Reklama.
Olga W: Fizyka jest nauką o zjawiskach, które nas otaczają. Wyjaśnia nam świat, oddziaływania i zależności, które w nim obowiązują. Większość uczniów, a pewnie i część byłych uczniów, kojarzy ją jednak z zupełnie czym innym. Z wieloma godzinami słuchania teorii i długimi równaniami na tablicy. Czy fizyka może być ciekawa również dla humanistów?
Dr Michał P. Heller: Muszę przyznać, że z mojego punktu widzenia praca fizyka wygląda zupełnie inaczej niż wyobrażenia o niej z czasów szkolnych i jest o wiele bardziej ekscytująca niż zapowiadały to studia. Rozwiązanie zadania z fizyki zajmuje nam w szkole góra kilkanaście minut, czyli w jeden wieczór, przy odpowiednim samozaparciu, takich zadań jesteśmy w stanie zrobić nawet kilkanaście. Naturalną skalą czasu dla ucznia zajmującego się fizyką jest więc owe kilkanaście minut wymagane do rozwiązania jednego zadania domowego, natomiast dla naukowca takiego jak ja są to tygodnie czy miesiące. Ta ogromna różnica między pracą badacza, a nauką fizyki w szkole czy na studiach wynika z tego, że fizyka szkolna czy ta wykładana na uniwersytecie już istnieje i ucząc się jej, podążamy ustaloną ścieżką, natomiast prowadząc badania naukowe, wytyczamy zupełnie nowe szlaki intelektualne. W związku z tym, uważam, że w fizyce najważniejsza jest szeroko rozumiana wyobraźnia i myślenie kreatywne, bo to one prowadzą nas ku nowemu. W tym aspekcie fizyka nie odbiega więc znacząco od sztuki, która uchodzi przecież za domenę umysłów humanistycznych. Natomiast tym, co czyni fizykę naprawdę trudną dla humanistów, jest po pierwsze konieczność zapisania swoich pomysłów w języku matematyki, bo to ona okazuje się być językiem przyrody, a po drugie akceptacji tylko tych idei, które nie stoją w jawnej sprzeczności z doświadczeniem.
Co we współczesnej fizyce wysokich energii, którą Pan się zajmuje, jest według Pana najbardziej ekscytujące? Co może być w niej ciekawego dla osób, które nie zajmują się nauką, czy dla nastolatków, którzy być może kiedyś rozpoczną karierę naukową na tym polu?
Zdecydowanie najciekawsze jest dla mnie pytanie, czym jest przestrzeń, w której żyjemy i w jakich okolicznościach nasz standardowy, geometryczny sposób myślenia o niej się załamuje. W ramach tak zwanej zasady holograficznej okazuje się, że przestrzeń i prawa grawitacji, które ją opisują, są przejawem bardziej fundamentalnego opisu, w którym liczba wymiarów spada o jeden. Z tej różnicy w wymiarowości wynika jej nazwa: w holografii optycznej dwuwymiarowa płytka holograficzna przechowuje informację o trójwymiarowym obrazie. Choć sama zasada holograficzna ma już 20 lat i teoria strun, którą się zajmuję, bardzo ją skonkretyzowała, ciągle jest mnóstwo niewiadomych. Przykładowo, jednym z najbardziej aktualnych pytań jest to, czy czas i przestrzeń, jakich na co dzień doświadczamy, istnieją we wnętrzu czarnych dziur.
Co w takim razie jest w środku czarnej dziury i co się dzieje z materią, która do niej wpada?
Gdyby zadała mi Pani to pytanie kilka lat temu, to cytując podręcznik z czasów studiów odpowiedziałbym, że osoba właśnie wpadająca do czarnej dziury nie odczułaby niczego szczególnego związanego z tym wydarzeniem. Eksperci, za sprawą wyników z ostatnich lat, nie są już tego tacy pewni. Niektórzy uważają wręcz, że obserwator wpadający do odpowiednio starej czarnej dziury bardzo szybko ulegnie dezintegracji natrafiając na tzw. firewall.
