ALAN WOODS, TED GRANT
Mendelejevova periodická tabuľka prvkov
Dávno predtým, ako sa zrodila veda, boli známe kvalitatívne zmeny v hmote, ale nerozumelo sa im, až kým neprišla teória atómov. Predtým brali fyzici zmeny skupenstiev ako niečo normálne bez toho, aby vedeli, prečo k nim dochádza. Až dnes začíname tieto javy správne chápať.
Chémia urobila v 19. storočí veľký krok vpred. Bol objavený veľký počet prvkov. Ale podobne ako dnes existuje zmätok v fyzike častíc, existoval chaos v chemických prvkoch. Poriadok urobil až veľký ruský vedec Dimitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý v roku 1869 v spolupráci s nemeckým chemikom Juliusom Meyerom, vypracoval periodickú tabuľku prvkov, nazvanú tak preto, lebo ukázala pravidelné opakovanie podobných chemických vlastností.
Existenciu atómovej hmotnosti objavil v roku 1862 Cannizzaro. Ale Mendelejevov génius spočíval v tom, že s prvkami nezaobchádzal čisto z kvantitatívneho hľadiska, teda nehľadel na vzťah medzi rôznymi atómami len z hľadiska hmotnosti. Keby tak urobil, nikdy by nedospel k prevratnému výsledku. Z čisto kvantitatívneho hľadiska by mal napríklad prvok telúr (atómová hmotnosť = 127,61) nasledovať po jóde (atómová hmotnosť = 126,91), napriek tomu ho Mendelejev umiestnil pred jód, pod selén, ktorému sa viac podobá a jód umiestnil pod podobný prvok bróm. V 20.storočí sa pri skúmaní röntgenových lúčov dokázala správnosť tohto usporiadania prvkov Mendelejevovou metódou. Nové atómové číslo pre telúr bolo 52, zatiaľ čo pre jód je 53.
Celá Mendelejevova periodická tabuľka je založená na zákone kvantity a kvality, dedukuje kvalitatívne rozdiely v prvkoch z kvantitatívnych rozdielov v atómových hmotnostiach. Engels to v tej dobe uznal takto:
„Napokon, Hegelov zákon platí nielen pre zlúčeniny, ale aj pre samotné chemické prvky. Teraz už vieme, že „chemické vlastnosti prvkov sú periodickou funkciou ich atómových váh“..., a že teda ich kvalitu podmieňuje kvantita atómovej váhy. Skúška to skvele potvrdila. Mendelejev dokázal, že v radoch príbuzných prvkov zostavených podľa atómových váh nachádzajú sa rozličné medzery, ktoré naznačujú, že tu treba ešte objaviť nové prvky. Jeden z týchto neznámych prvkov, ktorý pomenoval ekaalumínium, lebo v rade, ktorý sa začína alumíniom, nasleduje hneď za ním, už vopred opísal s jeho všeobecnými chemickými vlastnosťami a predpovedal špecifickú a atómovú váhu, ako aj objem atómu. Niekoľko rokov nato Lecoq de Boisbaudran naozaj objavil tento prvok a Mendelejevove predpovede sa splnili až na celkom nepatrné odchýlky. Ekaalumínium sa realizovalo v gáliu... Neuvedomelým použitím Hegelovho zákona o prechode kvantity na kvalitu sa Mendelejevovi podaril vedecký čin, ktorý možno smelo porovnať s tým, ako Leverrier vyrátal dráhu ešte neznámeho Neptúna.“ (Engels, Dialektika prírody, str. 58-59)
Chémia zahŕňa zmeny ako kvantitatívnej tak aj kvalitatívnej povahy, ako množstva tak aj stavu. Môžeme to jasne vidieť pri zmenách skupenstva z plynného do kvapalného alebo pevného, ktoré zvyčajne súvisia so zmenami teploty a tlaku. V Anti-Dühringovi dáva Engels rad príkladov, ako v chémii obyčajné kvantitatívne pridávanie prvkov vytvára kvalitatívne odlišné zlúčeniny. Od dôb Engelsa sa systém pomenovaní používaných v chémii zmenil. Avšak zmena kvantity na kvalitu je stále presne vyjadrená v nasledujúcom príklade:
