2. Prawa pierwotne

19
2. Prawa pierwotne
Wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z atomów. Najmniejsze obiekty badane pod
mikroskopem i największe galaktyki oglądane przez teleskopy to skupiska atomów.
Każdy organizm żywy, w tym i my sami, to też skupisko atomów. Jest to fakt niepodlegający dyskusji. Przypominają o tym nawet słowa kapłana wymawiane w trakcie
złożenia do grobu: „Z prochu powstałeś i w proch się obrócisz”. Każdy lepiej lub
gorzej wyizolowany obiekt jest zbudowany z odpowiednio rozmieszczonych względem siebie atomów, które wzajemnie na siebie oddziałują, a suma tych wszystkich
oddziaływań to właściwości obiektu.
2.1. Natura rzeczy
Żyjemy na obiekcie nazwanym przez naszych przodków Ziemią, który jest planetą
cyklicznie obiegającą inny obiekt nazwany Słońcem. Na „naszej” Ziemi płyną rzeki, pada
deszcz, w pewnych jej rejonach trzęsie się ziemia i wybuchają wulkany, no i jesteśmy my
oraz mnóstwo innych tak zwanych stworzeń: roślin, owadów, ryb, grzybów, ptaków,
bakterii... Żadne z nich nie zastanawia się nad sensem istnienia – robimy to tylko my.
Ale czy przypadkiem właśnie to zastanawianie się nie powoduje, że nie dostrzegamy
pewnych oczywistości? Czy jest bowiem jakiś głębszy sens w tym, że kamień spada
w kierunku Ziemi z przyspieszeniem równym w przybliżeniu dziesięciu metrom
na sekundę do kwadratu? Czy jest jakiś sens w tym, że ten sam kamień, gdyby znalazł
się na Księżycu, spadałby z przyspieszeniem sześciokrotnie mniejszym? A jaki sens ma
istnienie kryształów? A jaki sens ma lejąca się z kranu woda? Może po prostu „jest, jak
jest” i nie należy się doszukiwać niczego poza tym? Może zamiast szukania sensu życia
trzeba po prostu zastanowić się nad tym, dlaczego jest ono takie, jakie jest, i nad tym, jakie
czynniki sprawiają, że jest właśnie takie? Ludzkość odkryła, dobrze poznała i z powodzeniem wykorzystuje pewne prawa fizyki, takie jak choćby prawo powszechnego ciążenia
lub prawo Archimedesa... Jednak nie są to prawa, które tłumaczą sens tego wszystkiego,
co się dzieje we wszechświecie – one tylko tłumaczą, dlaczego i jak to się dzieje.
„Natura rzeczy” ma to do siebie, że „jest, jak jest”! A jeśli „jest tak, jak jest”, to znaczy, że mają miejsce określone oddziaływania, zależności i procesy, które możemy
ująć w postaci praw, a to, że „jest tak, jak jest”, wskazuje li tylko, że taka jest właśnie
fizyka zjawiska. Fakt, że coś nie jest dla nas zrozumiałe, wcale nie oznacza,
że spowodowane jest siłami tajemnymi, a nie procesami fizycznymi. Jeszcze
trzysta lat temu tworzenie ruchomych obrazów na ścianie należałoby do magii lub
mocy tajemnych! Gdyby pokazać człowiekowi żyjącemu w XVIII wieku telewizor
lub kino, byłby przekonany, że ma do czynienia z mocami piekielnymi, a dziś nie
dziwi to nawet dziecka. W „naturze rzeczy” nie doszukujmy się odgórnego planu,
lecz raczej próbujmy dociec, na czym ona polega.
