Thoughts of Existence Pave the Way for Atoms

De oude Griekse filosofen speelden een belangrijke rol in het vormgeven van de eerste gedachten over atomen en vroege atoomtheorieën. Verscheidene filosofen uit de oudheid dachten na en ontwikkelden een theorie over materie, waarbij er één zelfs het bestaan voorstelde van een fundamentele bouwsteen waaruit niet alleen alle levende en niet-levende dingen bestonden, maar ook het bovennatuurlijke. Hun gedachten waren speculatief en filosofisch, eerder dan wetenschappelijk van aard. En hoewel zij probeerden de aard van de materie en haar samenstelling aan te raken, was hun werkelijke doel iets aan de orde te stellen dat de oude Grieken zeer bezighield: de aard van blijvendheid en verandering. Helaas waren deze “theorieën” over materie maar van korte duur. Hoewel er tijdens de Middeleeuwen en de Renaissance enige opleving was, hebben zij tot de zeventiende eeuw nooit echt vaart gekregen.

Echte atoomtheorieën

De vroege atoomtheorieën concentreerden zich op een primair element dat verantwoordelijk was voor het ontstaan van alle andere materie. Heraclitus zei dat het vuur was, Thales van Miletus (ca. 624 v.Chr.-c. 546 v.Chr.) zei dat het water was, Anaximenes (ca. 585 v.Chr.-c. 528 v.Chr.) dacht dat het lucht was, en Empedocles bracht ze uiteindelijk bij elkaar door te verklaren dat er vier elementen waren: lucht, aarde, vuur, en water. Later nam Aristoteles Empedocles’ vier elementen over, en zo bleef het tot ongeveer de zeventiende eeuw.

Empedocles

Geboren in Acragas, in het huidige Sicilië, was Empedocles (ca. 492 v.Chr.-c. 432 v.Chr.) een interessante figuur, die wordt beschreven als filosoof, profeet, genezer, democratisch politicus, mysticus, charlatan, oplichter en wetenschapper. Zijn belangrijkste bijdrage aan de natuurwetenschappen was zijn vier-elementen-theorie.

Deze fundamentele elementen, die hij “wortels” noemde, verenigden zich in wisselende hoeveelheden tot alle andere materie: planten, dieren, mensen, rotsen – alles. En terwijl de elementen zich vermengden om andere dingen te vormen, behielden zij toch hun eigen individuele kenmerken. Empedocles zag de vier elementen inderdaad als onveranderlijk, eeuwig, en onverwoestbaar. Empedocles geloofde in twee eeuwige metafysische krachten: Liefde en Strijd. Liefde was verantwoordelijk voor het samenbrengen van de elementen in het scheppingsproces, terwijl de tegengestelde kracht van Strijd verantwoordelijk was voor de scheiding van de elementen, wat uiteindelijk leidde tot het proces van verval. De kosmische strijd tussen Liefde en Strijd vertegenwoordigde de natuurlijke cyclus van verandering in het universum; Liefde bouwde dingen op en Strijd brak ze weer af, en zij streden tegen elkaar, waarbij elk de overhand probeerde te krijgen over de ander.

In Empedocles’ theorie zien we duidelijk het concept van een veranderend universum, vergelijkbaar met dat beschreven door Heraclitus, hoewel waar Heraclitus alleen geloofde in Strijd, Empedocles zijn theorie verzachtte met de toevoeging van Liefde als zijn kosmische tegenhanger. Misschien minder duidelijk is dat Empedocles ook een deel van de leer van Parmenides omarmde. Hoewel hij niet geloofde in een onveranderlijk universum, zoals Parmenides’ monistische dogma had geëist, schreef hij wel onveranderlijkheid toe aan zijn fundamentele elementen. Zeker, dit was een bewuste poging om de tegengestelde doctrines van Heraclitus en Parmenides met elkaar te verzoenen, en hij was niet de enige die dat deed. Niettemin liet hij de monistische visie van Parmenides varen ten gunste van een pluralistische visie die wordt beheerst door zijn vier elementen (wortels), twee krachten, en de daaruit voortvloeiende vermenging daarvan. Een tijdgenoot van Empedocles en mede vroege atoomtheoreticus was Anaxagoras.

