Wetenskapsleer vir Fisika en Chemie 3 | VCHO
Wetenskapsleer (WNR311) vir Fisika en Chemie
Prof P. H. Stoker
Hoofstuk 6. Die menslike faktor in die vorming van chemie en fisika
6.1 Sekulêre kennis en Skrifopenbaring
Sekulêre (wêreldse) kennis is daardie kennis wat almal in die wêreld op rasionele (verstandelike) gronde kan aanvaar, ongeag van geloofsoortuiging. Almal aanvaar dan die paradigma (geloofsopvatting, metode) van die wetenskap van die tyd en skuif hulle eie religieuse geloof opsy. Die Christelike grondmotief van heers en bewerk tot eer van God word daarmee vervang deur 'n humanistiese motief om te heers en bewerk tot bemagtiging van die mens deur sy (wetenskaplike) kennis.
Sekulêre kennis is gemene grond waarop alle mense mekaar ontmoet. Byvoorbeeld almal aanvaar die swaartekragwet van Newton. Almal aanvaar die fisiese en chemiese wette en teorieë wat ons in ons kursusse aan studente leer, maak nie saak wat die geloofsoortuigings van studente is nie. Dit is algemeen aanvaarde kennis, ook genoem openbare kennis, kennis wat vir almal toeganklik (oop) is. Dit is kennis wat op een of ander ordelikheid, reëlmatigheid of wetmatigheid in ons gemeenskaplike, alledaagse ervaring gegrond is. Openbare kennis het dus 'n gemeenskaplike begronding, op grond waarvan ons almal kan saamstem oor 'n bepaalde inhoud en aard van sekere kennis as kennis. Dat dit kennis is wat deur alle mense onder bepaalde omstandighede aanvaar word, beteken dat daar een of ander wet moet wees, een of ander rigtinggewende beginsel, 'n ordeningsbeginsel moet wees, waaraan ons ons kennis onderhewig maak.
In die loop van eeue was daar verskillende wetsbeskouinge, waarop openbare kennis gegrond is: Platonies: die wêreld van ideës (buite die mens se denke), wat die sintuiglike wêreld transendeer; Aristoteliaans: die wêreld van volmaakte vorme ingebed in die sintuiglike wêreld; Kantiaans: waarvolgens die wet 'n rasionele struktuur van die mens se gedagtes is; of positivisties: die wet word gevind in die universele rasionele metode van die wetenskap.
Hierteenoor openbaar die Woord van God aan ons dat God in Christus die Een is, Wie alle dinge deur sy Woord bestier. Dit is God se wetswoord, wat die wet is waardeur die hele skepping bestier word, insluitend die kenniswêreld van die mens. Hierdie wet is nie inherent deel van die skepping nie (nie panteïsties nie), maar transendeer die skepping. Dit beteken dat die skepping nie daarvolgens los van God verloop nie. Dit is nie die 'natuurwet' wat die mens uit sy waarnemings en deur sy rasionele wetenskaplike werke ontdek nie. Die 'natuurwet' is 'n faset van die kosmiese wetsorde en vergestalt die ordelike wyse waarop God die skepping onderhou en bestier.
Dit is daarom belangrik dat ons onderskei tussen God se wetswoord, wat die bestierswet vir die skepping is, en die mens as skepsel se ervaring van die kosmiese wetsorde, die skeppingsordeninge wat voortkom uit die ordegewende aktiwiteit van God se Woord. Omdat alle mense die skeppingsordeninge op dieselfde wyse ervaar en waarneem, kan bepaalde kennis deur almal, ongeag van geloof, aanvaar word. Aan hierdie sogenaamde sekulêre (wêreldse) kennis kan alle natuurwetenskaplikes saamwerk om wetenskap te vorm, ongeag hulle onderskeie geloofsoortuigings, of hulle Christene is, hindoes, mohammedane, agnostici of ateïste of wat ook al is.
Die antwoord wat op die vraag: Wat is wetenskap? gegee word, voorsien 'n gemeenskaplike basis vir wetenskaplikes waarop almal kan saamwerk om wetenskap te vorm. Hierdie wetenskap wat ons uit handboeke onderrig, het 'n sekulêre inhoud en word 'neutrale' wetenskap genoem. Dit is sekulêre (wêreldse) wetenskap, wat gevorm word asof God Drie-enig, die God wat Hom in die Skrifte openbaar, nie bestaan nie. Die vraag wat hierdie wetenskap is, word opsommend in die volgende afdeling beantwoord:
6.2 Wat is wetenskap?
Wetenskap is kennis; die wetenskaplike vorm en bou kennis.
Wetenskap is gesistematiseerde kennis; die wetenskaplike vind samehang in die kenbare.
Wetenskap is geverifieerde kennis; die wetenskaplike moet kennis as waar bewys en begrond. Dit beteken dat die wetenskaplike moet toerekenbaar, verantwoordelik en krities vasstel (seker maak) dat sy wetenskaplike bevindings geldig (dws waar en juis) is.
Wetenskap is gekontroleerde kennis; die wetenskaplike het algemeen-aanvaarde tegniese metodes (metodes van waarneming en denke, van analise en sintese, van deduksie en induksie, van perspektiwiese oriëntering, van eksperiment, van verstaan en verklaar, en so meer) nodig om seker te maak dat kennis gesistematiseerd (samehangend) en geverifieerd (begrond en bewys) is - metodes waarvolgens 'n ander wetenskaplike sy bevindinge (kennis) kan kontroleer.
(1) Aangesien die rasionele metode bepalend is vir die vorming van die wetenskap, word besinning oor wat wetenskap is, veral gerig op die metode waarvolgens wetenskaplike kennis tot stand kom. Daarom dat Metodeleer 'n belangrike deel van Wetenskapsleer is. Volgens hierdie metode beskryf ons die werklikheid, sonder dat hierdie beskrywing in 'n meer omvattende verstaan van die werklikheid geïntegreer word.
(2) Hierdie metode van wetenskapsvorming lewer kennis, wat uiters suksesvol in tegniese toepassings gebruik word. Ander fasette van menslike kennis en God se onderhouding en bestier in die lewe word dan nie meer raakgesien nie. Gevolglik gebeur dit dat Christelike wetenskaplikes onder die invloed van sekulêre kennispraktyk, God na die randgebiede van hulle lewe, uit die mikrovlak na meso- en makrovlakke, na kerklike aktiwiteite en na persoonlike geloof verskuif.
6.3 Die ontstaan van Chemie
Daar bestaan baie teorieë oor die ontstaan van die woord Chemie. 'n Antieke naam vir Egipte was khem of chem met die betekenis swart. Hierdie naam is aan Egipte gegee as gevolg van die besonder donker grond van die land (oa. van die Nyldelta). Die mees algemene beskouing is dan ook dat Chemie geïdentifiseer was met Egiptiese wetenskap, aangesien die antieke Egiptenare meer chemiese bewerkinge gedoen het as enige ander nasie van die oudheid. Daardie chemiese kennis was geleë in metallurgie, die maak van glas, die kleuring van materiale, die vervaardiging van pigmente en gifstowwe, die balsem van lyke en die bereiding van geneesmiddels, om die vernaamstes te noem. Hierdie Chemie was hoofsaaklik prakties en empiries.
Die Grieke het praktiese kennis van Chemie by die Egiptenare gekry. Die Griekse wysgere het deur hulle teoretiese belangstelling waardevolle begrippe van onverdeelbare atome en van elemente ontwikkel. Hulle het egter min belanggestel in die werklike chemiese prosesse of eksperimentele gegewens. Hierteenoor het die Egiptenare, wat chemiese tegnologie sterk ontwikkel het, weer nie in teorie of in die onderliggende redes vir chemiese prosesse belanggestel nie.
Na die verowering deur die Islamitiese leërs, die More, van lande om die Middellandse see in die 7e eeu nC, het die Moslemoorwinnaars opvoeding sterk aangemoedig. Onder meer is die vernaamste Griekse werke in Siriese dialekte en Arabies vertaal. Die Griekse Chemie het die Arabiere se belangstelling geprikkel. Buitendien was hulle ook heersers van Egipte. Op hierdie wyse is die teorie van die Grieke gekombineer met die praktyk van die Egiptenare. Die ontstaan van die wetenskaplike metode word aan die Moslemchemici toegeskryf. Die woord alchemie en ook ander chemiese benaminge is gevorm onder arabiese invloed. Die voorvoegsel "al-" beteken "die" in Arabies, m.a.w. alchemie = die chemie.
