Materie og krefter, fysikk og naturfilosofi

Dette er tilstrekkelig for at vi skal kunne leve i og forholde oss til verden på et ureflektert plan. Det at tingene bare er relativt stabile, spiller ikke så stor rolle for vår mulighet til å forholde oss til dem som substanser; vi er jo selv også bare relativt stabile. Imidlertid blir en verden som på denne måten består i så stor grad av `tilfeldigheter' fremmed for oss; vi kan ikke føle oss trygge overfor den -- det kan alltid komme overraskelser, og disse er stort sett ubehagelige. Mye kan riktignok forklares ved å henvise til at det er slik tingene er. Vi avviser f.eks. mange spørsmål fra barn eller dårer av typen:

`Hvoffer har en buko ingen vinger?
Hvoffer si'r den bu og ikke vov?
Hvoffer sitter neglen paa min finger?
Hvis den satt paa nesen, var det sjov.'⁸

Men likevel: Svært mye av det som skjer, er `tilfeldig', og vi kan fremdeles finne på å stille de `barnslige' spørsmålene om hvorfor tingene er som de er -- eller hvorfor det er så mange forskjellige ting. Verden er fortsatt fremmed. For å føle oss hjemme i naturen, er det nødvendig at vi forstår den -- at vi fatter dens essens.⁹

Religionen -- spesielt `primitiv' religion -- kan være én type forsøk på å forstå verden -- verdens essens blir mer eller mindre menneskelig, og dermed mindre fremmed for oss. Og selv om vi ikke kan forutsette at naturen har en menneskelignende essens, må den for at vi skal kunne føle oss hjemme i den, bestå av strukturer vi kan (be)gripe, og ikke av uhyggelige monstre (dvs. det grufulle ukjente). Det som skjer, må kunne forstås ut fra disse strukturene, og vi må derfor utvide våre begreper utover begrepene om vanlige ting for at de skal kunne omfatte slike strukturer.

Som en annen side av det samme problemet kommer at verden nødvendigvis må oppfattes som én verden. Dersom verden, bestående av en talløs rekke av ting som stadig forandrer seg og rett som det er forgår (eller nye ting blir laget), samt en hel del ikke-tinglige fenomener, skal være forståelig og mulig å forholde seg praktisk til, og altså ikke bare et kaos, må alle tingene ha noe til felles. Dessuten: Når en ting ikke er evig, men tvert imot har oppstått en gang og vil forgå en gang, kan den ikke oppfattes som helt selvstendig, men må betraktes som en fremtredelsesform av en mer underliggende substans. Vi må tenke oss at det er noe som ikke undergår substansiell forandring, men som slike forandringer er aksidensielle forandringer av. For sin eksistens er tingen også f.eks. avhengig av at `heldige sammentreff' en gang har skapt den. Tingene (med sine essensielle trekk) blir altså bare relative substanser i forhold til det mer fundamentale, som i siste instans må være det som ligger under alt i verden (også de ikke-tinglige fenomenene som lyder, flammer, fjell, lyn, vann osv.).¹⁰ Man kan tenke seg at denne mer fundamentale substansen ligger enten i tingen selv og i andre fenomener -- som noe alle ting og fenomener er laget av, uansett hva slags fenomener de er -- eller utenfor (eller heller: bak) tingene, som et evig mønster eller opphav (som f.eks. kan uttrykke tingenes essens). Det siste er imidlertid til svært liten hjelp i forståelsen av naturen slik vi opplever den. Dette mønsteret er ikke bare ute av stand til å undergå substansielle forandringer; det kan heller ikke undergå aksidensielle forandringer -- og vi kan vanskelig se vår verden av ting som en tilstand av dette. Verden som en struktur i tid og rom blir snarere mer uforståelig, og man får ingen forklaring verken på hvordan skapelse og ødeleggelse av ting er mulig eller på hvorfor det fins flere ting av samme slag. Vi har ikke en gang noe grunnlag for å si at det vi opplever som én verden, er den samme verden, ettersom fenomenenes innbyrdes plassering i tid og rom vanskelig kan inngå i det evige mønstret. Vi blir altså henvist til å søke den grunnleggende substansen i fenomenene selv. Denne første (eller siste) substansen er det som kalles urstoffet eller materien.