Obecnie często mówi się o możliwości wytwarzania czarnych dziur na ziemi – przez naukowców. Czy to może być niebezpieczne?
Nigdy nie udało nam się wytworzyć w laboratorium czarnych dziur, natomiast są teorie, które przewidują możliwość powstawania mikroskopijnych czarnych dziur w LHC w CERN-ie. Hipotetyczne zagrożenie wynikałoby z tego, że czarne dziury, poglądowo, absorbują wszystko, co do nich wpada. Dzięki temu „rosną” i stają się coraz bardziej „żarłoczne”. Badacze czarnych dziur wiedzą jednak, m.in. dzięki pracom słynnego Stephena Hawkinga, że czarne dziury nie są do końca czarne i podlegają zjawisku potocznie nazywanym parowaniem. Co więcej robią to tym gwałtowniej, im są mniejsze. W związku z tym okazuje się, że nawet gdyby w CERN-ie udało się wytworzyć mikroskopijną czarną dziurę, ta kompletnie by wyparowała, zanim zdążyłaby stworzyć jakiekolwiek zagrożenie. Bezpośrednim dowodem, że nie ma żadnego zagrożenia jest natomiast fakt, że ciągle istniejemy. W ziemskiej atmosferze dochodzi bowiem do zderzeń z cząstkami promieniowania kosmicznego o większych energiach niż te osiągane w CERN-ie. W związku z tym, jeśli czarne dziury miałyby się pojawić w CERN-ie, to musiały zostać już wielokrotnie wytworzone w atmosferze bez żadnych dramatycznych efektów dla ludzkości.
Start akceleratora w CERN-ie był wielkim wydarzeniem uznawanym za moment przełomowy w dziejach ludzkości. Rozpostarła się przed nami wizja nowych odkryć, które mogą zmienić nasz dotychczasowy obraz świata. Dla fizyków takich jak Pan, ukryte wymiary, nowe cząstki oraz miniaturowe czarne dziury, nie są jednak niczym nowym... Od lat zajmuje się Pan opisem plazmy kwarkowo−gluonowej – w języku teorii strun i czarnych dziur. Nie brzmi to zbyt humanistycznie ;) Jak by Pan to opisał i wyjaśnił przeciętnym zjadaczom chleba?
Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, w skrócie LHC) w CERN-ie w pierwszej kolejności pokazał, że jako fizycy jesteśmy na dobrej drodze. Odkrywając tzw. cząstkę Higgsa, potwierdził ponad 40-letnie przewidywanie teoretyczne. Powinno nas to napawać optymizmem jeśli chodzi o inne pomysły teoretyków, w tym teorię strun, którą się zajmuję!
W ramach teorii strun, cząstki takie jak bozon Higgsa są przejawami istnienia bardziej fundamentalnych obiektów rozciągłych: strun i bran. Okazuje się, że pomysł ten prowadzi do wielu atrakcyjnych dla teoretyków konsekwencji, np. możliwości opisania wszystkich oddziaływań fundamentalnych w ramach jednej teorii. To ostatnie nie jest proste do osiągnięcia i teoria strun jest obecnie jedyną kandydatką na poszukiwaną przez samego Einsteina „teorię wszystkiego”. Teoria strun przychodzi jednak z własnym bagażem: przewiduje na przykład istnienie dodatkowych wymiarów, a także całej gamy niezaobserwonych jeszcze cząstek związanych z hipotetyczną nową symetrią przyrody, tzw. supersymetrią. Odkrycie supersymetrii czy dodatkowych wymiarów w CERN-ie można byłoby porównać więc rangą z przewrotem kopernikańskim.
A wracając do cząstki Higgsa, była ona brakującym ogniwem Modelu Standardowego, opisu 3 z 4 oddziaływań, które znamy w przyrodzie. Jednym z przewidywań Modelu Standardowego jest to, że we wczesnym, bardzo gorącym Wszechświecie materia występowała w innej fazie niż dzisiaj, tj. w stanie tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej. Plazma kwarkowo-gluonowa to płynny stan skupienia, o którym można myśleć poglądowo jako o wyniku „stopienia” w bardzo wysokiej temperaturze protonów i neutronów, składników jąder atomowych, i uwolnienia kwarków i gluonów, z których protony i neutrony są zbudowane.