Die Griekse teorieë oor die struktuur van materie het die omsetting van een metaal na 'n ander moontlik laat lyk. 'n Voorbeeld was die neerslag van koper op 'n ysterlem as die lem in 'n oplossing van blouvitrioel geplaas word. Hulle het geredeneer dat goud dan ook uit algemeen beskikbare (alledaagse) stowwe soos koper en yster verkry kan word. Die beoefening van Chemie het daarom in daardie tyd byna sinoniem met "goudvervaardiging" geword. Dit is vandag nog die droom van alchemiste.
Chemie het in Spanje onder Moslemheerskappy vir die eerste keer in Europa vanaf die 7e eeu n.C. wortel geskiet. Vanaf Spanje het die studie van Chemie geleidelik oor hele Europa versprei. Chemie het in Europa gefloreer aangesien die Europeërs meer sistematies as die Arabiere was. Buitendien is die Europeërs gedryf deur die grondmotief van hulle Christelike geloof, om kennis te kry tot uitvoering van die kultuurmandaat om te heers en te bewerk. Die groot chemici van die Middeleeue was Roger Bacon (1214 - 1292) en Paracelsus (1493 - 1541). Teen die tyd van Paracelsus het die obsessie om goud te maak afgeneem en die belangstelling het na die Chemie van medisyne oorgeskuif. Dit was die tydperk van medisinale Chemie (1500 -1700).
6.4 Vorming van moderne Chemie
Teen die einde van hierdie tydperk het ROBERT BOYLE (1627 - 1691) op die toneel verskyn. Hy het die wetenskaplike chemie van die Middeleeuse alchemie geskei, deur nie meer die Spiritualistiese benadering, waarvolgens daar aktiewe beginsels in materie aanwesig is ('n panteïsme), te aanvaar nie. Hy was die eerste om nie meer van alchemie te praat nie, maar van Chemie. Sy benadering was die wetenskaplike metode met eksperimente, waarnemings en afleidings. Hy het 'n element as 'n stof, wat nie in ander stowwe opgebreek kan word nie, gedefinieer. Vir hom het materie uit klein deeltjies van verskillende vorme en groottes bestaan, wat hy atome genoem het. Kombinasies en skeidings van atome bring dan chemiese veranderinge mee.
Om die resultate van sy eksperimente oor lugdruk, wat tot die wet van Boyle gelei het, te verstaan, het hy tereg aangeneem dat lug uit deeltjies bestaan wat volgens meganiese beginsels rondbeweeg. Hy het aan God se skeppingsverordeninge geglo en dit as die taak van die wetenskap gesien om die kosmos se wetmatighede wetenskaplik op te spoor. Die beginsels van die wetenskap mag volgens Boyle slegs op die natuurwetenskappe toegepas word en nie op die godsdiens nie, sodat geloof gevrywaar bly van wetenskaplike grensoorskryding (of reduksionisme). Hy het Descartes verwyt dat hy die natuurwette as ewig en onveranderlik beskou en dat hy God se werksaamheid in die natuur nie wil raaksien nie.
LAVOISIER (1743 -1794) was vir Chemie wat Kopernikus vir die Astronomie, Galileo vir die kinematika, Newton vir die Fisika en Darwin vir die Biologie was. Sy groot verdienste was dat hy die uiteenlopende (skynbaar nie-verbandhoudende) chemiese navorsingsresultate, insigte en teorieë tot 'n geheel verenig het. Hy het chemiese elemente as stowwe gedefinieer, wat chemies nie verder tot eenvoudiger stowwe afgebreek kan word nie. Hy het verbindings as sure, bases, soute, sulfides, oksides ensomeer op grond van samestelling en hulle reaksies geklassifiseer. Hiermee is die eerste tree gegee tot 'n periodieke indeling van elemente, waaromheen die hele chemiese praktyk vandag wentel. Hy het chemiese reaksies as samestelling en hersamestelling van elemente of verbindings van elemente gedefinieer. Hy het chemiese stowwe chemiese name gegee. 'n Ander belangrike voorwaartse stap was sy streng kwantitatiewe benadering.
6.5 Die woord fisika
Die woord fisika is uit 'n Griekse woord, wat natuur beteken, afgelei. Natuurkunde is 'n ander woord vir fisika. Natuurkunde beteken letterlik kennis van die natuur. Natuurkunde was oorspronklik geordende kennis van die materiële wêreld en het biologie, sterrekunde, chemie (skeikunde) en geologie (aardkunde) ingesluit. Soos kennis omtrent die natuur toegeneem het, het hierdie kennisgebiede tot selfstandige vakke ontwikkel, tot deelwerklikhede volgens Descartes. Vandag behels die studieveld van fisika die fundamentele eienskappe van energie, van materie in sy vier toestande (vastestof, vloeistof, gas en plasma), en van straling (elektromagnetiese, soniese (klank-) en deeltjiestraling). Uitgaande van die kennis van al hierdie studievelde (deelwerklikhede) bou die tegnologie weer voort.
6.6 Berus Fisika werklik op bewysbare en kontroleerbare feite?
Laat ons 'n eenvoudige voorbeeld beskou. Dit word al op skool geleer dat die versnelling, g, van swaartekrag op aarde 9,80 m/sek2 is. Hoe kan 'n mens dit kontroleer? Die fisikus sal 'n baie ligte toutjie aan 'n hoë punt vasmaak en 'n loodbal onderaan hang. Hy sal die bal heen en weer laat slinger en die tyd, T, van 'n volledige slingering met 'n stophorlosie meet. Met 'n meterstok word die lengte, L, van die toutjie gemeet. As die periode, T, en die lengte, L, in die vergelyking T = 2p ingevul word, kan g bereken word. Dit lyk alles baie maklik. Maar waar kom hierdie vergelyking vandaan?
Eerstens moet ons weet wat versnelling is. Dit word deur 'n definisie bepaal. Die krag, wat 'n massa versnel, word deur die bewegingswette van die meganika van Newton bepaal. Hierdie bewegingswette, toegepas op die slingerende bal, gee 'n differensiaalvergelyking wat volgens die wiskunde van differensiaalvergelykings opgelos word. Die vergelyking hierbo is 'n benaderde oplossing van die differensiaalvergelyking en geld slegs redelik goed vir slingeringe met klein uitwykings. Voorts, in die opstelling van die differensiaalvergelyking is die loodbal as 'n massapunt beskou aangesien die bewegingswette vir massapunte geformuleer is. Die vraag kom dan na vore: hoe groot fout maak ons met al die veronderstellinge wat nodig is vir die afleiding van bogenoemde vergelyking? Verder, hoeveel dra die foute in die metings van T en L nog by tot 'n fout in die berekende waarde van die swaartekragversnelling, g? Hoe seker is ons dat die antwoord g = 9,80 m/sek2 korrek is?
Nie elkeen sal hierdie resultaat kontroleer nie. Fisici glo eenvoudig die resultate van hulle kollegas wat die eksperiment uitgevoer het. Hierdie eenvoudige voorbeeld geld nie slegs vir swaartekragversnelling nie, maar geld seker vir 99,99% van alle natuurkundige kennis, kennis wat ek as fisikus nooit gekontroleer het nie en wat ek ook nooit kan kontroleer nie omdat ek nie die tyd, middele of fasiliteite het om al die natuurkundige kennis te kontroleer nie. Tog glo ek dat die kennis geldig en korrek is. Waarom? Ten eerste omdat ek my lewe lank met natuurkundiges op gelyke voet verkeer en hulle as betroubare kollegas leer ken het, wat met erns en toewyding hulle eksperimente uitvoer volgens wetenskaplike metodes (kyk Afdelings 6.2 en 6.10) en nie hulle resultate uit hulle duime suig nie. Daar is soms onbetroubare persone onder hulle, maar hulle onbetroubare werk word een of ander tyd bekend en hulle word dan nie meer geglo nie. Tweedens gebruik ek dikwels die resultate van kollegas vir my eie eksperimente en probleme wat ek op my eie (klein) vakgebied moet oplos. Hulle resultate blyk korrek te wees omdat dit altyd tot betroubaarheid van my eie resultate lei. Ek glo daarom dat natuurwetenskaplike kennis korrek is omdat my ervaring vir my leer dat dit werk. Dit moet dan ook die rede wees waarom persone, wat geen natuurkundige opleiding het nie, gewoonlik in die korrektheid (en waarheid) van natuurkundige resultate glo. Hierdie resultate word gesien in vliegtuie, televisietoestelle, CD-spelers en watter ander toestelle ook al, wat met fisiese kennis ontwerp en gebou is.
