Κβαντική φυσική και διαλεκτικός υλισμός (6)

Συνέχεια από: Τρίτη 18 Αυγούστου 2020

Ο επαναπροσανατολισμός της σοβιετικής κριτικής

Από το βιβλίο «Φιλοσοφία και θετικές επιστήμες στην Σοβιετική Ένωση», εκδόσεις Rowohlt, 1958

του Gustav A. Wetter

 

Μάζα και ενέργεια

Η τοποθέτηση τού «φυσικού ιδεαλισμού»

Στο προηγούμενο κεφάλαιο είδαμε ότι ο Einstein είχε καταλήξει στην διατύπωση τής αρχής τής «αδράνειας τής ενέργειας», βασιζόμενος στην ειδική θεωρία τής σχετικότητας και σε μια προηγούμενη ανακάλυψη(την οποία έκανε ο Ρώσος φυσικός P. N. Lebedev), ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ασκούν πίεση. Βάσει αυτής της αρχής σε κάθε ενέργεια αντιστοιχεί μια αδρανειακή μάζα, που εκφράζεται από τον τύπο: E=mc². Αυτός ο νόμος έχει γίνει το θεμέλιο ολόκληρης τής ατομικής φυσικής, και βρίσκει την πρακτική εφαρμογή του στην εκμετάλλευση τής ατομικής ενέργειας. Επειδή κατά τις μεταβολές που υφίστανται οι πυρήνες, λαμβάνει χώρα ένα φαινόμενο που το ονομάζουν «έλλειμμα μάζας», μιλούν συχνά (με ένα παραπλανητικό τρόπο) περί μετατροπής της μάζας σε ενέργεια, ή και περί μετατροπής της ύλης σε ενέργεια. Από αυτή την τοποθέτηση, βγαίνει το συμπέρασμα, μερικές φορές φιλοσοφικά βεβιασμένο, πως η ύλη διαλύεται και μετατρέπεται σε τίποτα, και με τον τρόπο αυτό υπερβαίνεται ο υλισμός.

Δεν είναι λοιπόν περίεργο που οι σοβιετικοί φιλόσοφοι αφιερώνουν μεγάλο κόπο στον αγώνα εναντίον αυτής της νέας μορφής «ενεργετισμού» και «φυσικού ιδεαλισμού». Έχουν προ πάντων υπόψιν τους τις θέσεις των D. Jeans και A. Eddington, που θεωρούσαν την ακτινοβολία τής ενέργειας από τον ήλιο και τα άστρα ως «εξαφάνιση τής ύλης». Παραπέμπουμε σε εκφράσεις ορισμένων φυσικών, όπως για παράδειγμα του K. Darrow, που θεωρούσε την διάσπαση του ουρανίου «μετατροπή της ύλης ... σε κάτι που δεν είναι ύλη», ή των C. Chase και L. Barnett, που θεωρούν την μάζα και την ύλη ως μια «μορφή ενέργειας», και εξηγούν την δράση της ατομικής βόμβας από την μετατροπή της ύλης σε ενέργεια.  Ως κύριοι μάρτυρες αυτών των «ιδεαλιστικών» συμπερασμάτων, που προκύπτουν από τις παραπάνω θέσεις, είναι για παράδειγμα ο Αμερικανός «περσοναλιστής»  E. Brightman, ο οποίος θεωρεί ως φορέα της ενέργειας τον «θεό» ή την «ανώτερη προσωπικότητα», και στην ενέργεια βλέπει την «θεϊκή βούληση εν δράσει», και ο P. Jordan, που στο βιβλίο του «Η φυσική του 20^ου αιώνα», δηλώνει πως η νέα φυσική καταστρέφει τις επιστημονικές βάσεις του υλισμού.