2.2. Aksjomaty fizyki życia
Odkryliśmy prawo powszechnego ciążenia, gdyż zauważyliśmy, że jabłko spada na Ziemię, a planety się przyciągają. Pojedyncze atomy również dążą do grupowania się. Każdy
John Freeslow Fizyka życia
20
obiekt mający masę podlega prawu powszechnego ciążenia. Ciążenia? Czy można
mówić o ciążeniu dwóch cząstek, gdy w odległej kosmicznej pustce znajdą się one
na tyle blisko siebie, że zaczynają się z równą siłą przyciągać? Może lepszymi określeniami zamiast przyziemnego „ciążenia” byłyby bardziej uniwersalne „grupowanie”
lub „koncentracja”? [...] cokolwiek występuje w świecie (także we wszechświecie), podlega
obiektywnemu i obiektywnie działającemu „prawu koncentracji” – zapewne jednemu z „praw
natury”. To model rozwoju, a raczej model podążania do eksplozji będącej nieruchomym rezultatem każdej koncentracji [10, str. 235]. Cząstki grupują się w różnoraki sposób, tworząc
ciała stałe, ciecze i gazy, plazmę, mieszaniny i stopy – ogólnie rzecz biorąc – obiekty
materialne o pewnym składzie chemicznym, pewnej strukturze i pewnych właściwościach. Najciekawszą, przynajmniej z naszego punktu widzenia, grupę tego typu
obiektów stanowią organizmy żywe. Co prawda charakteryzuje je stosunkowo mała
trwałość, jednak ich różnorodność jest przeogromna. Zalicza się bowiem do nich całą
gamę przeróżnych typów obiektów, począwszy od stosunkowo prostych konstrukcyjnie wirusów4, a skończywszy na bardzo skomplikowanych obiektach takich jak
na przykład my sami. Może zatem zamiast mówić o prawie powszechnego ciążenia,
które manifestuje się zaledwie przyciąganiem grawitacyjnym i którego charakter opisuje proste równanie, właściwiej będzie mówić o prawie powszechnej koncentracji,
które manifestuje się nie tylko przyciąganiem, lecz również takim skomplikowanym
zjawiskiem, jakim jest życie, i którego charakter opisuje wielki zbiór różnego rodzaju
wzorów i metod matematycznych?
Rozważania rozpocznijmy od sformułowania w postaci aksjomatów5 czterech praw
pierwotnych, które stanowić będą fundament fizyki życia.
2.2.1. Aksjomat dualizmu natury rzeczy
Cząsteczki i atomy dążą do grupowania się i tworzenia obiektów trwałych. Czy
wszystkie i w każdych warunkach? Generalnie rzecz biorąc, grupują się wszystkie,
lecz okazuje się, że zdarzają się i takie okoliczności, w których wzajemne relacje
międzycząsteczkowe daje się opisać rozkładem od skrajnie silnego przyciągania
do skrajnie silnego odpychania. Spostrzeżenie to stanowi treść aksjomatu dualizmu natury rzeczy.
Spójrzmy na dzieci na podwórku przedszkola. Niektóre z nich bawią się w grupach,
niektóre samodzielnie, ale są też i takie, które czasem są w grupie, a czasem same.
Podobnie dzieje się w przypadku cząstek. Gdyby nie było sił przyciągania pomiędzy
4
Wirusy (łac. virus – trucizna, jad) – skomplikowane cząsteczki organiczne nieposiadające struktury komórkowej,
zbudowane z białek i kwasów nukleinowych. Zawierają materiał genetyczny w postaci RNA (retrowirusy) lub
DNA. W zależności od przyjętej definicji życia wykazują zarówno cechy organizmów żywych, jak i materii
nieożywionej [Wikipedia pol., stan z dnia 2008.11.12].
5
Aksjomat (gr. aksíoma – zgodność, pewność, oczywistość ) – jest to jedno z podstawowych pojęć logiki
matematycznej. Od czasów Euklidesa uznawano, że aksjomaty to zdania przyjmowane za prawdziwe, których
nie dowodzi się w obrębie danej teorii matematycznej. We współczesnej matematyce definicja aksjomatu jest nieco
inna: aksjomaty są zdaniami wyodrębnionymi spośród wszystkich twierdzeń danej teorii, wybranymi tak, aby
wynikały z nich wszystkie pozostałe twierdzenia tej teorii [Wikipedia pol., stan z dnia 2008.11.12].
2. Prawa pierwotne
21
nimi, nie powstałyby czarne dziury6, a z drugiej strony gdyby w skumulowanej materii nie przeważały siły odpychające, nie byłoby Wielkiego Wybuchu7. Osiemdziesiąt
kilometrów ponad naszymi głowami w wielkich odległościach od siebie swobodnie
fruwają pojedyncze cząstki, a z kolei my sami osiemdziesiąt kilometrów niżej pewnie
stąpamy po zbiorze cząstek scementowanych siłami grawitacji – po naszej twardej
Ziemi. Na styku tych dwóch obszarów występuje strefa, w której w pełnej krasie
manifestuje się dualizm natury rzeczy. Obszar ten złożony jest z dwóch płynnych
oceanów: powietrznego i wodnego, i to właśnie w nich cząstki trochę się przyciągają
i trochę odpychają.