6.7 Die wiskunde
Daar is in feite slegs een vakgebied waar 'bewyse' gelewer word in die streng eksakte betekenis van die woord. Dit is die wiskunde. 'n Stelling word in wiskunde deur 'n streng logiese beredenering bewys. Hierdie beredenering bou op stellings wat alreeds op dieselfde streng logiese wyse bewys is. Gaan ons terug na vorige stellings, blyk dit dat die bewys van die eerste stellings uitgaan van aksiomas. Aksiomas kan nie bewys word nie, maar word aanvaar as uitgangspunte. 'n Voorbeeld is die veronderstelling dat nie meer as een reguit lyn deur twee punte gaan nie, waar 'n reguit lyn gedefineer word as die kortste afstand tussen twee punte. Die streng logiese opbou van wiskunde berus op aksiomas. As ander aksiomas gekies word, word 'n ander wiskunde verkry, bv. dat die som van die hoeke van 'n driehoek groter as 1800 is. Hierdie wiskunde is belangrik vir seevaarders. Die kortste afstand tussen twee punte op die aardbol is dan nie 'n reguit lyn nie, maar 'n sirkelboog, die sogenaamde grootsirkel.
6.8 Fisiese teorieë
Fisika en Chemie is heeltemal andersoortige wetenskappe as wiskunde, en kan, streng gesproke, nie eksak genoem word nie. Die woord 'bewys' word wel in Fisika en in Chemie gebruik, maar dit beteken iets anders as in wiskunde. Navorsers voer eksperimente uit waardeur gegewens van fisiese verskynsels verkry word, bv. die weerkaatsing en breking van lig. Die gegewens moet deur 'n teorie beskryf word, 'n teorie wat al die gegewens en verskynsels in terme van 'n model saamvat. Daardeur word die gegewens induktief in 'n breër samehang geplaas en word verskillende verskynsels met mekaar in verband gebring. Die navorsers versamel dus bewysmateriaal, wat die teorie ondersteun of nie ondersteun nie. As alles tesame die teorie oortuigend verduidelik en ondersteun, 'glo' die fisici of chemici in die korrektheid van die teorie. Later kan dit blyk dat nuwe bewysmateriaal die teorie ongeloofwaardig of ongeldig maak. Dan moet die teorie deur 'n nuwe vervang word wat wel al die bewysmateriaal bevredigend beskryf. Dit het al dikwels in die geskiedenis van die natuurkunde (Fisika en Chemie) gebeur en dit sal weer gebeur.
'n Voorbeeld: In die sewentiende eeu was daar twee teorieë van lig. Die een teorie was dié van Newton, waarvolgens lig 'n stroom deeltjies was. Die tweede was dié van Huygens, waarvolgens lig golwe was. Albei teorieë kon bekende verskynsels soos weerkaatsing en breking van lig beskryf. Albei teorieë het hulle aanhangers gehad totdat Fresnel in die negentiende eeu 'n welbekende eksperiment uitgevoer het, waarin hy aangetoon het dat lig plus lig donkerte kan oplewer. So 'n resultaat kan slegs deur die golfteorie beskryf word. Almal was toe oortuig dat die golfteorie van lig waar is. Aan die einde van die negentiende en begin van die twintigste eeu het nuwe eksperimente egter onomstootlik aangetoon dat lig tog uit deeltjies, toe fotone genoem, bestaan. Vandag word algemeen aanvaar dat lig nie òf golwe òf deeltjies is nie, maar tegelyk golwe én deeltjies is. Ons kan lig met hierdie botsende eienskappe nie voorstel nie, maar hierdie botsende eienskappe van lig word deur die kwantumelektrodinamiese teorie bevredigend en korrek beskryf.
Hieruit en uit baie ander voorbeelde in Fisika en Chemie van die twintigste eeu blyk dit dat empiriese kennis nie volgens die metode van die empiriese wetenskappe op dieselfde wyse geformaliseer (geteoretiseer) kan word as logiese en wiskundige stelsels nie, soos dit wel die geval was in die vorige eeue van die Verligting. Dit het aanleiding tot 'n belangstelling vir die menslike faktor in die wetenskap gegee.
6.9 Vorming van teorie
Wat is 'n teorie? Die Griekse woord theoria beteken aanskouing. Die vroegste Griekse wysgere het theoria met bewys of afgeleide (deduktiewe) redenering verbind. Laasgenoemde is dan ook die betekenis waarin ons die woord teorie gebruik.
'n Teorie kan by bekende en aanvaarbare waarhede begin om tot nuwe slotsomme en teorieë te kom. Wetenskaplike teorieë begin egter gewoonlik by die onbekende (bv. die struktuur van 'n atoom), by 'n hipotese, 'n model, vanwaaruit die waarneembare verklaar word. Hipotesisse is self geen teorie nie, maar is aannames of stellings (voorveronderstellings), waarvandaan 'n teorie logies ontwikkel word.
Teorieë is instrumente in die hande van 'n groep wetenskaplikes, wat saam besluit van watter hipotesisse of stellings hulle gebruik wil maak in die ontwikkeling van 'n teorie. So 'n groep hoor ons dikwels sê: "laat ons aanvaar (of aanneem) dat…", waarvandaan die bespreking verder gaan. Met ander woorde, stellings en veronderstellings is waar in 'n bepaalde konteks (samehang), in besonder in die konteks van die teorie self en in die konteks van die bespreking deur persone, wat die teorie wil gebruik. Buite hierdie konteks hoef dieselfde stellings en veronderstellings nie waar te wees nie, of kan hulle onseker wees.
Vir die deduktiewe proses (van die algemene na die besondere) om voort te gaan, moet aanvaar word dat die uitgangspunte (die stellings en veronderstellings) waar is. Maak ons geen logiese foute nie, moet die afleidings net so waar wees. Dit beteken dat 'n teorie nie sy stellings en veronderstellings oortuigend kan bewys nie, want die waarheid van enige bewese resultaat hang geheel en al af van die waarheid van die uitgangspunte en van die korrektheid van die data wat as grondslag van die teorie dien. 'n Teorie kan nie meer waar wees as die veronderstellings waarvan dit uitgaan nie.
Die funksie van 'n teorie. 'n Teorie het 'n ander funksie as om die werklikheid te beskryf. Sy funksie is om (1) te voorspel, om (2) te verklaar, om (3) probleme op te los en om (4) ons kennis te sistematiseer.
Ons maak gebruik van 'n definisie om 'n nuwe begrip in 'n teorie in te voer, bv. definisie van snelheid of van krag of van massa (kyk bv. Afdeling 7.5). 'n Definisie wat bepaal hoe 'n eienskap gemeet word, word 'n operasionele definisie genoem.
Die deduktiewe geaardheid van 'n teorie maak voorspellings moontlik. Die Griekse wysbegeerte het geen voorspellings moontlik gemaak nie en is daarom geen teorieë wat veranderinge in die sigbare werklikheid beskryf nie. So berus Aristoteles se meganika op die teleologiese stelling dat alles in die ondermaanse tot 'n toestand van rus streef. Byvoorbeeld: 'n klip sal van die berg afrol, maar op gelykgrond tot rus kom. Aristoteles se meganika beskryf slegs die bekende, dit wat gesien word, wat gebeur, met 'n teleologiese verklaring. Daar is geen teoretiese verklaring, bv. in terme van kragte, wat die klip van die berg laat afrol en wat die klip tot rus laat kom nie. Daar is geen deduktiewe afleiding, van die algemene, dit wat gebeur, na die besondere, die krag wat laat gebeur nie. Aristoteles se meganika kan daarom nie voorspel nie. Dit is daarom nie 'n teorie nie. Daarteenoor is Ptolemie se geosentriese model met leisirkels en verplaaste middelpunte om die terugwaartse bewegings van planete (die algemene) te beskryf, wel 'n teorie, want dit voorveronderstel die onbewysbare (die besondere), die bestaan van verplaaste leisirkels (Afdeling 2.6) en dit het 'n voorspellingswaarde vir beweging van planete vir gebruik deur astrologie, skeepvaart en kalenders. Dit is 'n verklarende teorie.
'n Ander voorbeeld is Galileo se teorie van ballistiese beweging. Galileo het aangeneem dat die beweging (die algemene) van 'n kanonbal 'n samestelling van twee onafhanklike bewegings (die besondere) is - 'n horisontale gelykmatige beweging en 'n vertikale beweging met 'n konstante versnelling, wat ondertoe gerig is. Op grond van hierdie aannames kon hy bewys dat die baan van die kanonbal dié van 'n parabool is. Sodoende het Galileo daarin geslaag om 'n funksionele verband tussen posisie en tyd, en tussen horisontale en vertikale verplasings te vind. Hierdeur het dit moontlik geword om die baan van 'n projektiel te voorspel. Hierdie teorie was nie in die eerste plek bedoel om te verklaar nie, maar om ballistiese beweging te beskryf en te voorspel.