Anaxagoras

Anaxagoras (ca. 500 v.Chr.-c. 428 v.Chr.) werd geboren in de stad Clazomenae in Ionië, gelegen in het huidige Turkije. Hij was de eerste die filosofie naar Athene bracht (waarschijnlijk overgehaald door Pericles (ca. 495 v. Chr. – 429 v. Chr.) die zijn leerling werd) en bracht er dertig jaar door maar vertrok uiteindelijk. Het schijnt dat zijn leer over de Aarde, de Zon en de Maan hem in de problemen heeft gebracht (Galileo was blijkbaar niet de eerste die dit lot beschoren was). Hij was namelijk in overtreding van een wet die de vervolging toestond van iemand die geen godsdienst beoefende en theorieën over de hemellichamen onderwees. Hij werd beschuldigd van godslastering. In plaats van te blijven en zijn straf, executie, onder ogen te zien, vertrok hij met hulp van Pericles uit Athene naar Lampsacus (in Klein-Azië), waar hij de rest van zijn leven verbleef.

Net als Empedocles probeerde Anaxagoras de uitdaging van Parmenides’ eis van een onveranderlijke wereld aan te gaan en tegelijkertijd de schijnbare verandering die we in het dagelijks leven ervaren te verklaren. Terwijl Empedocles lucht, aarde, vuur en water aanwees als de fundamentele bouwstenen van alles wat bestaat, verklaarde Anaxagoras, die geen reden zag voor een dergelijk onderscheid, dat alles een beetje van al het andere bevat.

Voor Anaxagoras waren dingen als botten, huid en haar net zo echt als Empedocles’ fundamentele elementen lucht, aarde, vuur en water, en als zodanig is er geen reden waarom men sommige zou kiezen ten gunste van andere. Dus besloot hij niet te kiezen, maar in plaats daarvan een “deel van alles in alles” op te nemen. Hoewel dit niet met zekerheid bekend is, zou het kunnen dat hij tot zijn theorie van de materie kwam door zijn nogal inzichtelijke studies in de voedingsleer. Anaxagoras merkte op dat voedsel dieren voeding verschafte die er op haar beurt voor zorgde dat bepaalde dingen gebeurden, zoals dat hun haar groeide en dat hun huid genas. Hij concludeerde dat voedsel dan de bestanddelen van haar en huid al in zich moet hebben om deze effecten te kunnen overbrengen.

Meer nog, Anaxagoras beschouwde materie als oneindig deelbaar. Dus, als men een stuk haar steeds weer afknipte, zou het nog steeds de essentie van haar bevatten. Hij zegt: “Want van het kleine is er geen kleinste, maar altijd een kleinere (want wat is, kan niet niet zijn). Maar ook van het grote is er altijd een groter, en het is in hoeveelheid gelijk aan het kleine. Maar ten opzichte van zichzelf is elk zowel groot als klein.”

Hoewel Anaxagoras desondanks deze componenten van de materie, vaak aangeduid als “zaden,” of “dingen,” als eeuwig en onverwoestbaar beschouwde, zij het op een lossere manier dan Empedocles voor ogen stond. Dit roept nog steeds de vraag op dat als alles al het andere bevat (niettemin in wisselende verhoudingen), wat is het dan dat iets maakt tot wat het is? Hierop antwoordt Anaxagoras: “Elk ding is en was duidelijk datgene waarvan het het meeste bevat.” Met andere woorden, iets is wat het is omdat het het meeste van die “dingen” bevat. Preciezer gezegd, iets is wat het macroscopisch lijkt te zijn omdat het microscopisch het meeste van dat “spul” bevat.

Dus we zien in zowel de theorieën van Empedocles als die van Anaxagoras de poging om begrijpelijke theorieën over materie te produceren. Elk van hen probeerde ideeën te combineren die de veranderende wereld die wij allen ervaren zouden verklaren, terwijl ze toch toestonden dat bepaalde componenten fundamenteel bleven, en als zodanig onveranderlijk. In feite probeerde ieder van hen op zijn eigen manier tegelijkertijd de dogma’s van Heraclitus en Parmenides te omvatten.

Huidig klinken hun ideeën ons misschien vreemd en metafysisch in de oren, maar toch kan men de gelijkenis tussen hen en de huidige atoomtheorie vinden. Dit wordt misschien het best geïllustreerd door de theorie van Democritus, die ongetwijfeld de belangrijkste antieke Griekse atoomtheoreticus is.

Democritus’ Atoom

Democritus (ca. 460 v.Chr.-c. 370 v.Chr.) was een inwoner van Abdera in Thracië, gelegen in het huidige Griekenland. Hij reisde veel en bracht misschien tijd door in Egypte en Perzië. Hij bracht ook tijd door in Athene: “Ik ging naar Athene en niemand kende mij.”