A co plazma kwarkowo-gluonowa ma wspólnego z czarnymi dziurami?
Okazuje się, że układ bardzo przypominający plazmę kwarkowo-gluonową, w ramach wymienionej już zasady holograficznej, jest mikroskopowym opisem wyżej wymiarowej przestrzeni zawierającej czarną dziurę. Badając tę czarną dziurę, tj. rozwiązując równania, które wyprowadził Einstein 100 lat temu, można próbować opisać plazmę kwarkowo-gluonową.
Dziś możliwe jest również jej empiryczne zbadanie. Postęp eksperymentalny pozwala wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową w laboratorium poprzez zderzenia pędzących z ogromną prędkością jąder atomowych m.in. właśnie w CERN-ie. Uważam to za bardzo inspirujące, że w eksperymencie na Ziemi jesteśmy w stanie odtworzyć warunki panujące we wczesnym Wszechświecie, niedługo po Wielkim Wybuchu!
Czy takie badania związane ze współczesną fizyką wysokich energii zbliżają nas chociaż trochę do odpowiedzi na pytanie, jak powstał nasz świat i jak się skończy?
Nie wiemy, jakie prawa fizyki obowiązywały w „chwili zero”, w szczególności samo pojęcie dobrze zdefiniowanego początku Wszechświata wydaje się dość dyskusyjne. Mamy natomiast coraz więcej poszlak wskazujących na to, że Wszechświat w bardzo wczesnym okresie swojego istnienia w niespotykany sposób się rozszerzył. To hipotetyczne zjawisko nazwane zostało przez naukowców inflacją. Ogłoszone z wielką pompą w marcu odkrycie naukowców z eksperymentu BICEP2, jeśli wytrzyma próbę czasu, może stać się koronnym dowodem inflacji i przynieść jej twórcom Nagrodę Nobla.
Kwestia losu Wszechświata wydaje się być bardziej klarowna. Komitet Noblowski w 2011 roku nagrodził badaczy za odkrycie, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. Oznacza to, że naszym przeznaczeniem jest kosmiczna pustka: zimny Wszechświat nie sprzyjający życiu.
Według scenariusza opartego o kosmologię bran możliwe jest, aby nasz Wszechświat powstał w wyniku jednego z powtarzalnych etapów rozszerzania i zapadania przestrzeni. Czy to możliwe, że wszechświat rozpoczął się od czarnej dziury?
Nie wiem, ale zdaje się, że mówi Pani o pracy moich kolegów z Perimeter Institute w Kanadzie. Zaczynam tam jutro pracę i z ciekawości ich o to zapytam!
Pana praca wydaje się niezwykle ciekawa i pewnie wiele osób chciałoby pójść w Pana ślady. Czy taka ścieżka kariery naukowej jest trudna?
W moim przypadku to kwestia pasji, której korzenie sięgają dzieciństwa. Muszę jednak uczciwie przyznać, że nawet jako student uniwersytetu miałem dość nikłe pojęcie na temat tego, jak będzie wyglądała moja praca za kilka lat, nie mówiąc już o swoich wyobrażeniach z lat wcześniejszych. Obecnie, wydaje mi się, że w nauce najbardziej liczy się determinacja, talent oraz pewna „doza bezczelności”. Determinacja przydaje się choćby dlatego, że większość czasu naukowcy spędzają jednak na błądzeniu. Często kilka tygodni badań można streścić w dwóch, trzech zdaniach, które opisują jedynie ślepe uliczki. Talent potrzebny jest do zrobienia czegoś, na co nie wpadł nikt inny. No i ta odrobina bezczelności. Bez niej nie da się kwestionować utartych schematów i wytyczać nowych ścieżek. W końcu, trzeba mieć też choć odrobinę szczęścia.
