PORTAL INFORMACYJNY URZĘDU MARSZAŁKOWSKIEGO WOJEWÓDZTWA KUJAWSKO-POMORSKIEGO W TORUNIU

Rozmowa z prof. Józefem Szudym, fizykiem, emerytowanym pracownikiem naukowym Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, laureatem Nagrody Marszałka Województwa Kujawsko-Pomorskiego 2021

 

Jeśli rzecz ma być o fizyce, to może zacznijmy od słynnego Capry i jego „Tao fizyki”. Czytał pan tę książkę?

 

Tak, przeczytałem. Wzbudziła we mnie mieszane uczucia.  Fritjof Capra zna się dobrze na współczesnej fizyce, zrobił doktorat w Wiedniu w dziedzinie teorii cząstek elementarnych. W tej książce w sposób prawidłowy i bardzo interesujący przedstawił stan tej dziedziny. Z tego punktu widzenia dokonał dobrej popularyzacji wskazując, że właściwości cząstek elementarnych wynikają z symetrii przestrzeni i czasu. Jednak miesza tu język naukowy z metanaukowym i wprowadza różne pojęcia w sposób daleki od ścisłości. Dotyczy to przede wszystkim jego rozważań na temat podobieństwa między opisem przestrzeni i czasu we współczesnej fizyce i koncepcjami mistyków wschodnich.

 

Trzeba zaznaczyć, że po swoim doktoracie Capra praktycznie przestał prowadzić poważne badania naukowe. W każdym razie ja nie znalazłem żadnych danych bibliograficznych na temat jego osiągnięć. Moim zdaniem przestał być fizykiem i stał się ideologiem próbującym łączyć wyniki badań naukowych w zakresie fizyki kwantowej ze wschodnią mistyką.  Doprowadziło go to do tego, że stał się wielkim entuzjastą – istnym guru –  ruchu New Age.  „Tao fizyki” jest tak skonstruowana, aby czytelnik odniósł wrażenie, że współczesna nauka (głównie fizyka) potwierdza idee New Age. Według mojej wiedzy całe światowe  środowisko fizyków sceptycznie odnosi się do tej książki. Szczególnie ostro skrytykował ją wybitny fizyk, odkrywca neutrina mionowego, laureat Nagrody Nobla (rok 1988) Leon Max Lederman w swej książce „Boska cząstka; Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie? („The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?”). 

 

Działalność Fritjofa Capry w okresie po jego doktoracie należy określić jako pseudonaukową.

 

 

Współczesna fizyka cząstek elementarnych, pisząca swoje opowieści w języku wyższej matematyki, to świat zupełnie niezrozumiały dla większości z nas.  Jakie pytania stawiamy sobie próbując uchwycić wykoncypowane teoretyczne bozony, leptony i kwarki?

 

 (…) Cała nasza współczesna wiedza o cząstkach elementarnych, zgromadzona w ciągu ostatnich 125 lat, jest owocem ogromnego wysiłku wielu pokoleń  fizyków eksperymentalnych i teoretycznych, którzy stopniowo tworzyli modele teoretyczne w celu wyjaśnienia obserwowanych zjawisk. Wielkim wydarzeniem było odkrycie elektronu (w roku 1897) przez Thomsona, który zaproponował pierwszy model teoretyczny atomu jako jednorodnej kuli naładowanej dodatnio, wewnątrz której znajdują się ujemnie naładowane elektrony. W 1911 roku Ernest Rutherford wykazał, że model Thomsona nie jest w stanie wytłumaczyć [niektórych] zjawisk (…) i należy go odrzucić. Rutherford zaproponował nowy, w którym przyjął, iż atom zawiera bardzo małe jądro naładowane dodatnio, którego ładunek jest tak duży, że jest w stanie utrzymać wokół siebie nawet kilkadziesiąt elektronów. W najprostszym atomie, jakim jest atom wodoru, tym jądrem jest proton, historycznie druga, po elektronie, [odkryta] cząstka elementarna. W 1913 roku Niels Bohr udoskonalił model Rutherforda wprowadzając postulaty wynikające ze sformułowanej kilka lat wcześniej teorii kwantów Maxa Plancka.  