Die vrugbaarheid van 'n teoriekan bepaal word deur sy vermoë om probleme op te los en om deur die oplossings van probleme weer nuwe probleme na vore te bring. Hierdie proses bring 'n groei in kennis mee en dit tipeer die normale voortgang van die wetenskap. Dit word normale wetenskap genoem. (Kyk verder Afdeling 6.10).
6.10 Natuurwetenskaplike revolusies
Thomas S. Kuhn het in sy boek getitel The structure of scientific revolutions (bygewerkte uitgawe, 1970, University of Chicago Press), 'n nuwe beskouing van die ontwikkeling van die natuurwetenskappe gegee. Hy het 'normale' wetenskap gedefinieer as natuurwetenskaplike prestasies wat gevestig is deurdat navorsers hierdie prestasies aanvaar en verder daarop voortbou. Die voortgang van so 'n gevestigde vakgebied word volgens Kuhn deur 'n paradigma bepaal. 'n Paradigma behels die geheel van geloofsopvattinge, waardes, tegnieke, metodes, en so meer, wat lede van 'n wetenskaplike gemeenskap aanvaar vir beoefening van 'n betrokke vakgebied. In die Fisika van die negentiende eeu was bv. die meganika van Newton so 'n paradigma, in die twintigste eeu is dit die kwantummeganika en die relatiwiteitsteorie. Dit het 'n nuwe denkraamwerk, 'n nuwe paradigma vereis. So 'n verandering in paradigma noem Kuhn 'n natuurwetenskaplike revolusie. Na 'n natuurwetenskaplike revolusie kyk die wetenskaplikes nog na dieselfde wêreld, maar hulle denkraamwerk (hulle wêreldbeeld) het verander. Hulle sien nou dieselfde wêreld anders.
Navorsers word eers na jare van grondige opleiding deur 'n wetenskaplike gemeenskap aanvaar, eers nadat hulle deur eie navorsing bewys gelewer het dat hulle vertroud is met die uitgangspunte, taal, metode en wyse van benadering tot die vakgebied. Bewese ervaring in die denkraam van 'n paradigma is 'n voorwaarde vir erkenning deur die gemeenskap van 'n vakgebied. Jy sal wetenskaplik nie aanvaar word as jou denke nie aansluit by die gangbare nie, behalwe as die tyd ryp is vir 'n revolusie in denke en jou teorie of verklaring is oortuigend beter as die gangbare.
'n Wetenskaplike probleem word met behulp van die begrippe en insigte vanuit 'n paradigma geformuleer. 'n Probleem wat nie sodanig geformuleer is, is geen wetenskaplike probleem nie. Slegs 'feite', wat by die teorie inpas, word daadwerklik aanvaar. Waarnemings is daarom paradigma-bepaald. Wetenskaplikes doen dus hulle waarnemings en teoretiese bewerkings binne die konteks van die heersende paradigma en interpreteer hulle resultate in terme daarvan. 'n Verdere voorbeeld is die werk van Dalton en sy tydgenote.
Gedurende die agtiende eeu, en met oorgang na die negentiende eeu, het Europese chemici algemeen geglo dat elementêre atome, waaruit alle chemiese stowwe bestaan, aanmekaar gehou word deur kragte van onderlinge affiniteit. Bv. sout los in water op omdat daar 'n affiniteit (aantrekking) tussen sout en water bestaan; 'n stuk silwer bestaan omdat daar affiniteitskragte (aantrekkingskragte) tussen silweratome is, terwyl silwer nie in water oplos nie omdat die affiniteit tussen silweratome sterker is as die affiniteit tussen silwer en water. Volgens dieselfde teorie los silwer in 'n suur op omdat die deeltjies van die suur dié van silwer sterker aantrek as wat die gelyksoortige deeltjies mekaar aantrek. Of verder, koper los op in die silweroplossing en presipiteer silwer omdat die affiniteit tussen koper en die suur groter is as tussen die suur en silwer. Baie ander chemiese verskynsels is op dieselfde wyse verklaar. In die agtiende eeu was die teorie van voorkeur-affiniteit 'n bewonderingswaardige teorie, en was algemeen gebruik in ontwerp en ontleding van chemiese eksperimente.
Aan die einde van die agtiende eeu was dit algemeen bekend dat sommige chemiese stowwe in vaste massaverhoudings met mekaar verbind. Dit was die situasie toe Dalton deur eksperimentele resultate gelei is tot sy bekende chemiese atoomteorie.
Dalton het in sy navorsing van 'n totale nuwe paradigma uitgegaan. Hy het van die begin af aanvaar dat enige reaksie waarby die bestanddele nie in 'n vaste verhouding met mekaar verbind nie, nie 'n suiwer chemiese proses was nie, maar dan eerder 'n fisiese mengsel van bestanddele was. Aanvanklik was daar sterk teenstand teen hierdie benadering. Dalton se nuwe paradigma was egter so oortuigend dat die meeste chemici dit spoedig aanvaar het. Chemici het daarna nie meer aangeteken dat die twee oksides van bv. koolstof, CO en CO2, 56% en 72% suurstof volgens gewigsverhouding bevat nie, maar dat een gewigseenheid van koolstof verbind of met 1,3 of met 2,6 gewigseenhede van suurstof. Die verhouding 2:1 is dadelik erkenbaar. Hierdie nuwe paradigma het gou gelei tot nuwe eksperimente, wat weer tot nuwe insigte in Chemie gelei het.
6.11 Rasionaliteit en die menslike faktor
Ons handelinge verkry in die loop van tyd 'n patroon: dit gaan deur 'n leerskool en word deur allerlei invloede uit kultuur en omgewing gevorm. In al ons handelinge is 'n opvatting oor menswees sigbaar, die wyse waarop ons sake doen en waarop ons motor bestuur. Dit geld ook vir die manier waarop die wetenskap beoefen word. Daarom dat rasionaliteit in die wetenskap beter verstaan kan word as daar met die menslike faktor in die wetenskap rekening gehou word.
Anders as diere het mense 'n opvatting oor hulle menswees. Hierdie opvatting kom tot uitdrukking in hulle doen en late, hulle handelinge, en staan nie los van ideë oor goed en kwaad nie. Menslike handelinge is daarom eties (aan sedelike norme en wette) gebonde. Die vraag kan altyd gestel word of dit wat mense doen, geoorloof is of nie is nie.
Die metode van die wetenskap (Afdeling 6.2) bly die basiese begrondingsmetode, maar die vraag na die betekenis van die rasionele wetenskaplike begronding in terme van die menslike bestaan het vandag belangrik geword. Daarmee saam word steeds aanvaar dat die bedoeling van die wetenskap is om tot diens van die mens te wees, sodat die resultate van die wetenskap tot voordeel van die mens benut kan word. Tegelyk het 'n vrees ontstaan dat die wetenskap en sy gebruike die mens in sy menslikheid bedreig. Alreeds in die agtiende eeu het die wysgeer Immanuel Kant dit belangrik geag dat grense vir die wetenskaplike metode aangewys moet word om op hierdie manier ruimte vir die mens as mens, vir sy vryheid en verantwoordelikheid te verkry.
Die begronding van wetenskaplike etiek word in Hoofstuk 10 behandel.
Hoofstuk 7. Tyd, materie en ruimte
Die geskiedenis van natuurfilosofie word gekenmerk deur 'n spel tussen ruimte en tyd, wat in die Griekse tydperk aan die name van Archimedes en Aristoteles gekoppel kan word. Die geskrifte van hierdie twee intellektuele reuse was bepalend vir die Middeleeue en vir die vestiging van die moderne wetenskap na die Renaissance.
ARCHIMEDES se uitgangsgedagte was dat tyd nie nodig is om die natuur te beskryf nie. Hy was die grondlegger van die wetenskappe hidrostatika en statika. Ewewigsvoorwaardes het hy wiskundig beskryf. Hy het tegniese kennis voorsien vir die gebruik van eenvoudige toestelle soos die balans en die hefboom.
ARISTOTELES, daarenteen, is die grondlegger van 'n wetenskap wat tyd as fundamenteel vir die wetenskap aanvaar. Hy het 'n basiese tydstruktuur in die wêreld aanvaar om die kom en gaan van dinge, die veranderlikhede in die wêreld, te kan verklaar. Hy het die metafisiese (buite die waarneembare wêreld) beginsel dat elke verandering 'n oorsaak moet hê, as fundamenteel in sy denke aanvaar. Hiervan getuig sy bekende stelling, dat "enigiets wat in beweging is moet deur iets anders beweeg word" - die logos. Hierdie siening is grondig verander deur Newton se formulering van die dinamika. Aristoteles se ongetoetste gedagtebeskrywings van sigbare veranderinge in die wêreld is vir sowat 2000 jaar as vanselfsprekend aanvaar. Deur die werk van Newton is Archimedes se gedagtebeskrywing van veranderinge in die natuur vervang deur 'n wiskundige beskrywing van beweging.