Som det første prinsippet for verdens enhet og ordnethet dukker altså materien opp -- ved hjelp av den kan vi forklare at det er den samme verden vi befinner oss i til alle tider og steder, og at denne verden ikke bare er et kaos av vilt foranderlige fenomener og urelaterte ting. Materien eller urstoffet blir på et vis verdens essens.

Slik kan vi forstå at verden er én, men forandringene er stort sett like uforståelige og usikre -- selv om vi altså har tryggheten om at noe er bevart. For å kunne forstå hvordan forandringene skjer, må vi i tillegg til det passive prinsippet (materien) ha et aktivt prinsipp som bevirker forandringene. Dette prinsippet vil jeg kalle urkraften -- og det må være forståelig,¹¹ på samme måte som urstoffet er det.

Både fysikken og naturfilosofien har som sin oppgave å finne de grunnleggende prinsippene (aktive og passive) for den verden vi har rundt oss -- å si noe om hva som er felles, hva som ikke forandres, hva som forandres og hvorfor det gjør det -- altså å si noe om urstoffet og urkraften. I lang tid var også de to disiplinene identiske (Newton kalte hovedverket sitt `Naturfilosofiens matematiske prinsipper') -- men man kan likevel ane en forskjell i utgangspunktet fra begynnelsen av:

Filosofien ønsker å argumentere helt a priori, altså uten å ta hensyn til det man på det nåværende tidspunkt tilfeldigvis kan ha observert eller erfart, eller hvordan verden tilfeldigvis ser ut akkurat nå. Den ønsker å si noe om urstoffet eller urkraften som må være gyldig uansett hva man måtte erfare siden. Helst vil en naturfilosof argumentere rent logisk, og dermed produsere nødvendige sannheter -- eller i det minste: langt mer generelt gyldige sannheter enn det som kan fremkomme på grunnlag av den nåværende erfaring.

Det er imidlertid sjelden dette fører til noe. Ett problem er å finne et utgangspunkt som gjør at en ender opp med noe annet enn tautologier -- for å finne dette, må en anta som kjente og sikre visse fakta om verden. Et annet og minst like viktig problem er at det bestandig vil ligge visse skjulte forutsetninger i ethvert resonnement over flere trinn, forutsetninger som vil være betinget av vår nåværende erfaring. Dette vil gjøre det umulig å gjennomføre et strengt logisk resonnement. Man kan imidlertid produsere argumenter som andre senere må ta hensyn til -- slik som Parmenides satte dagsorden for gresk filosofi ved å benekte muligheten av forandring. Dette kan naturligvis være fruktbart, og indirekte føre til større innsikt.

En mer `passende' oppgave for naturfilosofien kunne være å undersøke vilke forutsetninger vår nåværende viten om verden hviler på, og dermed vilke antakelser om verdens struktur som ligger implisitt i vår nåværende viten. Spørsmålet blir altså: Hva må vi anta om verden dersom vår nåværende viten i hovedsak er riktig? eller: Hva må vi forutsette dersom vi skal eksistere og ha erfaring av verden, slik vi i dag forstår oss og vår verden? Dette garanterer ikke mot overraskelser i framtida, men man vil lettere kunne forklare overraskelsene, og dermed forstå verden bedre. Man vil også lettere kunne se hva som fremdeles er gyldig av den gamle kunnskapen.¹²

Fysikken er på jakt etter det konkrete -- det konkrete urstoffet og den konkrete urkraften, og de lovene som virker mellom dem. Fysikeren snakker alltid om konkrete størrelser eller greier i verden. Med en greie forstår jeg et noe som forekommer i verden, og som altså kan tenkes på et eller annet vis å identifiseres -- den har (i det minste) en slags `kvasi-individuell status'. En greie er ikke nødvendigvis en substans, men den må kunne være i forskjellige tilstander. For eksempel er materien (bestemt form entall) en greie.¹³

Urstoffet må for fysikeren dermed nødvendigvis være erkjennbart, mens filosofen kan ta det som et prinsipp som ligger utenfor vår erfaringsevne. Man kan illustrere denne motsetningen ved å se på Thales (som sa `Alt er vann', altså at urstoffet er vann) som (den første kjente europeiske) representant for fysikken, mens hans elev Anaximander (som sa at urstoffet er `det ubestemte') var en typisk representant for filosofien. Men siden de to disiplinene har såpass felles mål, er det ikke til å undres over at fundamentalfysiske hovedretninger gjerne finner sin motsvarighet i filosofien, og omvendt. Og når en forfølger fysikken til sine fundamenter, blir den naturfilosofi.