 

Podaję te fakty z historii fizyki aby uzmysłowić, że modele teoretyczne ciągle się zmieniały. Obecnie przyjęty jest tzw. model standardowy, który stanowi najważniejszą teorię współczesnej fizyki; który (…) „przewidział” istnienie bozonu Higgsa – cząstki, która została  odkryta dopiero w 2012 roku, podczas eksperymentów wykonanych w CERN-ie (ośrodku badawczym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych w rejonie Genewy – red. Wywiadu tygodnia).  Z drugiej strony istnieje szereg czynników, które powodują, że model standardowy nie wystarcza do prawidłowego opisu przyrody. Przede wszystkim wiarygodne oszacowania masy Wszechświata nie zgadzają się z wynikami obserwowanej przez astrofizyków ilości materii we Wszechświecie. Tę „brakująca” materię nazywamy ciemną materią. Tej sprawy model standardowy nie wyjaśnia i dlatego wielu fizyków pracuje obecnie nad zbudowaniem nowych teorii, które mają być rozszerzeniem modelu standardowego. Jedną z nich jest teoria strun. (…) Jej twórcy uważają, że jest to kwantowa teorią grawitacji. Jednak większość fizyków, w tym Roger Penrose, laureat Nagrody Nobla z 2020 roku, traktuje tę teorię sceptycznie, przede wszystkim z powodu braku potwierdzających ją doświadczeń.

 

 

Na czym polegają dziś badania w dziedzinie fizyki?

 

W fizyce cząstek elementarnych przoduje CERN i jego Wielki Zderzacz Hadronów. Celem prowadzonych tam badań jest lepsze poznanie oddziaływań fundamentalnych i badanie struktury cząstek zwanych elementarnymi. (Problem w tym, że jeśli mają strukturę wewnętrzną, to można się zastanawiać, czy rzeczywiście są to cząstki elementarne.)  Według mojej wiedzy, planuje się wykorzystać Wielki Zderzacz Hadronów do poszukiwań hipotetycznych cząstek ciemnej materii, a także prowadzenia dalszych badań nad bozonem Higgsa. Planowane są także próby poszukiwań monopolu magnetycznego (hipotetycznej cząstki posiadającej tylko jeden biegun magnetyczny – red. Wywiadu tygodnia).  

 

W tym miejscu chciałbym jednak zaznaczyć, że chociaż fizyka cząstek elementarnych  w chwili obecnej jest przedmiotem wielkiego zainteresowania opinii publicznej w wielu krajach – między innymi przez to, że pochłania ona ogromne nakłady finansowe na prowadzenie wyrafinowanych eksperymentów – to nie jest to jedyna gałąź nauk fizycznych zasługująca na zainteresowanie. Myślę tu o fizyce atomowo-molekularnej oraz fizyce ciała stałego, głównie fizyce półprzewodników. Te właśnie dziedziny fizyki są przedmiotem badań w Instytucie Fizyki UMK.

 

 

Nad czym pan obecnie pracuje?

 

Od roku 2009 jestem na emeryturze, ale jako „emeritus absolutus”, istny „dinosaurus”, zajmuję się ostatnio historią nauki, przede wszystkim historią fizyki. Brałem udział w projekcie dotyczącym historii Uniwersytetu Stefana Batorego w Wilnie, z którego po II wojnie światowej wyłonił się Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.  Owocem tych prac jest dwutomowa książka „Dzieje Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego Uniwersytetu Stefana Batorego w Wilnie (1919-1939)”, wydana niedawno przez Wydawnictwo Naukowe UMK. Jestem tam autorem rozdziału o historii ośrodka fizyki na USB w Wilnie oraz współautorem (wspólnie z panią dr hab. Anną Supruniuk) rozdziałów o powstaniu i rozwoju tego wydziału oraz historii katedr anatomii porównawczej i biologii ogólnej na USB. Kilka lat temu opublikowałem w czasopiśmie „Analecta – studia i materiały z dziejów nauki” pracę  o związkach Waltera Nernsta, urodzonego w Wąbrzeźnie wybitnego fizyka i chemika, twórcy III zasady termodynamiki (laureata Nagrody Nobla w 1920 roku), z nauką polską. Kilka lat wcześniej (rok 2020) opublikowałem, wraz z nieżyjącym już profesorem Andrzejem Bielskim, książkę „Aleksander Jabłoński (1898-1980) – fizyk, muzyk, żołnierz” (Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2010). Jest to obszerna (686 stron) oparta na badaniach archiwalnych biografia twórcy toruńskiego ośrodka fizyki.

 

Jakie znaczenie ma „czysta nauka”, taka, po której nie spodziewamy się efektów utylitarnych, praktycznych?