2.2.2. Obiekty materialne
Które z praw fizyki sprawiają, że powstają obiekty materialne? Wszystkie te, które
działają w danych warunkach zewnętrznych. I są to nie tylko oddziaływania, które
określiliśmy mianem grawitacyjnych, lecz również elektromagnetyczne, chemiczne,
van der Waalsa, jądrowe oraz być może te, których człowiek jeszcze nie zna lub nie
rozumie. Jeśli dane warunki zewnętrzne uniemożliwiają powstawanie obiektów –
obiekty po prostu nie powstają. Natomiast powstające w wyniku grupowania obiekty,
nawet dwucząstkowe, mają różnego rodzaju właściwości.
2.2.2.1. Struktura obiektu materialnego
Cząstki tworzące obiekt układają się w pewien specyficzny sposób i właśnie to ich
rozmieszczenie względem siebie nazywamy strukturą. Zwróćmy uwagę na to, że
właściwości obiektu złożonego z cząstek A, B i C mogą być różne w zależności od
tego, czy ułożą się one w obiekt ABC, czy BAC.
2.2.2.2. Czas trwania obiektu
Jedną z niewielu właściwości wspólnych dla obiektów dowolnego typu jest trwałość,
mierzona czasem ich trwania. Jeszcze nie raz będę ubolewał nad niejednoznacznością
języka, którym przychodzi nam się posługiwać, ale niestety nawet w języku naukowym
do określania tej właściwości wykorzystywane jest słowo „życie”. Mówi się na przykład
o „życiu planet”, mając oczywiście na myśli czas ich trwania. My, aby uniknąć tej
dwuznaczności, w dalszych rozważaniach czas trwania obiektu będziemy zapisywali
skrótem CTO, natomiast słowo „życie” zarezerwujemy wyłącznie do określania
CTO obiektów, które... w specyficzny sposób się „powielają” i „coś tam czynią8”,
by przedłużyć swoje CTO. Wracając do właściwości, jaką jest trwałość – nietrudno
zauważyć, że obiekty mogą powstać i po pewnym czasie Dt się rozpaść. W zależności
od tego, jakie to Dt jest, oraz od tego, jak to Dt interpretuje obserwator, możemy mówić
o obiektach trwałych, nietrwałych lub na przykład natychmiast się rozpadających.
Czarna dziura to obszar (w angielskiej wersji Wikipedii dodano, że jest to obszar teoretyczny)
w przestrzeni kosmicznej, który tak silnie oddziałuje grawitacyjnie na otoczenie, że nic, nawet promieniowanie
elektromagnetyczne (w tym światło), nie mogą go opuścić [Wikipedia pol., ang., rus., stan 2008.11.12].
6
7
Wielki Wybuch to model powstania wszechświata uznawany przez współczesną kosmologię za najbardziej
prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,73 mld lat temu dokonał się Wielki Wybuch z nieprawdopodobnie
gęstej i gorącej osobliwości [Wikipedia pol., stan 2008.11.12].
8
Jak wkrótce się przekonamy, nie chodzi wyłącznie o darwinowską „walkę”, dlatego też słowo „walczą” zostało jak na razie zastąpione określeniem „coś tam czynią”.
22
John Freeslow Fizyka życia
Oczywiście przysłówek „natychmiast” wnosi subiektywizm obserwatora, ponieważ
dla obiektu „człowiek” obiekt „góra” trwa wiecznie, a z kolei z punktu widzenia, dajmy
na to Araratu (góra w Turcji), ludzie ulegają nieomal natychmiastowemu rozpadowi.
2.2.2.3. Transformowalność obiektów materialnych
Drugą istotną właściwością obiektów jest ich transformowalność, czyli przeistaczanie się w inne obiekty o innych właściwościach. Liczba możliwych transformacji
Ryc. 2. Obiekt – kryteria obiektowości i czynniki sprawcze:
białe – inicjatory, np.: pomysł na budowę; zielone – konstruktory, np.: cegły, dźwig, pracownicy budowlani;
czerwone – destruktory, np.: złodziej, deszcz; czarne – terminatory, np.: bomba.