Για τον λόγο αυτό, οι Σοβιετικοί φυσικοί κάνουν μεγάλες προσπάθειες στον τομέα της ατομικής φυσικής, να ερμηνεύσουν με το πνεύμα του διαλεκτικού υλισμού ακριβώς εκείνα τα δεδομένα, από τα οποία συμπεραίνεται η υποτιθέμενη μετατροπή της μάζας σε ενέργεια. Ένα από αυτά τα φαινόμενα είναι το «έλλειμμα μάζας», το οποίο παρατηρείται τόσο κατά τον σχηματισμό βαρέων πυρήνων από πρωτόνια και νετρόνια, όσο και κατά την διάσπαση βαρέων πυρήνων σε ελαφρότερους, και κατά την μετατροπή τού ζεύγους ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο (το θετικά φορτισμένο αντίστοιχο του ηλεκτρονίου, το «αντί-ηλεκτρόνιο») σε κβάντα ενέργειας (γάμμα φωτόνια).

Για να καταλάβουμε τα επόμενα πρέπει να αναφέρουμε, πως για την σοβιετική φιλοσοφία η ύλη εμφανίζεται σε δυο μορφές: ως «υλικό»(κατασκευής) και ως «φως» με την ευρύτερη έννοια, δηλαδή ως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το «υλικό» έχει για στοιχειώδη σωματίδια τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια, τα νετρόνια... Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έχει για στοιχειώδη σωματίδια τα φωτόνια, που αναλόγως του μήκους κύματος της ακτινοβολίας στην οποία ανήκουν, διαφέρουν «ποιοτικά», σύμφωνα με τους σοβιετικούς φιλοσόφους (τα κύματα του ασυρμάτου έχουν το μεγαλύτερο μήκος κύματος. Ακολουθούν τα θερμικά κύματα, τα φωτεινά κύματα, οι ακτίνες Röntgen, και ακτίνες γάμμα, που έχουν το πιο μικρό μήκος κύματος). Και τα δυο είδη ύλης έχουν μάζα και ενέργεια. Την κύρια διαφορά τους εντοπίζει ο Wislobokow στο ότι τα στοιχειώδη σωματίδια του «υλικού» έχουν τόσο μια αδρανειακή όσο και μια μάζα κίνησης, ενώ τα φωτόνια δεν έχουν αδρανειακή μάζα. Για τον λόγο αυτό, τα στοιχειώδη σωματίδια του υλικού μπορούν να έχουν διάφορες ταχύτητες, αλλά σε καμιά περίπτωση την ταχύτητα του φωτός, ενώ τα φωτόνια, έχουν μόνο την ταχύτητα του φωτός, ανεξαρτήτως μήκους κύματος. Επίσης τα φωτόνια είναι πάντα ηλεκτρικά ουδέτερα, ενώ τα στοιχειώδη σωματίδια του  υλικού μπορεί να είναι ηλεκτρικά θετικά ή αρνητικά φορτισμένα, ή ουδέτερα.

Οι σοβιετικοί φιλόσοφοι αντιτείνουν στον «ενεργετισμό» και τον «φυσικό ιδεαλισμό», πως στην βάση τής «εξαφάνισης της μάζας λόγω μετατροπής στην ακτινοβολία» και του «ελλείμματος μάζας», βρίσκεται η μετατροπή του «υλικού» σε «ηλεκτρομαγνητικό πεδίο», και όχι η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια. Το σύνολο τής μάζας και ενέργειας είναι σταθερό, και σε καμιά περίπτωση δεν δημιουργείται ενέργεια εις βάρος της μάζας.

«Τό έλλειμμα μάζας»

Αυτό που κατά τις αντιδράσεις των πυρήνων γίνεται αντιληπτό ως «έλλειμμα μάζας», δεν οφείλεται μόνο σε κάποια έλλειψη μάζας, αλλά σύμφωνα με τον Wislobokow, συνοδεύεται και από απώλεια ενέργειας εντός του ατόμου. Η ενέργεια του ατόμου αποτελείται από δυο μέρη: την ενέργεια του επιπέδου των ηλεκτρονίων και την ενέργεια του πυρήνα, η οποία είναι και το κύριο μέρος της ενέργειας. Είναι η ενέργεια των δυνάμεων, με τις οποίες συγκρατούνται τα σωματίδια του πυρήνα-πρωτόνια και νετρόνια-και για τον λόγο αυτό η ενέργεια αυτή ονομάζεται ενέργεια δεσμών. Αν διαιρέσει κανείς την ενέργεια δεσμών με τον αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων, θα βρει πως την μεγαλύτερη ενέργεια δεσμών ανά σωματίδιο έχουν τα στοιχεία που βρίσκονται στο μεσαίο τμήμα του περιοδικού πίνακα του Mendelejew. Η ενέργεια αυτή είναι πιο μικρή στα ελαφρά στοιχεία, και ακόμα μικρότερη στα βαρέα στοιχεία. Από εδώ προκύπτει πως η ενέργεια μπορεί να ελευθερωθεί με δυο τρόπους: α) μέσω διάσπασης βαρέων ατόμων, και β) μέσω σύνδεσης ελαφρών ατόμων για να σχηματίσουν βαρέα άτομα. Με εξαίρεση τα άτομα στο μέσο του περιοδικού πίνακα, όλα τα υπόλοιπα μπορούν θεωρητικά να χρησιμοποιηθούν ως «καύσιμο» πυρηνικών αντιδράσεων.