„CH2O2 - kyselina mravčia - teplota varu 100°, teplota topenia 1°
C2H4O2 - kyselina octová - teplota varu 118°, teplota topenia 17°
C3H6O2 - kyselina propionová - teplota varu 140°, teplota topenia -
C4H8O2 - kyselina maslová - teplota varu 162°, teplota topenia -
C5H10O2- kyselina valeriánova - teplota varu 175°, teplota topenia -
a tak ďalej, až po C30H60O2, kyselinu melisinovú, ktorá sa topí až pri 80 °C, a nemá nijakú teplotu varu, lebo bez rozkladu sa vôbec nevyparí.“ (Engels, Anti-Duhring, in Marx a Engels Vybrané spisy v piatich zväzkoch, zv. 4, str. 168)
Štúdium plynov a pár predstavuje osobitné odvetvie chémie. Veľký britský priekopník chémie Faraday si myslel, že je nemožné skvapalniť šesť plynov, ktoré nazval trvalé plyny - vodík, kyslík, dusík, oxid uhoľnatý, oxid dusnatý a metán. Ale v roku 1877 sa švajčiarskemu chemikovi R. Pictetovi podarilo skvapalniť kyslík pri teplote -140 °C a tlaku 500 atmosfér. Neskôr boli dusík, kyslík a oxid uhoľnatý skvapalnené pri ešte nižších teplotách. V roku 1900 bol skvapalnený vodík pri teplote -240 °C a pri ešte nižšej teplote dokonca stuhol. Nakoniec najťažšia úloha zo všetkých, skvapalnenie hélia bolo dosiahnuté pri teplote -255 °C. Tieto objavy mali významné praktické použitie. Kvapalný vodík a kyslík sa teraz vo veľkom množstve používajú v raketách. Prechod kvantity na kvalitu je zrejmý z toho, že zmeny teploty prinášajú výrazné zmeny vlastností. To je kľúč k javu supravodivosti. Zistilo sa, že pri superschladení určité látky, počnúc ortuťou, nekladú žiaden elektrický odpor.
Štúdium extrémne nízkych teplôt rozvinul v polovici 19. storočia Angličan William (neskôr Lord) Kelvin, ktorý zaviedol pojem absolútnej nuly (najnižšia možná teplota), ktorú vypočítal ako -273 °C. Pri tejto teplote, ako si myslel, by energia molekúl klesla na nulu. Táto teplota sa nazýva ako nula Kelvina a slúži ako základ stupnice pre meranie veľmi nízkych teplôt. Avšak dokonca aj pri absolútnej nule pohyb vôbec nemizne. Je tam ešte stále istá energia, ktorú nemožno odstrániť. Pre praktické účely sa hovorí, že energia je nulová, ale v skutočnosti tomu tak nie je. Hmota a pohyb, ako poukázal Engels, sú absolútne neoddeliteľné a to aj pri „absolútnej nule“.
V súčasnej dobe sa bežne dosahujú neuveriteľne nízke teploty, čo hrá dôležitú úlohu pri výrobe supravodičov. Ortuť sa stáva supravodivou presne pri 4,12 ° Kelvina (K); olovo pri 7,22 °K; cín pri 3,73 °K, hliník pri 1,20 °K, urán pri 0,8 °K, titán pri 0,53 °K. A ďalších 1.400 prvkov a zliatin má túto vlastnosť. Kvapalný vodík vrie pri 20,4 °K. Hélium je jediná známa látka, ktorá sa nedá zmraziť, a to ani pri absolútnej nule. Je to jediná látka, ktorá má jav známy ako superfluidita. Aj v tomto prípade však zmeny teploty prinášajú kvalitatívne skoky. Pri 2,2 °K prechádza správanie hélia tak zásadnou zmenou, že sa nazýva hélium-2, čím sa odlišuje od kvapalného hélia nad touto teplotou (hélium-1). Použitím nových techník je možné dosiahnúť teploty 0.000001°K, hoci sa predpokladá, že absolútna nula nie je dosiahnuteľná.