 

To jest temat na obszerną rozprawę. Pytanie takie stawiano w przeszłości wielokrotnie. Gdy Michał Faraday w roku 1833 odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, jego laboratorium na uniwersytecie w Cambridge zwiedził ówczesny angielski minister finansów, który zadał Faradayowi pytanie o praktyczne znaczenie tego odkrycia. Faraday odpowiedział, że wykonując swoje badania w ogóle się nad tym nie zastanawiał. Ale, dodał, czuję, że w przyszłości pana następca będzie z tego pobierał podatki. I tak się stało. Dzięki odkryciu Faradaya zbudowano elektrownie prądu zmiennego, wiek XIX stał się wiekiem elektryczności, powstała cała energetyka oparta na prądach elektrycznych, bez której trudno sobie wyobrazić współczesny świat.

           

Inny przykład: w 1917 roku Albert Einstein, prowadząc podstawowe badania w zakresie teorii promieniowania, wprowadził postulat, że oprócz emisji spontanicznej światła istnieje też zjawisko emisji wymuszonej, co w owym czasie nie wzbudziło żadnego zainteresowania, ale 40 lat później doprowadziło do wynalezienia lasera. Lasery kompletnie zrewolucjonizowały naukę, technikę i medycynę, zaś poprzez technologie światłowodowe i komputerowe doprowadziły do powstania współczesnej cywilizacji informatycznej.

 

 

Można się spotkać z tezą, że okres wielkich odkryć ludzkość ma już za sobą.

 

Tezę taką stawiano wielokrotnie już pod koniec XIX wieku. W swoich wspomnieniach Max Planck, twórca teorii kwantów, laureat Nagrody Nobla (rok 1918), opowiadał o tym jak to w czasie, gdy po maturze zastanawiał się nad wyborem kierunku studiów, przyjaciel jego rodziny –  zresztą wybitny fizyk,  profesor uniwersytetu w Monachium Philipp von Jolly – odradzał mu to twierdząc, że fizyka jest dziedziną, w której prawie wszystko już odkryto i do wypełnienia pozostało jedynie kilka luk.

 

Planck odpowiedział, że nie chce odkrywać nowych rzeczy, ale jedynie zrozumieć podstawy tego, co już zostało odkryte i w roku 1874 podjął studia fizyczne na Uniwersytecie Monachijskim. W roku 1900 dokonał rewolucji w fizyce kwestionując podstawową zasadę fizyki klasycznej o ciągłym rozkładzie energii. Zamiast tego wprowadził pojęcie kwantu energii, dając początek fizyce kwantowej. Na teorii kwantów Plancka oparł się Niels Bohr, gdy w 1913 roku wprowadził swój model atomu, stanowiący rozwiniecie modelu Rutherforda.  

     

Inny przykład: pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku uważano, że optyka jest już  nauką wyczerpaną i trudno oczekiwać nowych odkryć. Tymczasem w 1960 roku został skonstruowany pierwszy laser, co wywołało wielki renesans badań w zakresie optyki. Rozpoczęła się era fizyki laserowej, a następnie era optyki kwantowej.

 

Sądzę więc, że nie można wyrokować, iż wielkie odkrycia ludzkość mas już za sobą.

 

 

Toruński Instytut Fizyki UMK i stworzona przez pana toruńska szkoła spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej mają ustaloną pozycję w świecie naukowym.

 

Przesadą jest stwierdzenie, że toruńska szkoła spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej została stworzona przeze mnie. Należałoby raczej powiedzieć, ze szkoła ta stanowi kontynuację wielkiej szkoły naukowej, stworzonej w latach pięćdziesiątych XX wieku przez prof. Aleksandra Jabłońskiego. Ja byłem jego uczniem i wspólnie z moim przyjacielem, nieżyjącym już prof. Andrzejem Bielskim (również uczniem Jabłońskiego) staraliśmy się kontynuować badania w zakresie optyki i spektroskopii, nadając im nowe oblicze wykorzystujące najnowsze osiągnięcia w tych dziedzinach. I tak doszło do powstania zespołu spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej, który w chwili obecnej skupia wybitnie uzdolnionych fizyków młodej generacji, takich jak profesorowie Ryszard Stanisław Trawiński, Roman Ciuryło, Michał Zawada, Daniel Lisak, Piotr Masłowski, Piotr Wcisło, Agata Cygan, Jolanta Domysławska, oraz współpracujących z nimi  młodych badaczy, takich jak Piotr Morzyński, Marcin Bober, Katarzyna Bielska, Szymon Wójtewicz, Hubert Jóźwiak i inni. Zapoczątkowali oni niezwykle dokładne badania struktury atomów i cząsteczek wykorzystując najnowocześniejsze laserowe techniki pomiarowe. Dzięki temu wyniki ich eksperymentów uzyskały międzynarodowe uznanie. (…)