Mer spesifikt kan en skissere opp fundamentalfysikkens (den del av fysikken som har til oppgave å utforske de mest grunnleggende lover og prinsipper i verden) forskningsprogram slik: Man begynner med å postulere en eller flere bestemte egenskaper, som man oppfatter som felles for alt materielt, dvs. alt i den verden vi ser rundt oss, som materiens essens. Deretter går man løs på å utforske de(t) dynamiske prinsipp som kan gi opphav til forandringene i eller overgangene mellom dette urstoffets fremtredelsesformer. Alle andre egenskaper og fenomener skal da kunne betraktes som avledet av disse.¹⁴

.

Men det er ikke helt vilkårlig hva en kan påstå er essensen i urstoffet. Det er noe som er eller blir oppfattet som felles for alt vi har omkring oss og som vi kaller materielt. Dette er da egenskaper eller funksjoner som vi nærmest automatisk tilskriver materien, og om en fysisk teori ikke postulerer disse som materiens essens, må den i alle fall forklare hvor disse fellestrekkene kommer fra.

• Stoffet eller materien er bevart over tid. Dette fremgår direkte av hvordan materien ble definert -- som det som aldri blir skapt eller ødelagt. Uansett hvor mye vi ødelegger noe, vil stoffet være der. Dersom det gir mening å snakke om materiemengde, vil den være bevart i kvantitet.

• Alt det vi kaller materielt, opptar plass i rommet. Dette gjelder både tingene, jord (fast stoff), vann (væsker), luft (gasser) og ild (plasma). En viktig forskjell mellom disse fire aggregattilstandene (som vi kaller dem nå), er deres hardhet eller ugjennomtrengelighet: Mens vi ikke kan trenge gjennom en ting (av fast stoff) uten å ødelegge den mer eller mindre, yter lufta nesten ingen motstand mot å bli skjøvet til side. Et urstoff må derfor på en eller annen måte oppta plass i rommet (i hvert fall som en av sine sekundære egenskaper), mens det på den annen side må være nokså `fleksibelt'. Materien må i det minste referere til rommet eller være plassert i rommet, ettersom vi kan peke på materien.

• Materien har en individuerende funksjon: To separate ting skilles bl.a. fordi de inneholder ulike biter materie. Dette var viktig for Aristoteles, fordi materien kunne sikre at flere ting som er helt (kvalitativt) identiske, likevel kunne eksistere selvstendig og uavhengig av hverandre, i motsetning til idéene hos Platon. F.eks. kan vi ha to helt identiske stoler, som begge er selvstendige ting -- selv om de er kvalitativt identiske, er de ikke den samme stolen -- de er ikke numerisk identiske. Dermed gir det også mening, dersom en på et senere tidspunkt skulle få øye på en stol av samme type, å spørre vilken av de to opprinnelige stolene vi har med å gjøre (om det er noen av dem).

  Det siste spørsmålet har åpenbart bare mening, eller kan i hvert fall bare få positivt svar, såfremt stolen (eller tingen eller greia vår) ikke er blitt ødelagt i mellomtida. Men også da kan vi spørre om stoffet den er laget av er (numerisk) det samme.¹⁵ Siden stoffet er det som blir igjen og er bevart ved all ødeleggelse og alle forandringer, følger det at stoffet selv aldri kan bli ødelagt; det inngår bare (som det numerisk samme stoffet) i nye ting.¹⁶ Vi kan altså snakke om de individuelle (partikulære) materiebitenes gang gjennom tingene: En stoffbit vil bestandig være partikulær (det er alltid snakk om den partikulære biten materie), og har dermed en egen (numerisk) identitet. Denne identiteten tenker en seg så at er bevart over tid.

• Stoffet er separerbart og bevegelig: Har vi de rette redskapene, kan vi alltid dele opp og separere et stykke materie, og ende opp med to forskjellige stykker materie. Disse kan vi så (dersom vi har mulighet til å `holde' på dem) behandle hver for seg, som helt selvstendige biter -- selv om de måtte være helt identiske, eller svært sammenbundet i utgangspunktet. Og selv om vi ikke greier å holde helt fast på dem, kan vi få dem til å bevege seg -- eller materie kan bevege seg `av seg selv'. Dette kan kalles stoffets mekaniske karakter.