Dosiaľ sme sa sústredili na chemické zmeny v laboratóriu a v priemysle. Ale nemalo by sa zabúdať, že tieto zmeny prebiehajú v oveľa väčšom meradle v prírode. Chemické zloženie grafitu a diamantov s výnimkou cudzích častíc je rovnaké - uhlík. Rozdiel je výsledkom obrovského tlaku, ktorý v určitom bode premení obsah vreca grafitu do náhrdelníka vojvodkýň. Aby sa bežný grafit premenil na diamanty vyžaduje sa po veľmi dlhú dobu tlak aspoň 10.000 atmosfér. Tento proces sa prirodzene vyskytuje pod zemským povrchom. V roku 1955 sa veľkému monopolu GEC podarilo zmeniť grafit na diamanty pri teplote 2.500°C a tlaku 100.000 atmosfér. Rovnaký výsledok bol dosiahnutý v roku 1962 pri teplote 5.000°C a pri tlaku 200.000 atmosfér, čo priamo premenilo grafit na diamant bez pomoci katalyzátora. Ide o syntetické diamanty, ktoré nie sú určené ako ozdoby pre krky vojvodkýň, ale na oveľa produktívnejšie účely - ako rezné nástroje v priemysle.
Fázové prechody
Najdôležitejšia oblasť výskumu sa týka fázového prechodu - kritického bodu, pri ktorom hmota zmení skupenstvo z pevného na kvapalné alebo z kvapalného na plynné, alebo sa mení z nemagnetickej na magnetickú, alebo z vodiča na supravodič. Všetky tieto procesy sú odlišné, napriek tomu sa dnes dokázalo, že sa celkom nepochybne podobajú do tej miery, že matematiku aplikovanú na jeden z takýchto experimentov je možné použiť na celý rad ďalších. To je veľmi jasný príklad kvalitatívneho skoku, ako ukazuje nasledujúci úryvok z Jamesa Gleicka:
„Ako iné z chaosu samého aj fázové prechody zahŕňajú druh makroskopického správania, ktoré, hľadiac na mikroskopické detaily, sa dá ťažko predvídať. Ak sa pevný materiál zahrieva, jeho molekuly pridaním energie vibrujú. Pôsobia proti svojim väzbám a spôsobia, že látka zväčší svoj objem. Čím viac tepla, tým väčšia expanzia. Avšak pri určitej teplote a tlaku je zmena náhla a nespojitá. Lano sme naťahovali a teraz sa trhá. Kryštalická forma sa rozpadá a molekuly sa od seba vzďaľujú. Riadia sa zákonmi kvapaliny, ktoré vôbec neplatia pre pevné skupenstvá. Priemerná atómová energia sa sotva zmenila, ale materiál - teraz kvapalina, alebo magnet, alebo supravodič - prešiel do novej sféry.“ (J.Gleick, Chaos, Making a New Science, str.127)
Newtonova dynamika úplne postačovala na vysvetlenie javov vo veľkej škále, ale prestala platiť pre systémy atómových rozmerov. Pre väčšinu procesov, ktoré nezahŕňajú veľmi vysoké rýchlosti, či procesy na subatomárnej úrovni, je klasická mechanika stále platná. Kvantovou mechanikou sa budeme podrobnejšie zaoberať v inej časti. Predstavuje vo vede kvalitatívny skok. Jej vzťah ku klasickej mechanike je podobný ako vzťah vyššej a nižšej matematiky alebo dialektiky a formálnej logiky. Vysvetľuje fakty, ktoré klasická mechanika nedokáže, ako napr. rádioaktívne premeny, premena hmoty na energiu. Dala vzniknúť novému odvetviu vedy - teoretickej chémii, ktorá je schopná riešiť predtým neriešiteľné problémy. Teória magnetizmu kovov prešla zásadnou zmenou, takže umožnila brilantné objavy v oblasti toku elektrických prúdov kovmi. Ako náhle bolo prijaté nové stanovisko kvantovej mechaniky, bol odstránený celý rad teoretických problémov. Ale po dlhú dobu narážala na húževnatý odpor, práve preto, že jej výsledky narážali na tradičný spôsob myslenia a zákony formálnej logiky.
Moderná fyzika dáva množstvo príkladov fungovania zákonov dialektiky, počnúc kvantitou a kvalitou. Vezmime si napríklad vzťah medzi rôznymi druhmi elektromagnetických vĺn a ich frekvenciou, teda rýchlosťou akou pulzujú. Maxwellova práca, o ktorú sa Engels veľmi zaujímal, ukázala, že elektromagnetické vlny a svetelné vlny sú rovnakého druhu. Kvantová mechanika neskôr ukázala, že situácia je oveľa zložitejšia a vzájomne si odporuje, ale pri nízkych frekvenciách vlnová teória platí.