Het lijkt erop dat Democritus in Athene nooit echt in de intellectuele elite heeft gepast, en zijn filosofie werd een tijdlang genegeerd. Niettemin hebben zijn rijkdom aan kennis en zijn nauwkeurig denken hem een welverdiende plaats gegeven in de geschiedenis van de filosofie. Naar onze huidige maatstaven was hij misschien wel de meest succesvolle van de oude Griekse filosofen als het gaat om de opmerkelijke nauwkeurigheid van zijn ideeën. Hij beschouwde bijvoorbeeld de Melkweg als een verzameling kleine sterren, en de Maan als een soort Aarde met bergen en dalen. Wij kennen hem echter vooral van zijn atoomtheorie.

Democritus was een leerling van Leucippus (vijfde eeuw v. Chr.), die zelf ook een atoomtheorie had. In feite is het moeilijk om de atoomtheorieën van Democritus en Leucippus uit elkaar te houden. Dit komt vooral omdat we heel weinig over Leucippus weten, en er is gespeculeerd dat hij nooit echt heeft bestaan, hoewel dit onwaarschijnlijk lijkt omdat Aristoteles en Theophrastus (ca. 371 v.Chr.-c. 287 v.Chr.) zijn atoomtheorie expliciet noemden. Het lijkt waarschijnlijker dat Leucippus enkele van de grondslagen heeft gelegd, en dat Democritus daarop heeft voortgebouwd en zo de theorie heeft uitgebreid.

Democritus beschouwt alles in het universum – inclusief de menselijke geest en ziel, en zelfs de goden – als opgebouwd uit atomos, wat Grieks is voor ondeelbaar en waaraan we het woord atoom ontlenen. Democritus beschouwde deze atomen inderdaad als ondeelbaar (dit in tegenstelling tot Anaxagoras, die zijn fundamentele stukken als oneindig deelbaar beschouwde). Hij stelde zich atomen voor in een verscheidenheid van vormen en maten, die verantwoordelijk waren voor de eigenschappen van de voorwerpen waaruit zij bestonden. Bovendien beschouwde hij atomen als onveranderlijk, eeuwig en onverwoestbaar, vergelijkbaar met de manier waarop Empedocles zich zijn vier fundamentele elementen voorstelde.

Democritus zag materiële objecten als bestaande in een tijdelijke toestand, die wordt geschapen of vernietigd doordat atomen samenkomen of uiteenvallen onder invloed van natuurlijke krachten; het enige dat dan overblijft zijn de atomen waaruit die materiële objecten zijn opgebouwd. Dit is niet anders dan Empedocles’ opvatting, waarin hij zich voorstelde dat de vier elementen materiële voorwerpen voortbrengen onder invloed van de krachten Liefde en Strijd. Bovendien gaf Democritus ook beweging aan zijn atomen.

Democritus stelde zich atomen voor als altijd in beweging, waarbij ze de ene botsing na de andere met elkaar ondergingen als ze zich voortbewogen. Bovendien was deze beweging een fundamentele eigenschap en, net als de atomen zelf, eeuwig en onverwoestbaar, hoewel veranderlijk onder bepaalde omstandigheden.

Om atomen in beweging te laten zijn, moet er een ruimte zijn waarin ze kunnen bewegen, en dus vond Democritus de leegte uit. Volgens Democritus bewegen atomen in de leegte met een constante willekeurige beweging (hij vergeleek de beweging van atomen met de stofdeeltjes die men in het zonlicht ziet ronddansen als er geen briesje staat). Dit lijkt veel op hoe wij ons voorstellen dat ze dat vandaag de dag doen, zoals beschreven door de hedendaagse kinetische theorie.

Bedenk dat in de filosofie van Parmenides materiële dingen bestaan omdat wij in staat zijn aan ze te denken. Hij acht het ook onmogelijk om aan niets te denken, en daarom kan het niet bestaan. De leegte van Democritus kan dus een flagrante miskenning van deze stelling lijken, omdat zij voor alle praktische doeleinden niets lijkt te zijn. Democritus zag de leegte echter als iets: een plaats, onafhankelijk van de atomen, waar de atomen kunnen verblijven en zich in kunnen bewegen. Het echte probleem is dat Parmenides zich alleen materiële objecten als iets kon voorstellen, terwijl Democritus zich zowel een materieel object (het atoom) als de ruimte waarin het zich bevond als iets kon voorstellen. Democritus maakt zijn punt duidelijk: “Niets bestaat behalve atomen en lege ruimte; al het andere is mening.”

Democritus deed concessies aan zowel Parmenides als Heraclitus, net zoals Empedocles en Anaxagoras dat deden, door zich een universum voor te stellen dat bestond uit een oneindig aantal onveranderlijke, eeuwige en onverwoestbare atomen, die altijd willekeurig met elkaar in botsing komen, en in staat zijn om samen te smelten tot materiële objecten zoals wij die kennen.