Aristoteles se besondere verdienste is dat hy die probleem van beweging gepak het, terwyl Archimedes hierdie probleem vermy het. Archimedes se benadering was dat die wette van die natuur wette van ewewig is en dat tyd geen rol gespeel het nie.
Ons ervaring sluit aan by Aristoteles in die sin dat ons baie meer bewus is van tyd as van die ruimte om ons. Ruimte kom vir ons as 'n eenheid voor terwyl tyd stukkie vir stukkie kom en verbygaan. Die verlede is in ons geheue ingeprent, terwyl die toekoms onseker is en afgewag word. Ons kan vrylik in die ruimte rond beweeg, maar nie in tyd nie. Deur moderne tegnologie het ons ruimte oorwin (die wêreld klein gemaak), maar aan tyd kan ons niks verander nie.
Einstein het geglo dat dit beter is om aan die fisiese werklikheid te dink as 'n 4-dimensionele tydruimte in plaas van om te dink aan 'n beweging wat in ons 3-dimensionele bestaansruimte in terme van die tyd plaasvind. Die resultaat van Einstein se denke was dat die fisiese wetenskap die fisiese werklikheid baie meer suksesvol in terme van 'n 4-dimensionele tydruimte sedert die vroeë dekades van hierdie eeu kon beskryf as voorheen.
7.2 Wat is tyd?
Die aarde en die sterrehemel is nie staties nie, maar dinamies. Die voortdurende beweging en veranderinge op aarde en in die hemelruim soos verwering van rotse, wegroes van metale op aarde, en die beweging van die aarde om sy eie as, van die aarde en planete om die son, van sterre en gebeurlikhede in die sterreruimte, is alles dinge wat verander en wat ons in terme van tyd moet beskryf. Tyd het nie slegs betrekking op beweging in die stoflike natuur nie, maar ook in die biotiese en die bewustelike. Die mens het 'n ingeboude aanvoeling en besef van tyd. Ook by diere, insekte en plante vind ons 'n tydingesteldheid.
Tyd het vir ons 'n praktiese betekenis omdat daar 'n verbygaandheid is: 'n nou (hede), 'n verlede, en 'n toekoms. Volgens ons ervaring vloei tyd. Ons ervaring sê vir ons dat tyd net in een rigting vloei (van die verlede na die toekoms). Tydomkering kom nie in ons leefwêreld, die makroskopiese wêreld, voor nie.
Ons het metodes ontwikkel om tyd te meet sodat ons dinamiese prosesse in terme van tyd kan beskryf. Ons meet die tydsverloop tussen twee gebeurtenisse deur gebruik te maak van 'n periodiese of sikliese beweging. Ons deel 'n sikliese tydsverloop op in 'n aantal klein maar gelyke tydintervalle. Hierdie intervalle is dan die eenheid waarin tydsverloop gemeet word. Die sekonde is so 'n eenheid. 'n Slingerklok, byvoorbeeld, kan so ontwerp word dat dit presies in sekondes tik. Die sekonde deel ons weer in baie klein deeltjies op in terme van atomêre trillings van 'n bepaalde optiese oorgang in 'n atoom.
Die vraag: "Wat is tyd?" kan ons dadelik beantwoord: "Ons weet mos wat tyd is; ons leef daarvolgens; ook die hede, verlede en toekoms is deel van ons denke en lewe". Hierdie tydsidee (of tydsbesef), wat deel is van elke mens, noem ons psigologiese tyd. Psigologiese tyd en die talle onderskeidinge wat hierin gemaak kan word, is nie deel van hierdie kursus nie. Psigologiese tyd is anders as fisiese tyd.
In die antieke wêreld is geglo dat tyd 'n sikliese geaardheid het. Dit het gevolg uit die waarneming van nimmereindigende opvolging van dag en nag en van seisoene. Mites uit die vroeëre beskawings verhaal dat die wêreld vernietig sal word om dan herskep te word sodat 'n nuwe siklus weer kan begin. Vandag dink ons aan tyd as iets wat vanaf die huidige reglynig na die verlede en na die toekoms uitstrek. Hierdie tydsbeskouing is deel van ons Christelike erfenis. Vroeëre Christene het die eenmaligheid van spesifieke gebeurtenisse, wat nie weer sal plaasvind nie, op Bybelse gronde aanvaar en in hulle geskrifte benadruk. Daar was op 'n bepaalde tydstip 'n Skepping, Christus het eenmaal aan die kruis gesterf en is uit die dood opgewek om nie weer te sterf nie, en die huidige wêreld verloop na 'n einde op 'n onbekende tydstip, volgens God se ewige Raadsplan. Die Bybelse geskiedenis en ons geskiedenis is ook nie 'n sikliese nie.
Die Griekse filosowe het meetkunde sistematies ontwikkel binne 'n filosofiese wêreldbeeld, maar tyd het vir hulle iets vaags en misties gebly, iets wat eerder by mitologie as by wiskunde tuishoort. Aristoteles se studie van die beweging van liggame het hom gelei tot 'n waardering van die fundamentele belangrikheid van tyd. Hy het egter nie so ver gekom om tyd as 'n abstrakte wiskundige parameter te gebruik nie. Tyd was vir Aristoteles beweging maar nie 'n wiskundige parameter nie.
Ons neem tyd waar deur beweging, soos die beweging van die son deur die hemelruim of die wysers van 'n horlosie. So gesien is die tydsbegrip onafhanklik van enigiets anders, is dit 'n entiteit in eie reg. Dit is ook hoe Galileo die tydsbegrip hanteer het in die beskrywing van beweging.
Dit is aan Galileo te danke dat tyd as 'n fundamentele meetbare grootheid deel van ons wetenskapsvorming geword het. Dit kan gesê word dat hedendaagse Fisika begin het met Galileo se studies oor beweging. Galileo sou nie een van sy ontdekkings kon gemaak het as hy nie besef het dat wetenskaplik-gedefinieerde tyd nodig is vir die ontleding van beweging van fisiese voorwerpe nie. Ons kan sê dat Galileo tyd as 'n fisiese grootheid ontdek het.
Voor Galileo is die dag (en die nag) in 12 ure verdeel. Die duur van 'n daguur (en van die naguur) het afgehang van die lengte van die dag (en die nag). Gevolglik het die duur van die daguur (en van die naguur) deur die jaar gewissel. Die eenheid van werkstyd was nie die uur nie, maar die dag, wat van sonop tot sononder geduur het.
Om beweging te kan bestudeer moes Galileo van 'n tydeenheid met konstante duur gebruik maak. Hy het dan ook die gelykdurigheid (isochronisme) van die slingerklok ontdek en dit as sy tydeenheid gebruik. Hiermee het hy dan ook tyd as 'n abstrakte grootheid ontdek, 'n grootheid vir die meting van tydsverlope. Tyd is vandag vir ons 'n grootheid wat in ure, minute en sekondes onderverdeel is, en wat oordeelkundig gebruik kan word, wat die daaglikse lewe reël en beheers, en wat vermors kan word. Voor Galileo is die tyd van die Skepping volgens Bybelse chronologie in terme van geslagte bepaal. Na die Renaissance is hierdie tydsverloop omgereken tot jaaraantalle. Daarvolgens het die skepping 4004 v.C. of 6000 jaar gelede plaasgevind. Vir die meeste mense is 6000 jaar 'n te lang tyd om betekenisvol te wees. Psigologies is daar vir meeste mense nie eintlik 'n verskil in betekenis tussen 6000 jaar of ses miljoen jaar gelede - albei tydsdure is baie langer as 'n mens se lewensverwagting.
Abstrakte tyd het met die uitvinding van die meganiese klok, en met Galileo se studie van beweging, begin. Nadat Galileo se werk bekend geword het, het filosowe en wetenskaplikes langsamerhand begin besef dat die gedrag van fisiese voorwerpe wiskundig beskryf kan word met tyd as 'n onafhanklike veranderlike. Dit het tot die idee van die bestaan van natuurwette gelei, wat deur God daargestel sou wees om sy skepping te orden. Dit was grootliks die filosofie van Descartes wat gelei het tot die aanvaarding van die idee dat die mens in 'n heelal leef, waarvan die werking deur natuurwette beheers word. Volgens Descartes moes 'n heelal wat deur vaste wette beheers word, deur dieselfde wette vanaf 'n ver verlede ontwikkel het na 'n nimmereindigende toekoms. Die idee van 'n kosmiese evolusie het daarom sy oorsprong by Descartes gehad.