Kryteriami obiektowości są zarysy zewnętrzne i wewnętrzne oraz wszystkie własciwości, które musi mieć obiekt.
zależy od liczby cząstek tworzących dany obiekt. Oczywiste jest, że im więcej cząstek
go tworzy, tym większa jest liczba możliwych transformacji. Obiekt dwucząstkowy
może się rozpaść na dwie pojedyncze cząstki lub połączyć z innymi iluśtamcząsteczkowymi obiektami. Na przykład obiekt AB może w wyniku transformacji utworzyć
obiekty: A i B, ABFF, DDAB, ABFGHIJK itp.
W języku potocznym rozpad obiektu na atomy określany jest jako śmierć. Tymczasem
w wyniku transformacji obiekt się tylko zmienia. Może oczywiście ulec rozpadowi
na pojedyncze cząstki lub na obiekty kilkucząstkowe, lecz może również przeistoczyć się w inny obiekt lub tylko zmienić niektóre swoje właściwości. Analogicznie
do wyłączności, której udzieliliśmy słowu „życie”, określenie „śmierć” zastrzegamy
tylko do obiektów żywych. Mówienie o życiu gwiazdy lub śmierci kawałka drewna,
które właśnie spaliliśmy w kominku, będziemy od tej pory traktować jako błąd logiczny.
2.2.2.4. Kryteria obiektowości
Obiekt stanowi pewną charakterystyczną całość, a stanowi ją tak długo, ile wynosi
jego CTO. Natomiast to, ile wynosi CTO, zależy wyłącznie od tego, jak długo obiekt
23
2. Prawa pierwotne
stanowi tę „pewną charakterystyczną całość”. Gdy obiekt dwucząstkowy AB rozpadnie
się na dwa obiekty A i B, przestaje być całością i tym samym obiektem, którym był.
Natomiast gdyby od obiektu złożonego z kwintyliarda (1033) cząstek oderwały się
dwie, to prawdopodobnie dalej byłby on uważany za ten sam obiekt. Kryteria, według
których stwierdzamy, czy rozpatrywany obiekt dalej jest tym samym obiektem, czy
stanowi już nową charakterystyczną całość, nazywamy kryteriami obiektowości.
Oczywiście nie mają one ani charakteru obiektywnego, ani uniwersalnego – są
ustalane w sposób subiektywny przez obserwatora, a nam pozostaje albo się z nimi
zgodzić, albo wymyślić nasze własne.
Gdybyśmy zastanawiali się, czy płot po usunięciu jednej sztachety jest nadal tym
samym płotem, odpowiedzi udzielą nam właśnie kryteria obiektowości. „Nie, nie jest
to już ten sam obiekt, bowiem obiekt, o którym mówimy, miał zabezpieczać teren
przed kotem sąsiada, który załatwia się w piaskownicy naszych dzieci”, ewentualnie
„Tak, jest to dalej ten sam płot, ponieważ nawet bez tej jednej sztachety nadal skutecznie chroni przed wtargnięciem dużych psów”. Jeśli, Czytelniku, zastanawiasz się,
czy ciągle jesteś tym samym obiektem, którym byłeś w łonie matki lub gdy miałeś
11 lat, to odpowiedzi musisz szukać właśnie przez ustalenie kryteriów obiektowości.
Tradycyjnie uważa się, że cały czas jesteś tym, kim byłeś, ale można też spotkać się
i z odmienną opinią, która wynika z tego, że materia, z której jesteśmy zbudowani,
wymieniana jest w całości przeciętnie co 10 lat. Zatem ocena, czy coś jest obiektem lub właśnie przestało nim być, zależy wyłącznie od subiektywnych kryteriów
obiektowości. Jeśli je określimy lub przyjmiemy przez kogoś już określone, to w ich
świetle będziemy mogli stwierdzić, czy obiekt nadal jest tym samym obiektem oraz
kiedy kończy nim być i zaczyna być czymś innym.
2.2.2.5. Czynniki sprawcze
Które z obiektów są obiektami najtrwalszymi? Najtrwalszymi to znaczy trwającymi
najdłużej. Odpowiedź na to pytanie jest banalnie prosta: te, które w danych okolicznościach trwają najdłużej. Co zapewnia trwałość obiektu? Czy jest jakiś jeden
czynnik, który na to wpływa? Ogólnie rzecz biorąc – nie. Trwałość lub nietrwałość mogą być spowodowane dowolnymi czynnikami: siłą grawitacji, wiązaniami
elektromagnetycznymi, ruchem... generalnie dowolnym zjawiskiem fizycznym lub
zespołem zjawisk. W przypadku obiektów żywych mogą one być tak bardzo wyrafinowane jak na przykład: lekarstwo, kłamstwo, dominacja, praca, kradzież, władza
lub przypadkowa absencja w miejscu zamieszkania.