Afgezien van de opmerkelijke gelijkenis met de hedendaagse atoomtheorie, is de atoomtheorie van Democritus op zichzelf verlossend vanwege het feit dat zij een “mechanische verklaring” biedt voor materie: materie bestaat uit atomen die in een leegte bewegen en botsingen ondergaan (waarbij voorgaande botsingen worden bepaald door voorgaande) die worden beheerst door bepaalde natuurwetten.

Hij beroept zich niet op goddelijke tussenkomst in dit atomaire proces, maar hij stelt eenvoudigweg dat atomen altijd in beweging zijn geweest en altijd in beweging zullen zijn, en dat natuurkundige wetten deze beweging beschrijven. Het mooie van een dergelijke constructie is dat zij zich leent voor een wetenschappelijke beschrijving. Dat wil zeggen, men kan hopen een wiskundige theorie te ontwikkelen die de natuurkundige wetten beschrijft, en vervolgens experimenten uit te voeren om deze theorie te testen.

Het is duidelijk dat noch de benodigde wiskunde noch de experimentele procedures beschikbaar waren voor Democritus. Bovendien kreeg Democritus’ theorie nog een andere klap te verduren – namelijk van Aristoteles, die de ontwikkeling van Democritus’ werk belemmerde. Op verschillende plaatsen noemt hij de atoomtheorie van Democritus expliciet, om deze vervolgens aan te vallen. Ironisch genoeg leren we op deze manier veel, misschien wel het meeste, van wat we weten van Democritus’ atoomtheorie.

Waarom Aristoteles?

Aristoteles (ca. 384 v.Chr.-c. 322 v.Chr.) werd geboren in Stagira, Griekenland. Zijn vader was de lijfarts van de koning van Macedonië, een positie die hij erfde. Aristoteles studeerde vanaf zijn achttiende in Athene bij Plato (ca. 427 v. Chr. – ca. 347 v. Chr.) en bleef daar bijna twintig jaar tot Plato’s dood. In 343 v. Chr. werd Aristoteles leraar van Alexander de Grote, die toen dertien jaar oud was, en hij bleef dat tot hij zestien was, toen Alexanders vader hem tot regent in Pella benoemde.

De geschriften van Aristoteles leverden het eerste allesomvattende systeem van westerse filosofie op, met onderwerpen op het gebied van politiek, ethiek, logica, metafysica en wetenschap. Er was nauwelijks een gebied waar hij niet over schreef. Aristoteles was van mening dat alle menselijke kennis niet onder één enkele categorie kon vallen en verdeelde deze als eerste in categorieën. Hier zijn we geïnteresseerd in Aristoteles’ theorie van materie en vorm.

Net als anderen probeerde Aristoteles Parmenides’ uitdaging van permanentie aan te gaan en tegelijkertijd ruimte te behouden voor verandering in de wereld, zoals Heraclitus had geëist; zijn theorie van materie en vorm is een poging om deze verzoening tot stand te brengen. Volgens Aristoteles bestaan de voorwerpen zoals wij ze kennen uit twee delen: “materie” en “vorm.” De vorm geeft een bepaalde ordening aan de materie, en het is op grond van de vorm dat wij een voorwerp als een “ding” identificeren; een ding kennen is kennis hebben van de vorm ervan.

Stelt u zich bijvoorbeeld eens voor dat een beeldhouwer begint met een klomp klei en deze in de vorm van een hond boetseert. Hier is de klei de materie, en de vorm van een hond die door de beeldhouwer aan de klei wordt gegeven is de vorm. Stel je nu voor dat de beeldhouwer opnieuw begint en het stuk klei, dat eens de vorm van een hond had, verandert in iets anders, misschien deze keer een kat. Het is duidelijk dat de materie nog steeds de klei is, maar nu is de vorm veranderd van die van een hond in die van een kat. De beeldhouwer schept de vorm echter niet; die was er altijd al. In plaats daarvan heeft de beeldhouwer alleen de vorm en de materie bij elkaar gebracht. Volgens Aristoteles is verandering het gevolg van een verandering in de vorm van de materie.

Daarnaast beschrijft Aristoteles zo’n proces als beheerst door vier oorzaken: materiële, formele, efficiënte en definitieve. Dit zijn de axioma’s die bepalen hoe een materieel voorwerp ontstaat, en je kunt ze zien in termen van de volgende vragen: Wat is het materiaal waarvan het object is gemaakt? Wat is het voorwerp? Hoe is het object gebouwd? Wat is het doel van het voorwerp? De belangrijkste hiervan is de laatste, bekend als de uiteindelijke oorzaak. Sterker nog, als er een centraal principe ten grondslag zou liggen aan de filosofie van Aristoteles, dan zou het de vraag zijn die door de laatste oorzaak wordt gesteld.