Vlastnosti rôznych vĺn sú dané počtom kmitov za sekundu. Rozdiel je vo frekvencii vĺn, rýchlosti, akou pulzujú, počtu vibrácií za sekundu. To znamená, že kvantitatívne zmeny vedú k rôznym druhom vlnových signálov. Preložené do farieb, červené svetlo sú svetelné vlny o nízkej frekvencii. Zvýšenie rýchlosti vibrácií zmení farbu na oranžovožltú, potom fialovú, potom na neviditeľnú ultrafialovú a röntgenove lúče a konečne na žiarenie gama. Ak proces obrátime, prejdeme na dolnom konci z infračerveného a tepelného žiarenia do rádiových vĺn. To znamená, že rovnaký jav sa prejavuje rôzne, v súlade s vyššími alebo nižšími frekvenciami. Kvantita sa mení na kvalitu.
Organické a anorganické
Zákonom kvantity a kvality je možné tiež ozrejmiť jeden z najkontroverznejších aspektov modernej fyziky, tzv „princíp neurčitosti“, ktorý budeme podrobnejšie skúmať v inej časti. Zatiaľ čo presnú polohu a rýchlosť jednotlivej subatomárnej častice nie je možné zistiť, je možné s veľkou presnosťou predvídať správanie veľkého počtu týchto častíc. Ďalší príklad: rádioaktívne atómy sa rozpadajú spôsobom, ktorý znemožňuje detailnu predpoveď. Napriek tomu, veľké množstvo atómov sa rozpadá s takou štatistickou spoľahlivosťou, že ich vedci využívajú ako prírodné „hodiny“, ktorými počítajú vek Zeme, Slnka či hviezd. Samotný fakt, že zákony správania subatomárnych častíc sa líšia od tých, ktoré fungujú na „normálnej“ úrovni, je sám o sebe príkladom premeny kvantity na kvalitu. Presný bod, v ktorom zákony mikrosveta prestávajú platiť bol definovaný kvantom hybnosti stanoveným Maxom Planckom v roku 1900.
V určitom okamihu spôsobuje zreťazenie okolností kvalitatívny skok, ktorým sa anorganická hmota mení na organickú hmotu. Rozdiel medzi anorganickou a organickou hmotou je len relatívny. Moderná veda je na dobrej ceste k objavu, ako táto zmena prebieha. Samotný život pozostáva z atómov usporiadaných určitým spôsobom. Všetci sme súborom atómov, ale nie „púhym“ súborom atómov. V prekvapivo spletitom usporiadaní našich génov máme nekonečný počet možností. Úloha umožniť každému jedincovi rozvinúť tieto možnosti v plnom rozsahu je skutočnou úlohou socializmu.
V súčasnosti molekulárni biológovia poznajú úplnú postupnosť DNA pre organizmus, ale z toho nemožno vyvodiť, ako sa organizmus sám mení počas svojho vývinu, podobne, ako znalosť štruktúry H2O neumožňuje pochopiť tekutosť. Analýzou chemikálií a buniek tela nemožno pochopiť vzorec života. To isté platí aj pre samotnú myseľ. Neurológovia majú veľké množstvo informácií o tom, čo mozog robí. Ľudský mozog sa skladá z desiatich miliárd neurónov, z ktorých každý má v priemere tisíc spojení s inými neurónmi. Najrýchlejší počítač je schopný vykonávať okolo miliardy operácií za sekundu. Mozog muchy, ktorá sedí na stene, vykonáva 100 miliárd operácií v rovnakom čase. Toto porovnanie dáva predstavu o obrovskom rozdiele medzi ľudským mozgom a najmodernejšími počítačmi.
Obrovská zložitosť ľudského mozgu je jedným z dôvodov, prečo sa idealisti pokúsili obkolesiť správanie mysle mystickou aurou. Detailná znalosť jednotlivých neurónov, axónov a synapsií nepostačuje na vysvetlenie divu myslenia a emócií. Avšak na tom nie je nič mystické. V jazyku teórie zložitosti sú myseľ a život emergentné(nepredvídateľné) javy. V jazyku dialektiky, premena kvantity na kvalitu znamená, že celok má kvalitu (vlastnosti), ktorú nemožno vyvodiť zo súčtu častí alebo rozkladu na ne. Žiaden z neurónov nemá vedomie. Napriek tomu súbor neurónov a ich spojení vedomie má. Neurónové siete sú nelineárne dynamické systémy. Zložitá činnosť a interakcie medzi neurónmi vytvárajú tento jav, ktorý nazývame vedomie.