Το γεγονός ότι το έλλειμμα μάζας κατά την αντίδραση της διάσπασης, δεν σημαίνει και την μετατροπή σε ενέργεια, της μάζας που έφυγε, το εξηγεί ο Wislobokow με το παράδειγμα της αντίδρασης που προκύπτει μετά τον βομβαρδισμό ενός ατόμου λιθίου με ένα πρωτόνιο. Το αποτέλεσμα του βομβαρδισμού είναι ο σχηματισμός δυο α-σωματιδίων(πυρήνας ηλίου), τα οποία πετούν με μεγάλη ταχύτητα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Αυτό εκφράζεται με τον εξής τύπο: Li⁷₃+H¹₁→2He⁴₂. Η ενέργεια δεσμών στον πυρήνα του λιθίου είναι 39 μέγα-ηλεκτρονιοβόλτ(MeV), εκείνη στο κάθε σωματίδιο α είναι 28MeV, τα δυο μαζί 56MeV. Αυτό σημαίνει πως η εσωτερική ενέργεια των δυο σωματιδίων α είναι κατά 17MeV μικρότερη σε σχέση με την εσωτερική ενέργεια του λιθίου.( Το ότι αυτή η τιμή των 17MeV θεωρείται μείωση της εσωτερικής ενέργειας και όχι  αύξηση, μπορούμε να το εξηγήσουμε ως εξής: η ενέργεια δεσμών στην οποία αναφερόμαστε, είναι εκείνη η ενέργεια την οποία πρέπει να προσθέσει κανείς για να διαχωρίσει τον πυρήνα στα συστατικά του ή η ενέργεια που απελευθερώνεται, όταν τα πυρηνικά σωματίδια ενώνονται υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων. Όπως για παράδειγμα απελευθερώνεται ενέργεια όταν μια πέτρα πέσει από μεγάλο ύψος υπό την επίδραση της βαρύτητας, και κινείται προς το κέντρο της γης. Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια δεσμών, τόσο πιο στενά συνδεδεμένα τα σωματίδια μεταξύ τους. Όταν λέμε πως η ενέργεια δεσμών του α-σωματιδίου είναι μεγαλύτερη από αυτήν του πυρήνα του ηλίου, αυτό σημαίνει πως τα πρωτόνια και νετρόνια στο σωματίδιο-α είναι πιο στενά συνδεδεμένα από ότι είναι στον πυρήνα του ηλίου. Αυτό έχει ως συνέπεια το εξής: χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για να διαχωριστούν τα συστατικά του πυρήνα του ηλίου, απ’ όση ενέργεια κερδίζεται όταν τα συστατικά αυτά μαζί με το εισερχόμενο πρωτόνιο συνδυάζονται ώστε να δημιουργήσουν δυο σωματίδια α.) Αυτή είναι όμως η τιμή της κινητικής ενέργειας των α-σωματιδίων. Σε αυτή την απώλεια ενέργειας αντιστοιχεί το έλλειμμα μάζας, όπως ακριβώς προκύπτει από τον τύπο: Ε=mc². Το σύνολο των μαζών πριν την αντίδραση ήταν 8,026294 μονάδες μάζας, μετά την αντίδραση 8,007720. Το έλλειμμα μάζας είναι λοιπόν 0,018574 μονάδες μάζας. Αυτή η μάζα που έφυγε δεν έχει μετατραπεί σέ κινητική ενέργεια, όπως ισχυρίζονται οι «φυσικοί ιδεαλιστές», αλλά από «αδρανειακή μάζα» έχει γίνει «κινούμενη μάζα». Παριστάνει δηλαδή την μάζα τής κινητικής ενέργειας που προσέλαβαν τα σωματίδια-α λόγω τής μεγάλης τους ταχύτητας(1/20 της ταχύτητας του φωτός).