Het is de laatste oorzaak die de materie een zeker doel verschaft terwijl zij zich door haar verschillende vormen beweegt. Voor het grootste deel is het de uiteindelijke oorzaak die zorgt voor een gevoel van permanentie in het gehele proces. Zo probeert Aristoteles met zijn leer van materie en vorm de schijnbaar ongelijksoortige ideeën van verandering en blijvendheid te verenigen. Verwant aan Aristoteles’ theorie van vorm en materie zijn de begrippen “potentialiteit” en “actualiteit”. Nogmaals, denk aan de beeldhouwer en de klei. Toen de klei nog slechts een klomp was op de werkbank van de beeldhouwer, had het slechts de potentie om de vorm van onder andere een hond of een kat aan te nemen. Maar toen de klei vorm kreeg door de inspanningen van de beeldhouwer, nam de actualiteit ervan toe. Dus, hoe meer vorm iets heeft, hoe groter zijn actualiteit is. Aristoteles verwerkte deze principes ook in zijn theologie, waar zijn versie van God wordt afgebeeld als volmaaktheid bestaande uit zuivere vorm en actualiteit.

Aristoteles’ werken werden na de val van het Romeinse Rijk herontdekt door de Arabische beschaving die het gebied van Perzië tot Spanje beheerste. Onder deze groep Arabieren bevonden zich Moslim en Joodse geleerden, die de werken van Aristoteles (en vrijwel alle belangrijke werken uit de Griekse cultuur, alsmede de Perzische en Indische cultuur) in het Arabisch vertaalden. Deze vertaalde werken werden vervolgens overgenomen door middeleeuwse Christenen, die tegen 1100 de controle begonnen te krijgen over deze Arabische beschaving in gebieden als Toledo, Spanje, en Lissabon, Portugal.

De Moslim en Joodse geleerden voegden aanvullingen toe aan de originele werken. Zij vertaalden dus niet alleen de oorspronkelijke werken van het Grieks naar het Arabisch, maar zij vulden ook ideeën aan die door de oude Grieken onvoltooid waren gelaten, waardoor de oorspronkelijke werken werden verbeterd. De timing kon niet beter zijn geweest voor christelijke geleerden, want tegen het midden van de twaalfde eeuw begonnen zij zich al af te vragen wat de relatie was tussen God en, nou ja, al het andere. Het was Aristoteles die hun het inzicht verschafte waar ze naar zochten – dat wil zeggen, toen ze eenmaal al zijn werken van het Arabisch naar het Latijn hadden laten vertalen.

Er waren waarschijnlijk verschillende redenen waarom christelijke geleerden de voorkeur gaven aan Aristoteles boven de andere oude Griekse filosofen. Ten eerste bood hij een zeer compleet systeem van filosofie, waarbij hij zo ongeveer alles heeft besproken. Zijn geschriften waren op een zeer academische manier geschreven, terwijl ze toch heel handelbaar waren voor een algemeen publiek, met net genoeg gezond verstand erin verwerkt. Aristoteles’ gezond verstand kwam voor een deel voort uit het feit dat hij een empirist was – terwijl Democritus meer theoretisch dacht, was Aristoteles meer observerend; hij observeerde de natuur en geloofde dat we op deze manier nuttige informatie uit de wereld konden halen. Tenslotte bood Aristoteles’ visie op God, hoewel niet die van een Christelijke God, duidelijk genoeg aanknopingspunten om te worden geïntegreerd in een nieuwe versie van het Christendom van die tijd, vooral dankzij mensen als St. Thomas van Aquino (1225-1274).

Eenmaal succesvol geïntegreerd in het Christendom (en met de vroege Europese universiteiten die verbonden waren aan de Christelijke Kerk), werd Aristoteles de autoriteit op zo’n beetje alles, in het bijzonder de wetenschap, tot ongeveer de zeventiende eeuw. De werken van Democritus kregen dus niet echt de kans om tot bloei te komen om deze redenen en nog een paar andere. Niettemin zou de zeventiende eeuw dit alles spoedig veranderen, toen wetenschappers de wereld op een meer systematische (mechanistische, of mechanische) manier probeerden te begrijpen met de nieuwe instrumenten die hen ter beschikking stonden in de snel veranderende gebieden van de fysica en de wiskunde.