantemekanikken (f.eks. i Københavnerfortolkningen), som trekk som ligger implisitt i Newtonsk mekanikk. Det konkrete utseendet av kvantemekanikken, deriblant oppdagelsen av Plancks virkningskvant (som en endelig størrelse) kunne naturligvis ikke forutsies, men er heller ikke nødvendig for resonnementet. Fra et 1700-talls-synspunkt innebærer dette imidlertid for mange logiske skritt ut i det ukjente til at en kan forvente at noen -- selv ikke Immanuel Kant -- kunne gjennomføre det uten å trå feil ett eller annet sted. Det er altså ren etterpåklokskap -- et resonnement som vi kan gjennomføre nå som vi vet hva vi skal hekte det på.

Ett av de foregående punktene kan en imidlertid kritisere Kant for ikke å ha diskutert: Spørsmålet om observasjon og sansing som fysisk prosess. Dette spørsmålet var blitt reist allerede av Demokrit, og behandlet senere av Descartes og  Locke.¹⁶ Demokrits betraktninger fører naturlig til en særdeles viktig konklusjon: Atomene kan på ingen måte betraktes som ting i vår forstand. La oss følge resonnementet, som er gyldig innenfor en langt videre ramme enn Demokrits atomteori.¹⁷

Demokrits atomteori er et av de klareste eksempler på fysisk reduksjonisme: Alt er egentlig bare atomer i bevegelse. Farger, lukter, varme osv. eksisterer ikke i tingene -- de er fenomener som oppstår når `budbringeratomene' treffer `sjeleatomene' i sanseprosessen. Demokrit var klar over problemene med en slik holdning -- et sted lar han sansene si til fornuften: `Stakkars fornuft, det er fra oss du har bevisene du kaster oss ut med. Denne utkastelsen er ditt eget fall.' Sansene er det eneste grunnlaget vi har til å uttale oss om konkrete ting i verden -- og de baserer seg på at et signal sendes fra tingen til oss. Vi danner oss et bilde av tingen som en helhet (med bl.a. utstrekning) ved at et stort antall signaler (eller et kontinuum, for å generalisere i forhold til Demokrit og kvantemekanikken) blir sendt ut og mottas av våre sanseorganer. Så langt burde en kunne være enige. Men hva skjer da når `tingene' blir så små at de kan sammenlignes med signalene -- altså når de blir atomer? Da har vi slett ingen mulighet til å fatte dem som separate enheter, uavhengig av signalene vi observerer dem via. Demokrit tok konsekvensen av dette, og sa at atomene ikke kan sanses (...men han tilskrev dem utstrekning/geometri og antall, som han regnet som rene fornuftsbegreper...). En kan også legge merke til at dette resonnementet ikke er avhengig av at signalene er atomære, men kun av at de er fysiske. Demokrits budbringeratomer kan godt tenkes å være de minste av alle atomer.

Tar man i tillegg med det pragmatiske kriteriet for å kalle noe en ting -- at vi kan håndtere det som en enhet -- er poenget enda mer tydelig: Atomene (eller materiens minste bestanddeler) må behandles av sine `likeverdige', som imidlertid selv er materiens minste, strukturøse bestanddeler. Vi kan altså på ingen måte håndtere atomene med redskaper som vi holder fast -- redskapene vil verken være mer eller mindre faste enn atomene selv! Der blir dermed rett og slett meningsløst å snakke om atomene som selvstendig erkjennbare ting, uavhengig av deres relasjoner til andre `ting'. En kraft-materie-dualisme vil heller ikke løse dette problemet, ettersom en her nok kan flytte på atomet, men ikke samtidig vite at en gjør det.

Dette var imidlertid noe verken Kant eller andre på den tida tok i betraktning.