Κάτι παρόμοιο ισχύει και για άλλες διαδικασίες διάσπασης. Συχνά όμως εκπέμπεται και ακτινοβολία γ, όπως στην περίπτωση διάσπασης του ουρανίου που χρησιμοποιείται στην ατομική βόμβα. Σε τέτοιου διασπάσεις έχουμε τις εξής μετατροπές μάζας και ενέργειας: το μεγάλο μέρος της μάζας του αρχικού πυρήνα διατηρείται ως αδρανειακή μάζα των «προϊόντων διάσπασης» και των σωματιδίων(νετρόνια) που εκπέμπονται, ένα μικρό μέρος μετατρέπεται σε «μάζα κίνησης» των «προϊόντων διάσπασης» και των νετρονίων, και ένα άλλο μέρος εμφανίζεται ως μάζα των φωτονίων  της ακτινοβολίας γ, που είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αναλόγως διανέμεται και η ενέργεια του διασπαζόμενου πυρήνα: το μεγάλο μέρος της πηγαίνει στην εσωτερική ενέργεια των νέων ατόμων, ένα μικρό μέρος γίνεται κινητική ενέργεια και το υπόλοιπο ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.

Κατά την αντίστροφη διαδικασία της σύνδεσης ελαφρότερων πυρήνων ώστε να σχηματιστούν βαρύτεροι, εμφανίζεται επίσης το έλλειμμα μάζας, φαινόμενο το οποίο ερμηνεύουν ως μετατροπή μάζας σε ενέργεια. Σε φυσικές συνθήκες πάνω στην γη, δεν λαμβάνουν χώρα τέτοιες διαδικασίες. Στον ήλιο όμως και στους απλανείς αστέρες παίζουν μεγάλο ρόλο. Κατά την εξέλιξη των απλανών αστέρων παρατηρείται απώλεια μάζας. Αυτή η χαμένη μάζα εμφανίζεται ως μάζα της εκπεμπόμενης ενέργειας με την μορφή φωτός και θερμότητας.

Το ότι και σε αυτή την διαδικασία δεν έχουμε μετατροπή της μάζας σε ενέργεια, το δείχνει ο Wislobokow με την λεγόμενη διαδικασία του Bethe, η οποία λαμβάνει χώρα στον ήλιο μας. Σύμφωνα με την διαδικασία αυτή, δια μέσου μιας σειράς  αντιδράσεων σχηματίζεται από 4 πρωτόνια ο πυρήνας του ηλίου. Το ελαφρύτερο στοιχείο υδρογόνο μετατρέπεται σε ένα βαρύτερο στοιχείο, το ήλιο. Η μάζα 4 απομονωμένων πρωτονίων θα είχε μάζα 4,03416 μονάδες μάζας, ενώ η πραγματική μάζα του πυρήνα του ηλίου  είναι 4,00384 μονάδες μάζας. Έχουμε δηλαδή  απώλεια 0,03032. Να σημειώσουμε πως κατά τον κύκλο του Bethe, σε μερικά ενδιάμεσα στάδια εκπέμπονται ακτίνες γ, που έχουν μεγάλη μάζα και ενέργεια. Σύμφωνα λοιπόν με τον Wislobokow, λαμβάνει χώρα μια μερική μετατροπή του «υλικού» σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το παραπάνω έλλειμμα μάζας εξηγείται ως εξής: ένα μέρος της μάζας του «υλικού», που είναι ποσοτικά ίση με το έλλειμμα μάζας έχει μετατραπεί σε φωτόνια και μέσω αυτών έχει απομακρυνθεί.

 Συνεχίζεται

Αμέθυστος