Die idee van lineêre tyd vind ons by die Ou-Testamentiese profete. Hierdie idee is verder uitgebou deur die vroeë Christelike skrywers, maar dit was 'n lineêre tyd met 'n kort duur, 'n tyd wat in die nie te verre verlede 'n begin gehad het (die Skepping, ongeveer 6000 jaar gelede volgens Bybelse geslagskronologie) en wat gou tot 'n einde sou kom (Christus het gesê Hy kom gou). Sedert Descartes het hierdie beperkte tydsidee langsamerhand oorgegaan na 'n onbeperkte (oneindige) tyd, wat nog steeds ons huidige tydsidee is.
Volgens 'n aantal skrywers is die rede waarom 'n tegnologiese gemeenskap slegs in die Weste ontwikkel het, geleë daarin dat die idee van lineêre tyd slegs in die Weste bestaan het. Dit kan beredeneer word dat die tegnologiese vooruitgang sedert die industriële revolusie te danke is aan die aanvaarding van die begrip lineêre tyd.
7.4 Newton en Einstein se tydsbegrippe
Newton moes eers tyd en ruimte definieer voordat hy sy bewegingswette kon formuleer. Hy het ware tyd gedefinieer as "absolute wiskundige tyd, wat vanuit homself en op grond van sy eie aard gelykmatig vloei sonder enige beïnvloeding van buite". Newton het sy meganika geheel en al ontwerp uitgaande van die aanname dat materiële liggame langs voorspelbare paaie of bane beweeg, en dat kragte voortdurend op die liggame werksaam is, waardeur hulle beweging versnel word. Sy meganika het fisici gebruik om die bestaan en eienskappe van alle deeltjies van die materiële wêreld volledig te beskryf en te verklaar. Hierdie benadering was die basis van die negentiede-eeuse (klassieke) Fisika en Chemie. Daardeur is alles in die stoflike wêreld tot kragte en beweging gereduseer (afgebreek) word. Newton het die deeltjies self en die ruimte-tyd-omgewing, waarin hulle beweeg, as Godgegewe aanvaar.
Newton se tyd is in wese wiskundig van aard. Newton het tyd tot opeenvolging van tydinkremente afgebreek. Die opeenvolging van tydinkremente word dan deur 'n wiskundige noodwendigheid bepaal. Fisies word die tydinkremente as gemete 'tyd' gesien, terwyl hierdie fisiese benadering in wese 'n abstraksie en verwiskundiging van die werklikheid is. Waar tyd met die skepping saam met hemel en aarde in die begin geskape is, beroof hierdie redusering van tyd tot 'n wiskundige parameter tyd van sy oorspronklike inhoud en betekenis. Dit leer ons niks omtrent die eie aard van tyd nie, wat tyd werklik is nie. Vir 'n heelal, wat in 'n absolute ruimte bestaan en waarbinne beweging in terme van absolute tyd beskryf word, het Newton tyd slegs gebruik as 'n wyse ('n parameter) om beweging wiskundig te beskryf. In so 'n absolute heelal is Newton se tyd oral dieselfde en verloop tyd oral teen dieselfde tempo. Newton se tyd kan daarom in 'n verlede, hede en toekoms verdeel word, maar kan ook terugloop na die verlede.
Met die wenteling van die negentiende na die twintigste eeu het die Newtonse begrip van absolute tyd begin om absurde en teenstrydige resultate met betrekking tot die gedrag van ligseine en die beweging van materiële liggame te gee. Hierdie probleme is opgelos deur Einstein, wie 'n geheel en al nuwe tyds- en ruimtebegrippe vir sy relatiwiteitsteorie aanvaar het. Die absolute tyd en absolute ruimte van Newton het Einstein vervang met 'n tydsverloop vir elke individuele waarnemer. Tyd het daardeur waarnemergebonde geword, m.a.w. relatief tot die koördinaatstelsel van 'n waarnemer. Die revolusie in die paradigma van tyd, wat Einstein begin het, is vandag nog nie afgehandel nie.
Waar Newton tyd van die natuur losgemaak het (uit die natuur uitgehaal het), het Einstein tyd weer deel van die fisiese wêreld gemaak. Tyd was altyd en oral daar in Newton se oneindig-groot uniforme absolute ruimte. Daarenteen het Einstein in sy algemene relatiwiteitsteorie ruimte afhanklik van swaartekrag gemaak. So 'n koppeling van ruimte met swaartekrag is slegs moontlik in 'n heelal met 'n eindige grootte. So 'n heelal is nie in ewewig en kon daarom nie altyd daar gewees het nie. Tyd, en daarmee alle fisiese werklikhede, moes 'n definitiewe begin in die verlede gehad het. 'n Verdere probleem is dat tyd van plek tot plek verskillend verloop omdat tyd sowel van beweging as van swaartekrag afhang. Daar is dan ook geen rede waarom tyd dan nie ook van tyd tot tyd verskillend sal verloop nie.
Dit is in teenstelling met Newton se absolute heelal, wat altyd daar moes gewees het en oneindig groot moes wees. Swaartekrag het geen ruimtelike invloed in so 'n oneindig groot heelal waarin materie eweredig deur die ruimte versprei is nie. Tyd moet in so 'n heelal oral dieselfde wees.
Algemene relatiwiteitsteorie het tyd in die denke van wetenskaplikes teruggeplaas as 'n wesentlike kenmerk en funksionele parameter van die voortgaande empiriese werklikheid, bv. in die uitdying en dinamiek van die heelal. Of soos Weisskopf dit uitdruk: "Atome, molekule, kerne en in besonder self-produserende strukture, vanaf die eenvoudigste tot die mees ingewikkelde organismes, het almal 'n geskiedenis, 'n verlede, want tyd het bepaal wat hulle nou is. In wat hulle nou is, is hulle ontwikkeling vanuit die verlede en die proses van hulle verdere ontwikkeling ingeskryf. Dit beteken dat die geskiedenis (evolusie) van materie deel van ons wetenskaplike verstaan van die wêreld (kosmos) geword het". Hierdie benadering kan ons tipeer as historisme.
Ten slotte, natuurwetenskaplike tydis tyd wat ons kan meet of teoreties kan aflei uitgaande van modelle om natuurwetenskaplike waarnemings te kan verstaan. Onder hierdie definisie val dan ook die fisiese tydsbegrip, asook geologiese, astronomiese, en kernfisiese of kwantumtyd. Tyd funksioneer egter verskillend in verskillende aspekte van die werklikheid, waarvan die mens ook deel is.
7.5 Die begrip massa
Vir Descartes was die wese van materie sy uitgebreidheid. Dit beteken dat vir Descartes die hoeveelheid materie deur sy volume gegee word. Newton het hierdie sienswyse nie aanvaar nie want ruimte en materie was vir hom twee totaal verskillende begrippe. Hy het die begrip massa as 'n fisiese grootheid ingevoer om 'n bepaalde eienskap van enige materiële liggaam, onafhanklik van sy uitgebreidheid, te beskryf. Volgens sy teoretiese beskouings was massa nie slegs 'n maat vir die hoeveelheid materie van 'n liggaam nie, maar ook 'n maat vir die traagheid om 'n liggaam te versnel. Die traagheid van 'n liggaam om te versnel, het hy in sy tweede bewegingswet vergestalt deur massa te definieer as die eweredigheidkonstante tussen 'n ongebalanseerde krag en die gevolglike versnelling van die liggaam. Hy het massa ook deel van sy swaartekragswet gemaak. Die twee massabegrippe, die swaartemassa en die traagheidsmassa, het hy aan mekaar gelyk gestel. Einstein het die begrip massa verder uitgebrei deur die ekwivalensie van massa en energie. Hiervolgens besit energie ook massa. Gevolglik besit energie ook 'n traagheid en word energie ook deur swaartekrag aangetrek. Albei hierdie massa-eienskappe van energie is eksperimenteel op verskillende wyses bevestig.
"Massa" was 'n heeltemal nuwe begrip, wat Newton ingevoer het. Hierdie begrip kom nòg by Galileo nòg by Descartes voor. Digtheid was vroeg alreeds 'n goed gevestigde begrip. Archimedes het hierdie begrip in sy studie van drywende voorwerpe gebruik. Volgens Archimedes het iets wat op water dryf, 'n kleiner digtheid as water. Hy het met die idee van relatiewe digtheid gewerk. Vanaf Newton word digtheid as die verhouding van massa tot volume gedefinieer.