• Siden urstoffet er det som fremtrer i alle mulige former, må det også ha evnen på et eller annet vis til å anta disse formene -- det Aristoteles kaller mulighet. Hvordan dette skjer `fra stoffets synsvinkel', er imidlertid et åpent spørsmål.

Disse egenskapene ved materien er ikke uavhengige, men henger ganske nøye sammen. Dette kan man se klart ved f.eks. å se på betingelsene for at det skal være mulig å snakke om numerisk identitet:

En klar forutsetning for å kunne si at to greier har hver sin numeriske identitet, er at de faktisk er (eller kan være) separate. Dersom greiene bare kan forstås som deler av en større helhet; dersom en ikke kan betrakte hver greie som uavhengig, kan heller ikke begrepet (numerisk) identitet anvendes. Dette betyr ikke at det må være praktisk mulig å separere greiene -- det kan godt hende at det er (prinsipielt) umulig å konstruere et redskap som gjennomfører denne separasjonen -- men de må kunne tenkes separat uten at de mister sin essens. I dagliglivet er separasjonen effektuert ved plassering i rommet: Når to greier befinner seg på forskjellige steder i rommet, er de effektivt separert og dermed numerisk forskjellige. Denne forutsetningen kan altså knyttes til materiens karakter av væren i rommet. I dagliglivet vil en materiell greie alltid være karakterisert ved en bestemt plassering i rommet -- i eksperimentell vitenskap er ikke dette nødvendigvis tilfelle, som kvantemekanikken viser.

En forutsetning for å kunne tenke materielle greier separert, og for å kunne snakke om materiell numerisk identitet over tid, er at det til materien er knyttet bevarte, ekstensive (additive) størrelser. At en eller annen størrelse (ikke nødvendigvis matematisk) må være knyttet til materien, er opplagt, ettersom materien kan bevege seg i rommet og dermed ikke direkte kan identifiseres med rommet selv.¹⁷ At denne størrelsen (disse størrelsene) er bevart, følger direkte av grunnsetningen om at materien er bevart. At størrelsene er additive, har sammenheng med separerbarheten, men går videre enn til bare å berøre spørsmålet om to greier som eksisterer samtidig er separate. Først og fremst har det sammenheng med muligheten for å si at det er snakk om den samme materien før og etter en ødeleggelse (substansiell forandring). Dersom vi nå tenker oss at to greier a og b på en eller annen måte slår seg sammen i en helhet, må det være en eller annen forstand hvor helheten ikke er større (eller mindre) enn summen av delene -- helheten må inneholde en `materiemengde' som er lik summen av `materiemengdene' til delene den er dannet av. Dermed kan det også gi mening, dersom en senere skulle ødelegge helheten og separere ut en bit, å spørre om denne biten inneholder det samme stoffet som f.eks. greie a. Det er også dette som gjør det meningsfylt å snakke om at noe materie har forsvunnet fra en ting, og så spørre seg hvor denne materien er blitt av. En kan kun si at en har funnet igjen all materien dersom summen av materiemengdene er den samme.¹⁸

Selv om vi har en slik additiv bevaring av materie, gir det likevel ikke mening å snakke om den samme materien dersom stoffet ved reaksjoner (substansielle forandringer) `blander seg' på en slik måte at det er prinsipielt umulig å identifisere stoffet fra de forskjellige reagentene i reaksjonsproduktet. Vi må altså kunne tenke oss materien identifisert og separert (med sine ekstensive størrelser) inne i enhver greie av endelig størrelse. En måte dette kan tenkes på (men sannsynligvis ikke den eneste) er at materiepunktene identifiseres med gjennomgående og veldefinerte verdenslinjer, dvs. at to verdenslinjer som på ett tidspunkt har en endelig avstand, også vil ha det på ethvert annet tidspunkt. Verdenslinjene kan enten være tellbare (hver verdenslinje tilhører et atom eller en elementærpartikkel) eller utgjøre et kontinuum (men med en viss tetthet av verdenslinjer pr. volum overalt). Mengden av materie innen et volum er direkte proporsjonal med fluksen av verdenslinjer gjennom volumet. Det er forbudt å la verdenslinjer skjære hverandre, ettersom dette ville gjøre separasjon umulig (dersom en ikke kan operere med ytterligere kvalitative kriterier for separasjon av verdenslinjer), likeledes kan ikke verdenslinjer oppstå eller forsvinne. En kan godt utvide rombegrepet, slik at to linjer kan være samme sted i rommet, men separert i en annen `dimensjon' (tilstandsvariabel). Kriteriene for at vi skal kunne ha numerisk identitet på mikroplanet blir likevel ganske restriktive -- det er ingen selvfølge at dette begrepet gir mening.