Ma Pan nie tylko imponującą wiedzę, ale i imponujące osiągnięcia. Pomimo młodego wieku, jest Pan współautorem wielu prac opublikowanych w najbardziej prestiżowych, światowych magazynach naukowych („Physicial Review Letters”, „Journal of High Energy Physics”, „Physical Review D”). Odnosi Pan naukowe sukcesy, jest doceniany. Z czego w swojej pracy jest Pan najbardziej dumny?
Uważam się za młodego fizyka z aspiracjami. Razem ze współpracownikami napisałem kilka publikacji, które zostały docenione przez środowisko, i z tego jestem naprawdę dumny. Staram się, żeby moje publikacje były coraz lepsze i żeby poruszały kwestie, które uważam w danym momencie za naprawdę ważne i jednocześnie dające się rozwiązać. Moim wielkim marzeniem jest dokonanie przełomowego odkrycia, co zdarza się niezmiernie rzadko i udaje się tylko nielicznym. Niemniej jednak liczę na to, że dzięki wytężonej pracy los się kiedyś do mnie uśmiechnie.
O polskich naukowcach jest ostatnio coraz głośniej. Pan bada plazmę kwarkowo-gluonową, Paweł Mazur czy Marek Abramowicz i Włodzimierz Kluźniak badają czarne dziury, wysuwając ciekawe teorie. Andrzej Udalski, Marcin Kubiak i Michał Szymański z Obserwatorium Warszawskiego to głośne nazwiska w badaniach nad ciemną materią. Kordian Smoliński, Paweł Caban i Jacek Rembliński stworzyli teorię neutrin-tachionów. Czy Polacy mają dziś istotny wpływ na rozwój światowej fizyki teoretycznej? Czy ten wpływ jest większy czy mniejszy niż kilka/kilkanaście lat temu?
Rzeczywiście, znam co najmniej kilku polskich naukowców, którzy zdobyli bardzo mocną pozycję w mojej dziedzinie, tj. fizyce wysokich energii. Mój kolega po fachu, „strunowiec” Piotr Sułkowski, otrzymał niedawno prestiżowy grant europejski ERC i realizuje go w Warszawie. Nie jest więc źle, jednak trudno powiedzieć, żeby w ogólnym rozrachunku polscy fizycy uchodzili za społeczność nadającą trendy reszcie badaczy, jak na przykład naukowcy z USA, Wielkiej Brytanii czy Izraela. Nie jestem odosobniony w myśleniu, że na polskich uczelniach i w instytutach badawczych wiele się musi zmienić, przede wszystkim w mentalności, żeby w ogóle mogły one konkurować z dobrymi ośrodkami zagranicznymi, nie mówiąc już o dogonieniu np. Oxfordu czy Harvardu.
Czy dzisiaj rozgraniczanie polskich i zagranicznych naukowców jest w ogóle zasadne? W końcu nieraz zespoły z różnych krajów pracują razem.
Z wielu przyczyn nie jestem zwolennikiem takiego rozgraniczenia. Jednym z powodów jest właśnie współpraca między naukowcami o różnych narodowościach, którzy często sami pracują poza ojczyzną. Kolejnym jest to, że jednak najlepsze ośrodki są za granicą i żeby się rozwinąć i zaistnieć w środowisku, trzeba się przez nie koniecznie przewinąć.
Kiedyś myślałem o polskich naukowcach pracujących za granicą w kontekście drenażu krajowych mózgów. Teraz, sam przebywając poza granicami kraju, uważam, że jest to zjawisko pozytywne, nawet jeśli nie wszyscy z nich wrócą kiedyś do Polski. Fakt, że Polak jest profesorem dobrej zagranicznej uczelni powinien napawać nas patriotyczną dumą, tak jak nasi kibice piłkarscy są dumni, że Robert Lewandowski reprezentuje barwy takiego renomowanego klubu jak Bayern Monachium, a wcześniej Borussia Dortmund.