7.6 Wat is ruimte?
Net soos ons tyd nie beter kan definieer as verbygaandheid nie, kan ons ook ruimte nie beter definieer as uitgebreidheid nie. Ons ervaar ruimte anders as tyd. In ruimte kan ons binne perke (gestel deur swaartekrag en materiële voorwerpe) rond beweeg, terwyl ons tyd se verloop nie kan verander nie. Ons kan nie na tyd wat verby is, teruggaan nie, terwyl ons wel in die ruimte na 'n vorige plek kan teruggaan.
Die aandag van die natuurwetenskaplike is op daardie verskynsels en entiteite gerig, wat sintuiglik waargeneem kan word. Ruimte as sodanig kan egter nie waargeneem word nie. Ons kan wel aan ruimte dink as ruimte binne 'n materiële voorwerp soos 'n kubus of maatfles. Of ons kan dink aan die ruimte wat die atmosfeer om die aarde beslaan. Ook in laasgenoemde geval bepaal materie (die atmosfeer) die ruimte. Ons kan êrens in 'n ruimte 'n plek, 'n posisie definieer ten opsigte van 'n vaste punt. Die heelal se ruimte word bepaal deur die verspreiding van sterre, wat bepaalde posisies ten opsigte van mekaar inneem. Die verskillende posisies is op bepaalde gerigte afstande van mekaar. Die ruimte van die heelal kan eindig wees en daarom geslote, of oop en daarom oneindig wees. Ons kan daarom nie anders as om ruimte as uitgebreidheid te definieer nie.
Antropologiese (antropologie = ontwikkelingsleer van die mens) navorsing het getoon dat die denke van primitiewe gemeenskappe nie die begrip ruimte kon abstraheer uit alledaagse ervaring nie. Die primitiewe gemeenskappe het nie metings uitgevoer nie. Dit is deur metings dat die denke gelei word tot veralgemenings en uiteindelik tot abstrakte begrippe en abstrakte denke. Vroeë beskawings soos die Egiptiese en Babiloniese het wel deur metings begrippe van ruimte ontwikkel, maar hulle begripsvorming was beperk aangesien hulle belangstelling praktykgerig was, o.a. die bou van piramiedes en hangende tuine. Die Griekse wysgere, daarenteen, het die eienskappe van ruimte filosofies beredeneer. Plato het die wêreld van fisiese liggame met meetkundige vorme geïdentifiseer, m.a.w. fisiese werklikhede is tot meetkundige gedagtevorme gereduseer (herlei). (Aan water het hy 'n twintigvlakkige ruimtelike struktuur toegeken, aan lug 'n agtvlakkige struktuur, aan vuur 'n piramide en aan die aarde 'n kubus). Ander Griekse geleerders, weer, het driedimensionele voorwerpe wiskundig (getalsmatig) beskryf, bv. die sfeer, silinder en kubus.
Vir Newton is ruimte bepaal deur die alomteenwoordigheid van God. Daarom dat ruimte vir Newton vas (absoluut) en oneindig in grootte was (want God is oral). Behalwe vir ruimte en tyd, was krag en massa die basiese begrippe van Newton se Fisika. Krag was vir Newton nie 'n wiskundige abstraksie nie, maar 'n werklike gegewe. Massa was vir Newton 'n massapunt, sonder uitgebreidheid. Waar vir Newton die begrip massa dié basiese eienskap van materie was en as 'n massapunt voorgestel kan word, was vir Descartes uitgebreidheid die basiese eienskap van materie. In werklikheid besit materie sowel die eienskap van uitgebreidheid as van massa. Teoreties moet 'n probleem egter oplosbaar wees. Daarom is Descartes se advies sinvol om 'n probleem in stukkies op te deel. Daarvolgens moet 'n probleem met betrekking tot materie òf in terme van uitgebreidheid òf in terme van puntmassas geformuleer word.
Die eerste bewegingswet van Newton voorveronderstel die noodwendige bestaan van absolute ruimte, maar voorsien geen manier om die bestaan van absolute ruimte self eksperimenteel te bewys nie. Volgens die eerste wet "is die bane waarlangs voorwerpe in 'n gegewe ruimte beweeg dieselfde of die voorwerpe in rus is of eenparig (met 'n konstante snelheid) in 'n reguit lyn beweeg". Hierdie "in rus" en "eenparige beweging" is ten opsigte van die absolute ruimte en skakel enige moontlikheid uit om die bestaan van 'n absolute ruimte self te bewys. Volgens Newton veroorsaak kragte deur versnelling werklike beweging (t.o.v. die absolute ruimte).
Dit is merkwaardig hoe die relatiwiteitsteorie gedurende die twintigste eeu ons gedagtes oor ruimte geheel en al verander het. Waar ons voorheen toeskouers van gebeurtenisse was in Newton se absolute ruimte, het ons nou deel van gebeurtenisse geword. Met ander woorde, die wetenskap en sy beskrywing van die natuur bestaan nie meer buite die mens nie, maar hang van die verwysingsraam af waarvandaan die mens die natuur met sy wetenskap beskryf. Dit het die besef van die aanwesigheid van 'n menslike faktor in die vorming van Fisika en Chemie laat posvat (kyk Afdelings 6.3 tot 6.10).
Die twintigste eeu se natuurwetenskap verskil in 'n tweede opsig van die negentiende eeu se (Newtonse) natuurwetenskap. In die Newtonse wêreldbeeld was die ruimte waarin materie en materiedeeltjies beweeg het, onafhanklik van die beweging van die deeltjies en ook onafhanklik van die waarnemer van die beweging (d.w.s. van die eksperiment waardeur die beweging waargeneem word). Absolute tyd en absolute ruimte was die basis van die Newtonse natuurwetenskap. Gevolglik kon die meetkunde van die ruimte los van die beweging van materie bedink en ontwikkel word. Materie en energie was ook onafhanklik van mekaar sodat ons kon praat van twee behoudswette, t.w. die wet van behoud van massa en die wet van behoud van energie. Die relatiwiteitsteorie van Einstein het ruimte (meetkunde), materie (massa en sy swaartekrag), en beweging (in tyd en ruimte) met mekaar gekoppel. So iets soos absolute tyd en absolute ruimte (en daarmee absolute beweging) bestaan dan nie meer nie. Aangesien beweging in die tyd plaasvind, beteken dit dat tyd en ruimte gekoppel is. Meer nog, volgens die relatiwiteitsteorie besit bewegingsenergie die eienskap van massa. Gevolglik is massa en energie ook gekoppel. Dit beteken dat massa en energie aan mekaar ekwivalent is, dit wil sê uitruilbaar is sodat die wet van behoud van energie en die wet van behoud van massa een wet geword het, nl die wet van behoud van energie en massa.
Volgens die oerknalteorie was die 'oerknal' die oomblik waarop tyd en ruimte in 'n tyd-ruimtepunt moes begin het. Hierdie begin is vir die natuurwetenskap 'n misterie. Hoe tyd en ruimte met die oerknal ontstaan het, word nie deur die relatiwiteitsteorie aangespreek nie. Tans hoop teoretici om 'n antwoord vir hierdie misterie te vind deur kwantumfisika, wat 'n teorie vir materie is, uit te brei tot 'n teorie vir die heelal. In kwantumfisika word verskynsels in die mikrowêreld in terme van tyd beskryf. Wanneer tyd van die makrowêreld van waarneming oorgedra word na die mikrowêreld van die atoom, verdwyn tyd as 'n parameter, omdat ons geensins atome in 'n oorgangsproses intyds kan waarneem nie. In Chemie kan ons nie waarneem terwyl twee atome met mekaar verbind nie. Ons neem slegs die deetjies voor saambinding en dan weer na saambinding waar. Ons verstaan daarom uiters min van wat tyd in kwantum- en atomêre prosesse is.
Die twintigste eeu se natuurwetenskap het deur die koppeling van ruimte en tyd en van materie en energie in die mikrowêreld van die atoom die grondslag gelê vir 'n ontwikkelingsmodel van die heelal vanaf die veronderstelde oerknal sowat 15 miljard jaar gelede tot vandag. Hierdie beskrywende model is gegrond op waarnemings en teoretiese beskrywings van waarnemings in kernversnellers, die sterrekunde, astrofisika en astrochemie. Hierdie model beskryf die begin van die skepping met 'n oerknal, die daaropvolgende uitdying van materie en die voortdurende vorming van nuwe sterre en sterrestelsels. Die oerknalmodel het die vroeëre statiese model van 'n heelal vervang. In die statiese model word 'n konstante massadigtheid in 'n eindige heelal wat uitdy, gehandhaaf deur te veronderstel dat nuwe materie in die vrye ruimte voortdurend geskep word - 'n veronderstelling wat nodig was om 'n konstante digtheid van materie as gevolg van uitdying te verseker.