To isté môžme pozorovať vo veľkom množstve zložitých systémov v najrôznejších oblastiach. Štúdie kolónií mravcov na Univerzite v Bath ukázali, ako sa v kolónii objavuje správanie, ktoré nemôžme pozorovať u osamotených mravcov. Jediný mravec, ponechaný sám sebe, bude náhodne blúdiť, kŕmiť sa a odpočívať v nepravidelných intervaloch. Avšak, keď pozorujeme celú kolóniu mravcov je okamžite zrejmé, že sú aktívne v dokonale pravidelných intervaloch. Predpokladá sa, že tak maximalizujú efektivitu svojej práce: keď všetci pracujú spoločne, je nepravdepodobné, že jeden mravec bude opakovať úlohu, ktorú práve vykonal iný. Stupeň koordinácie na úrovni kolónie mravcov je taká, že niektorí ju berú skôr ako jedného živočícha než ako kolóniu. Aj to je mystická prezentácia javu, ktorý existuje na mnohých úrovniach v prírode, u zvierat a v ľudskej spoločnosti, a ktorú je možné pochopiť len z hľadiska dialektického vzťahu celku a časti.
Keď vezmeme do úvahy vývin druhov, vidíme ako sa uplatňoval zákon premeny kvantity na kvalitu. Z biologického hľadiska je určitý „druh“ alebo „rasa“ živočíchov definovaná svojou schopnosťou sa vzájomne množiť. Ale ako evolučné zmeny vzdialia od seba jednotlivé živočíchy toho istého druhu, dosiahne sa bod, keď už nie je možné vzájomné množenie. V tomto bode bol vytvorený nový druh. Paleontológovia Stephen Jay Gould a Niles Eldredge preukázali, že tieto procesy sú niekedy pomalé a trvajú dlho a inokedy sú veľmi rýchle. Či tak alebo onak, ukazujú, ako postupná akumulácia malých zmien v určitom bode vyvoláva kvalitatívnu zmenu. Výrazom prerušovaná rovnováha popisujú títo biológovia dlhé obdobie stability prerušované nečakanými prudkými zmenami. Keď túto myšlienku Gould a Eldredge z Amerického múzea histórie prírody v roku 1972 predniesli, vyvolala prudkú diskusiu medzi biológmi, pre ktorých bola do tej doby Darwinova evolúcia synonymom gradualizmu, postupných zmien.
Po dlhú dobu sa predpokladalo, že evolúcia vylučuje takéto drastické zmeny. Bola prezentovaná, ako pomalé, postupné zmeny. Avšak nájdené fosílie, aj keď sú neúplné, predstavujú úplne iný obraz, dlhé obdobia postupného vývinu prerušované prudkými zmenami, sprevádzanými masovým vymieraním niektorých druhov a rýchlym rastom iných. Či už dinosaury vyhynuli v dôsledku kolízie meteoritu so Zemou alebo nie, zdá sa veľmi nepravdepodobné, že by takto dochádzalo k väčšine veľkých vyhynutí. Kým vonkajšie javy, vrátane vplyvu meteoritu alebo kométy, môže hrať úlohu „nehôd“ v evolučnom procese, je nutné hľadať vysvetlenie evolúcie jej vnútornými zákonmi. Teória „prerušovanej rovnováhy“, ktorú teraz podporuje väčšina paleontológov, predstavuje rozhodujúce skoncovanie so starým gradualistickým výkladom darwinizmu, a predstavuje skutočne dialektický obraz evolúcie, v ktorom sú dlhé obdobia stagnácie prerušované nečakanými skokmi a katastrofickými zmenami všetkého druhu.
Existuje nekonečné množstvo ďalších príkladov tohto zákona, ktoré pokrývajú veľmi široké spektrum. Je ešte možné naďalej pochybovať o platnosti tohto veľmi dôležitého zákona? Je naozaj opodstatnené ho naďalej ignorovať, alebo odpísať ho ako subjektívny výmysel, ktorý bol svojvoľne použitý na rôzne javy, ktoré navzájom spolu nesúvia? Vidíme, ako štúdium fázových prechodov vo fyzike viedlo k záveru, že sa očividne nesúvisiace zmeny - var kvapalín a magnetizovanie kovov –riadia rovnakými pravidlami. Je len otázkou času, kedy budú objavené podobné vzťahy, ktoré bezpochyby ukážu, že zákon prechodu kvantity na kvalitu, je skutočne jedným z najzákladnejších zákonov prírody.