 

Zespół spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej IF UMK (Mateusz Borkowski, Agata Cygan, Jerzy Wolnikowski, Adam Urbanowicz, Józef Szudy, Ryszard S. Trawiński, Jolanta Domysławska, Cyprian Sajna, Katarzyna Bielska, Szymon Wójtewicz, Piotr Masłowski, Daniel Lisak, Andrzej Bielski, Roman Ciuryło (obecnie kierownik zespołu i dyrektor laboratorium FAMO), fot. z arch. prof. Szudego

 

W toruńskim Instytucie Fizyki działa ważne laboratorium FAMO.

 

Na przełomie XX i XXI wieku w środowisku polskich fizyków, specjalistów w dziedzinach fizyki atomowej, molekularnej i optycznej, odbyła się dyskusja nad potrzebą utworzenia w Polsce centralnego laboratorium wyposażonego w nowoczesną aparaturę, która mogłaby zapewnić prowadzenie badań na światowym poziomie. Chodziło o to, że koszt takiej aparatury (są to głównie wysokiej klasy lasery) jest na tyle duży, że poszczególne instytuty naukowe w kraju nie były w stanie dokonać takich zakupów. Tak powstała koncepcja utworzenia Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej i Optycznej (KL FAMO), międzyuczelnianej jednostki badawczej. Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Uniwersytetu Gdańskiego, uniwersytetów w Poznaniu i Opolu oraz Politechniki Poznańskiej i Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk doszli do porozumienia i zdecydowali w roku 2001, że KL FAMO będzie zlokalizowane właśnie w Toruniu. Oficjalne otwarcie nastąpiło 10 maja 2002 roku.

 

Bardzo ważną funkcją KL FAMO jest integracja polskiego środowiska fizyków atomowych, molekularnych i optycznych oraz wzmacnianie jego udziału w europejskiej współpracy naukowej.  Jednym z obszarów badań prowadzonych w tym laboratorium, pod kierunkiem prof. Michała Zawady, jest fizyka ultrazimnych atomów, to znaczy atomów znajdujących w ekstremalnie niskich temperaturach, bardzo blisko zera bezwzględnego (minus 273 stopni Celsjusza). W takich temperaturach – zgodnie z teorią podaną przez Bosego i Einsteina – atomy tracą swe indywidualne własności i wszystkie zachowują się „kolektywnie”, jak jedna duża cząstka, czyli  tzw. kondensat Bosego-Einsteina.

 

Historyczne wydarzenie miało miejsce w Toruniu  2 marca 2007 r., kiedy w KL FAMO  grupa fizyków, kierowana przez prof.  Wojciecha Gawlika z Uniwersytetu Jagiellońskiego, w skład której wchodził zespół prof. Michała Zawady, wytworzyła  kondensat Bosego-Einsteina w układzie atomów rubidu. Wytworzony w Toruniu kondensat jest pierwszym tego typu obiektem kwantowym otrzymanym na terenie Polski. Innym osiągnięciem fizyków pracujących w KL FAMO w Toruniu jest skonstruowanie pierwszego w Polsce układu dwóch optycznych zegarów atomowych. Układ ten, funkcjonujący pod nazwą Polski Optyczny Zegar Atomowy (POZA) został uruchomiony w 2014 roku. Wzorcem atomowym w zegarach POZA są atomy strontu uwięzione w sieci optycznej. O tym jak rewelacyjne jest to urządzenie świadczy to, że teoretyczna stabilność zegara POZA dopuszcza błąd o sekundę na kilkadziesiąt miliardów lat, co jest okresem dłuższym od tego, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu. Precyzyjne pomiary czasu odgrywają istotną rolę w wielu dziedzinach nauki i techniki. Najbardziej wyrafinowane zegary pomagają fizykom testować tak fundamentalne cechy rzeczywistości jak zmienność w czasie stałych fizycznych, służą do niezwykle dokładnego weryfikowania przewidywań ogólnej teorii względności.

 

W roku 2016 zespół, którym kierował prof. Piotr Wcisło, przeprowadził w Instytucie Fizyki UMK pionierski eksperyment, w którym optyczny zegar atomowy został wykorzystany do poszukiwania ciemnej materii. Wyniki tych badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature Astronomy”.

 

20 sierpnia 2021 r.