Sowel die statiese model as die model van die uitdyende heelal gebruik, net soos sterrekunde, euklidiese meetkunde, waarvolgens ook Newton sy absolute ruimte beskryf het. Hierdie modelle gebruik nie die nie-euklidiese (gekromde) ruimte-tyd-meetkunde van Einstein se algemene relatiwiteitsteorie nie. Volgens hierdie teorie is die tydsas net soos die drie ruimteasse gekromd. Teoreties moet die golflengte van lig dan al hoe langer word hoe verder dit in die gekromde ruimte van die heelal beweeg (Boeysen, 1995). Dit beteken dat hoe meer rooiverskuif die spektraallyne is wat ons waarneem, deste langer het die lig geneem om die aarde te bereik Sodoende sou die rooiverskuiwing van spektraallyne vanaf galaksies deur Einstein se algemene relatiwiteitsteorie voorspel kon word sonder dat die heelal hoef uit te dy. Volgens hierdie beskrywing is dit nie noodwendig dat die heelal met 'n oerknal begin het nie. Die vraag kan daarom gevra word of ons werklik die begrippe ruimte en tyd en hul verband tot die werklikheid uit ons waarnemings en teoretiese modelle kan verstaan? Gebruik ons nie maar teoretiese modelle om vrae oor die herkoms van alles vanuit menslike ervaring te probeer beantwoord nie? Natuurwetenskapbegronde begrippe kan nie bepalend wees vir die mens se lewens- en wêreldbeskouing nie.
7.7 Die kwantumbeginsel en ruimte
Moderne Fisika en moderne Chemieis terme wat gebruik word vir die Fisika en Chemie, wat ontwikkel het sedert die ontdekking van die elektron deur J.J.Thomson in 1897. Hierdie ontdekking het beteken dat die atoom verdeelbaar is (elektron kom uit die atoom). Die atoom moet daarom minstens uit deeltjies met negatiewe lading (elektron) en positiewe lading (proton) saamgestel wees en moet daarom 'n struktuur hê. Laboratoriumeksperimente het geslaag om atome in hulle bestanddele (protone, neutrone, en elektrone) uitmekaar te haal en om 'n geheel en al nuwe wetenskap, die wetenskap van die mikrowêreld van die atoom op te bou.
Die moderne natuurwetenskap verskil radikaal van die Newtonse (nou klassieke) natuurwetenskappe. Waar in die negentiende-eeuse (klassieke) natuurwetenskap die toekoms rigoristies uit die verlede voorspelbaar was, ken ons in die nuwe wetenskap slegs die verlede, maar is die toekoms van die afsonderlike dele van 'n stelsel onseker. Hierdie verandering het begin toe Max Planck in 1900 die energiekwantum ingevoer het om die eksperimentele spektrum van warmte- (swart-) strale teoreties te beskryf. Hy het van die veronderstelling uitgegaan dat slegs daardie atomiese trillings kan voorkom, waarvan die trillingsenergie veelvoude van hf is, waar h = Planck se konstante en f = die frekwensie van die atomiese trillings. Hierdie werk is opgevolg deur Einstein, wat veronderstel het dat lig uit fotone (energiekwantums) bestaan om die foto-elektriese effek teoreties te kon beskryf (1905), deur Schrödinger, Heisenberg en Dirac wat deur golf- en kwantummeganika die struktuur van die atoom beskryf het (1927), en deur Heisenberg se onsekerheidsbeginsel (1927).
Die invoering van die kwantumbeginsel het 'n onbepaaldheid (indeterminisme) in die beskrywing van prosesse in die mikronatuur ingebring. Hierdie onbepaaldheid kan met lewensversekering vergelyk word. 'n Versekeringsmaatskappy gebruik 'n opname om vas te stel hoe die lewensverwagting van 'n groep mense om 'n gemiddelde ouderdom versprei is. Hierop word sy tariewe vir lewensversekering bepaal. Al wat redelik seker is, is die verwagte aantal mense in 'n ouderdomsgroep wat in die daaropvolgende jare sal sterf. Niemand kan egter voorspel wanneer 'n betrokke persoon sal sterf nie. Net so kan ons die waarskynlikheid bereken dat 'n atoom 'n foton sal uitstraal, maar watter atoom die foton sal uitstraal en op watter tydstip die uitstraling sal plaasvind, kan ons nie bepaal nie. In chemiese reaksies beteken dit dat ons die snelheid van 'n reaksie tussen atome kan bereken, maar ons kan nie sê watter spesifieke twee atome met mekaar sal reageer of verbind nie.
Vroeg in die twintigste eeu het dit geblyk dat Newton se meganika nie die wêreld van die atoom kan beskryf nie. Kwantum-(of golf-)meganika moes hiervoor ontwikkel word. Die gewone idee van saamvalling van punte moes met saamvalling van deeltjies vervang word, deeltjies waarvan die gedrag deur materiële golwe bepaal word. Materiële golwe wat met deeltjies geassosieer word, vergroot die ruimtelike wisselwerkingsomgewing van deeltjies. Gevolglik beteken 'n ruimtelike saamvalling van deeltjies A en B en van deeltjies B en C, nie noodwendig dat deeltjies A en C ook saamval nie. Dit beteken ook dat die gedrag van deeltjies nie meer eenduidig deur die werking van kragte op materiële voorwerpe beskryf kan word nie. Daarom dat in kwantumfisiese prosesse die basiese begrip van materiële deeltjies geleidelik deur die voorstelling (idee of konsep) van velde vervang is. Dit beteken dat die volle fisiese werklikheid as velde voorgestel word in plaas van materiële voorwerpe. Die komponente van die velde word nog steeds in terme van ruimte-tyd beskryf.
Vakuum is 'n ruimte met niks, bv. die ruimte tussen atome of tussen hemelliggame. Volgens die kwantumveldeteorie bestaan vakuum nou nie meer nie, want alle ruimte word dan deur velde (soos materiële, elektromagnetiese, grawitasie- en kernkragvelde) gevul. Hierdie voorstelling van wisselwerkings tussen velde en hulle kwantums het die Newtonse voorstelling van materiële deeltjies, wat in bane beweeg onder die invloed van kragte, vervang. Deeltjies is nou kwantums van hierdie wisselwerkende velde. 'n Absolute ruimte is nie geskik om hierdie nuwe voorstelling van velde en hulle kwantums teoreties te beskryf nie en het die doodsklok vir hierdie soort ruimte gelui.
Kwantummeganiese beskrywing bring mee dat ruimte nie meer kontinu is nie, maar diskontinu verloop as gevolg van kwantumwisselwerkings. Mikrofisiese prosesse kan egter nog steeds in terme van koördinaatraamwerke met kontinue ruimte- en tydasse beskryf word maar dan moet Heisenberg se onsekerheidsbeginsel deel van die beskrywing word. Volgens laasgenoemde beginsel word die onsekerheid Dx in die meting van die koördinaat x van 'n deeltjie en 'n onsekerheid Dp in 'n gelyktydige meting van die momentum p bepaal deur die vergelyking Dx.Dp ³ h, waar h Planck se konstante is. Dieselfde onsekerheidsvergelyking geld vir die onsekerheid DE in die meting van die energie E van 'n deeltjie gedurende 'n tydsverloop Dt op tydstip t: dit is DE Dt ³ h.
Hierdie onmoontlikheid om posisie van 'n deeltjie en tydstip van daardie posisie presies te bepaal sonder dat daar sekerheid in onderskeidelik momentum en energie is, moet as 'n uitdaging gesien word vir 'n kritiese hersiening van die aanvaarde begrippe en idees van ruimte en tyd. Hierdie uitdaging het die welbekende Deense teoretiese fisikus Niels Bohr alreeds raakgesien toe hy in elektronoorgange tussen stasionêre toestande in 'n atoom "transendering van die raamwerk van ruimte en tyd" genoem het. Hierby moet nog gevoeg word dat volgens die algemene relatwiteitsteorie van Einstein, is die skaallengte (die metriek) van ruimtelike strukture 'n funksie van die digtheidspreiding van massa en energie. Ons kennis van die fisiese ruimte op mikroskaal word bepaal deur die ontwikkeling van ons insigte in mikrofisiese prosesse. Solank navorsing nie bevredigende antwoorde op basiese vrae kan gee nie, sal die ruimteprobleem onopgelos bly.