Gdyby obiekt był zawieszony w próżni, w której nie dochodziłyby doń żadne
oddziaływania zewnętrzne, a w nim samym nie zachodziłyby żadne procesy
wewnętrzne, to w sposób niezmienny trwałby wiecznie. Gdy jednak rzeczone
oddziaływania występują i wpływają na obiekt, można je uważać za grupę czynników sprawczych i w zależności od roli jaką spełniają, zaszeregować do jednej
z następujących kategorii:
•inicjatorów – czynników powołujących obiekt do istnienia. W przypadku omawianego płotu będą to: przyczyna, która wywoła pomysł zbudowania, założenia,
które będzie musiał spełniać, projekt opisujący, jak będzie wyglądał i z czego
24
John Freeslow Fizyka życia
zostanie wykonany, czynności związane z zakupem materiałów oraz praca, którą
trzeba włożyć, by go zbudować;
•konstruktorów, które wydłużają CTO, podtrzymując stan „pewnej charakterystycznej całości”, i sprawiają, że kryteria obiektowości są spełniane. W przypadku
gdy dysponujemy miarą spełniania tego kryterium, będą nim te czynniki, które
poprawiają spełnianie. Do grupy konstruktorów obiektu „płot” należą nie tylko
malowanie, konserwacja i naprawy, lecz również czynności związane z poszukiwaniem farby, która na dłużej zabezpieczy sztachety;
•przeciwstawne do konstruktorów są destruktory, które robią wszystko, by obiekt
przestał stanowić tę „pewną charakterystyczną całość”. Sprawiają one, że kryteria
obiektowości przestają być spełniane, a gdy dysponujemy miarą – są to te, które
pogarszają jej spełnianie. W odniesieniu do płotu będą nimi czynniki atmosferyczne, dziecko, które uderza weń piłką, powodując odpadanie farby, i nierzetelny
fachowiec, który źle go pomalował;
•ostatnie w szeregu czynników sprawczych są terminatory, które powodują, że
obiekt definitywnie przestaje być tym, czym był. Decyzja o rozbiórce i sama rozbiórka są terminatorami płotu.
2.2.3. Aksjomat wzajemnego oddziaływania
Drugim aksjomatem fizyki życia jest aksjomat wzajemnego oddziaływania,
który mówi: cząstki elementarne, atomy, cząsteczki i obiekty z nich zbudowane
oddziałują między sobą.
Myślę, że nad tym aksjomatem nie ma co się dłużej rozwodzić, ponieważ nawet jeżeli
pomiędzy wybranymi obiektami oddziaływanie nie zachodzi, to z matematycznego
punktu widzenia i tak istnieje, ale jego wartość równa jest zeru.
2.2.4. Aksjomat zmienności
Trzeci aksjomat – aksjomat zmienności – brzmi: wszelkie obiekty są zmienne
w czasie.
Obiekty, które wydają się niezmienne, nie zmieniają się tylko z pozoru. Każdy
obiekt i każde zjawisko mają różne fazy istnienia. Aksjomat ten ma fundamentalne
znaczenie w fizyce życia, każe bowiem rozpatrywać wszelkie zjawiska jako procesy,
a więc na przykład wyróżniać ich kolejne fazy i badać następstwa.
Można próbować podważyć i ten aksjomat, podając jako przykład stałość prędkości
światła. No cóż, nawet jeśli tak jest w istocie, to także i na to zagadnienie możemy
spojrzeć z matematycznego punktu widzenia i potraktować prędkość światła jako
wielkość zmienną, z założeniem, że zmiany są pomijalnie małe.
2.2.5. Aksjomat właściwości
Aksjomat czwarty to aksjomat właściwości. Właściwości każdego obiektu są
wypadkową właściwości, zachowań i wzajemnych oddziaływań jego elementów
składowych. Najogólniej rzecz biorąc, chodzi oczywiście o wszystkie atomy, z których zbudowany jest obiekt.