.

Urkraften er det atskillig mindre begrensninger på enn urstoffet, men heller ikke her er det vilkårlig hva en påstår. I det minste må den kunne virke på materien (og materiens må kunne opptre som kilde og angrepspunkt for krefter). Har en sagt noe om stoffet, har en dermed også sagt noe om kreftene. En må også kunne forklare opphavet til de kreftene som vi ser virke på det daglige plan. Disse kan grovt sett klassifiseres i tre typer:

• Tingene virker på hverandre ved kontakt. Den motstanden som gjør at en ting ikke kan trenge gjennom en annen, og som gjør at en ting kan dytte på en annen, er en form for kraft. Det samme gjelder den friksjonen eller motstanden som oppstår når to ting gnis mot hverandre (og også motstanden i luft og vann), og den kraften som gjør at skjøre ting knuses og myke ting blir deformert når de støter på noe hardere. Alt dette kan kalles mekaniske krefter.

• Vi har også ytre krefter som virker til å forandre materiens tilstand uten at dette behøver å skje ved noen direkte kontakt -- avstandskrefter av ulike slag. Den viktigste av disse er tyngdekraften, men vi kan også tenke på fenomener som lysforhold, temperatur osv., som fungerer som krefter. Strekk og spenninger (fjærkraft o.l.) kan muligens også regnes til denne kategorien -- dersom de ikke passer bedre inn i den neste.

• De forandringer som skjer med tingene `av seg selv', må også regnes som et resultat av en form for krefter -- indre krefter. Til disse må regnes alle former for naturlig vekst o.l., og generelt alt som skyldes tingenes indre struktur.

.

I jakten på urstoffet dukker det to motstridende interesser opp: På den ene side er man programmesig forpliktet til å forsøke å finne ett samlende prinsipp, dvs. ett og bare ett urstoff. På den annen side forekommer det så mange forskjellige slags substanser (i ordets svakere betydning) at det virker særdeles lite realistisk å skulle forklare alt dette ut fra bare ett eller to prinsipper (passivt og aktivt). En bedre fremgangsmåte ser ut til å være å forsøke å klassifisere alle de forskjellige slags materielle forekomster som vi har i verden, for på den måten å få en orden i det. Dermed ledes man naturlig til tanken om ikke ett, men flere urstoff eller (heller) elementer. De to retningene virker som om de utelukker hverandre gjensidig, og har nokså forskjellig tankegang: Mens en urstoff-tenker er opptatt av å forklare, og ser på elementlæra (med flere elementer) som temmelig ad hoc, er en element-tenker mer opptatt av å klassifisere, og ser på urstoff-tenkerens prinsipper som ganske dogmatiske og lite realistiske. Begge er imidlertid nødvendige, ettersom (banalt sagt) både verdens enhet og verdens flerhet må svares for -- de svarer til to forskjellige, men like grunnleggende erkjennelsesinteresser. Historien har også vist flere eksempler på at de to retningene har hjulpet hverandre gjensidig -- dette er mulig fordi de som regel beveger seg på noe forskjellige plan -- eller er til og med knyttet til to forskjellige vitenskaper, som fysikk og kjemi. En vellykket klassifisering av elementer fører ofte til at en oppdager et nytt enhetsprinsipp -- gjerne i form av en ny symmetri. Og en vitenskapelig enhetsteori må bestandig ha et grunnlag å arbeide på -- et grunnlag som kun kan skaffes til veie gjennom klassifisering. Slik gjorde klassifiseringen av grunnstoffene det mulig for kvantemekanikken å oppstå, mens klassifiseringen av hadronene på 50-tallet banet vei for SU(3) og kvarkmodellen.

I filosofien er denne motsetningen sterkere, fordi en der (stort sett) opererer på samme plan (tror man, i hvert fall). Her opptrer den som motsetningen mellom monistiske og pluralistiske retninger.