Redakcja: Jak nagrodzeni w 2012 r. fizycy opracowali swoje przełomowe metody badawcze?

Dr Mariusz Semczuk: Wydaje mi się, że z punktu widzenia wielu osób, jak i np. w popkulturze istnieje takie wyobrażenie, że naukowiec siedzi w wannie, a potem wyskakuje z niej krzycząc EUREKA, po czym odkrywa nowe prawo natury albo coś równie wielkiego. Być może coś takiego się zdarza, ale jeżeli mam być szczery, to nie kojarzę żadnej takiej sytuacji, a spotkałem w swoim życiu wielu wybitnych naukowców. Z reguły są to raczej małe „eureki”. Ktoś zauważy jakiś jeden drobny szczegół, połączy go z drugim szczegółem albo pracą innego człowieka i w ten sposób nadbudowuje kolejną warstwę wiedzy. Są naukowcy, jak na przykład laureaci Nagrody Nobla z 2012 r. Haroche i Wineland, którzy poprzez nadbudowę doprowadzili do powstania potężnej konstrukcji. Wiele osób dokłada do czegoś „klocki” w ramach swoich własnych karier naukowych, ale oni akurat zbudowali rzecz, na jakiej wszyscy starają się wzorować. Wielu ludzi stawia domy, ale tylko niektórzy tworzą wille, które przetrwają wieki i 100-200 lat później zwykły człowiek nadal będzie się taką budowlą zachwycał.

Nie powiedziałbym, więc żeby była to jakaś jedna konkretna rzecz, a raczej praca rozciągnięta na wiele lat i dziesiątki zaangażowanych w nią ludzi. Udział mieli także zwykli doktoranci czy magistranci, którzy pracując nad swoimi tematami realizowali drobne elementy eksperymentów. Właśnie w ten sposób badania Haroche’a i Winelanda posunęły się do przodu, no i w efekcie każde z nich rozwinęło nasze zrozumienie tego, jak możemy manipulować materią przy użyciu fotonów lub światłem przy użyciu materii.

Czemu osiągnięcia Haroche’a i Winelanda były tak istotne?

Kiedy zajmowałem się pracą magisterską, na ścianie laboratorium, w którym pracowałem widniała sentencja wygłoszona w 1952 r. przez Erwina Schrödingera, jednego z twórców mechaniki kwantowej. Stwierdził on, iż szansa na to, że w laboratorium będziemy w stanie kiedykolwiek przeprowadzić eksperymenty z pojedynczymi cząstkami, pojedynczym atomem, jonem albo fotonem, jest równie duża jak to, że uda nam się wyhodować ichtiozaura w zoo. Mówiąc inaczej, według jednego z najwybitniejszych wówczas żyjących fizyków, praca z pojedynczymi cząstkami była niemożliwa. Z setkami, milionami cząstek może tak, ale nie z pojedynczymi. Serge Haroche David Winelad okazali się zaś pionierami, którzy umożliwili pracę z pojedynczymi atomami i fotonami. To był właśnie przełom, dzięki któremu udało się w celu zrozumienia przyrody wyizolować pojedynczy atom i zbadać, co dokładnie na poziomie tych pojedynczych atomów się dzieje.

Można to wszystko porównać do tego, jak zachowuje się tłum. Gdybyśmy chcieli dowiedzieć się czegoś o psychologii tłumu, to na pewno warto byłoby też zdobyć wiedzę na temat psychologii pojedynczego człowieka. Jeśli wiemy chociażby, że istnieje jakiś czynnik, który przeraża jedną osobę i na jego działanie narazimy cały tłum, jest szansa, że ten tłum także się przerazi. Może to też działać w drugą stronę. Coś, co wpływa na pojedynczego człowieka, dla tłumu już nie będzie miało znaczenia. Człowiek np. nie byłby w stanie wyrządzić krzywdy komuś innemu jako jednostka, ale kiedy znajdzie się w tłumie opory z tym związane znikną.

Fizyka, której pionierami są Serge Haroche i David Wineland, to właśnie fizyka tych pojedynczych atomów i fotonów, której pojmowanie umożliwia nam teraz zrozumienie tego, co i jak trzeba robić, aby manipulować zbiorowiskami atomów. Jak się okazało, nie jest to tak trywialne. Przez bardzo długi czas byliśmy w stanie pracować z dużą liczbą cząstek, takich jak np. kawałek metalu albo kawałek drewna. Znane było powiedzenie, „dajcie mi punkt podparcia, a poruszę ziemię”. Wszyscy myśleli w kategoriach dużych obiektów i wydawało nam się, że tymi obiektami potrafimy manipulować, czyli jesteśmy np. w stanie podnieść coś używając dźwigni dwustronnej. Co jednak należy zrobić, żeby zobaczyć jak zachowuje się jeden atom, kiedy poświecimy na niego światłem? Jak zachowują się dwa atomy albo trzy? W którym momencie jakaś konkretna liczba atomów staje się od siebie nierozróżnialna i możemy powiedzieć, że to nie są trzy atomy, a wiele atomów? Takie lingwistyczne rozróżnienie między „kilka” a „wiele”, jak się okazuje, ma w fizyce znaczenie. Z punktu widzenia matematycznego jesteśmy w stanie opisać zachowanie jednej, dwóch, czasem trzech cząstek. Możemy też opisać zachowanie milionów cząstek, ale nie do końca wiemy, jak opisać np. zachowanie pięciu cząstek.

Okazuje się, że niektóre rzeczy są dla nas zbyt trudne, chociaż na pierwszy rzut oka wydawałyby się proste. Praca z materią i ze światłem na poziomie pojedynczych cząstek, pokazanie jak to robić, rozwinięcie technik eksperymentalnych, inspiracja wielu ludzi do rozwijania teoretycznych i próba zrozumienia, jak materia na poziomie pojedynczych jej cząstek działa, to były właśnie najbardziej istotne kwestie, jeśli chodzi o osiągnięcia Haroche’a i Winelanda.    

Oglądaj całość