Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi 25-lecie działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się ?robi? naukę. Co ich fascynuje? Co jest tak ciekawe i ważne w tym, czym się zajmują, że zdecydowali się poświęcić temu większą część życia? Jak osiąga się sukces?
Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze, którzy reprezentują wiele odległych od siebie dziedzin, są na różnych etapach kariery naukowej i mają różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno ? uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV ? różnego typu wsparcie od FNP. Kolejne wywiady będą ukazywać się cyklicznie na stronie FNP.
Zapraszamy do lektury!
Ważne fizyków rozmowy
Z dr. hab. Piotrem Sułkowskim, fizykiem teoretycznym, rozmawiają Patrycja Dołowy i Olaf Szewczyk
PATRYCJA DOŁOWY, OLAF SZEWCZYK: Panie Profesorze, jesteśmy w pokoju Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przy ulicy Pasteura, w czterech ścianach, z podłogą i sufitem. Ale tak naprawdę w ilu wymiarach się znajdujemy?
PIOTR SUŁKOWSKI: Pewne teorie, którymi się zajmuję, przewidują, że tych wymiarów rzeczywiście może być więcej niż cztery. Według teorii strun powinno być ich dziesięć. Warto podkreślić, że liczba ta konsekwentnie wynika z leżących u podstaw tej teorii zasad mechaniki kwantowej (a nie jest wybrana w jakiś arbitralny sposób). W związku z tym, fizycy próbują zrozumieć, dlaczego doświadczamy tylko czterech z tych dziesięciu wymiarów i wyjaśnić, jak to, co w owych sześciu niewidocznych wymiarach się dzieje, przekłada się na to, co dzieje się w pozostałych czterech. Bo jakoś musi.
Teoria strun budzi wiele nadziei jako opisująca świat w sposób najbardziej kompletny, ale mówi się też, że brakuje jej elegancji i prostoty, których oczekiwalibyśmy od fundamentalnych reguł rządzących fizyką.
Sama teoria strun jest prosta, a jej podstawy bardzo eleganckie. Skomplikowane są natomiast niektóre jej zagadnienia, chociażby te związane z sześcioma wymiarami, których nie możemy dostrzec i doświadczać. Faktem jest, że od pewnego czasu brakuje nam danych doświadczalnych, na których moglibyśmy się oprzeć, by rozwijać fenomenologiczne aspekty tej teorii. Między innymi z powodu różnicy między skalami, które jesteśmy w stanie badać w eksperymentach, a tymi które miałyby odpowiadać długościom elementarnych strun, wbrew początkowym nadziejom, nie udaje się wyprowadzić z założeń teorii strun Modelu Standardowego cząstek elementarnych, znanego już od lat kilkudziesięciu, a potwierdzonego niedawnym odkryciem bozonu Higgsa. Warto natomiast podkreślić, że badania w obszarze teorii strun doprowadziły do istotnych odkryć w ramach blisko z nią związanej kwantowej teorii pola, która w pewnym sensie stanowi uniwersalny język fizyki współczesnej i jest podstawą wielu innych dziedzin fizyki, np. fizyki cząstek elementarnych, fizyki jądrowej, fizyki materii skondensowanej czy fizyki statystycznej.
Model Standardowy, czyli jedna z najważniejszych teorii współczesnej fizyki. Opisuje fizykę cząstek elementarnych – podstawowych składników materii. W jaki sposób teoria strun, którą Pan się zajmuje, jest z nią powiązana?
Nie ma ścisłej granicy ? przynajmniej jeśli chodzi o rozwój idei i koncepcji teoretycznych ? między teorią strun a teorią cząstek elementarnych, a także wieloma innymi kierunkami fizyki współczesnej. Jak wspomniałem, teoria strun jest ściśle związana z kwantową teorią pola. Ignorowanie tego związku byłoby sztuczne i naukowo nieuzasadnione. Wybitni fizycy zajmujący się teorią strun dokonywali i dokonują ważnych odkryć w innych dziedzinach: fizyce cząstek elementarnych, grawitacji, fizyce materii skondensowanej. Są otwarci na różne kierunki badań i interesują się wszystkim tym, co jest ważne i ciekawe.
Na zdjęciu prof. dr. hab. Piotr Sułkowski, fot. One HD
Niektórzy twierdzą, że w fizyce teoretycznej od ostatniego ćwierćwiecza właściwie niewiele się nowego wydarzyło. Najgłośniejsze odkrycie ostatnich lat ? bozonu Higgsa ? było tylko potwierdzeniem teorii stworzonej pięćdziesiąt lat temu. To bezprecedensowa sytuacja w ponad dwustuletniej historii nowożytnej nauki.
Nie nazywałbym obecnego tempa rozwoju fizyki bezprecedensowym. W chwili obecnej, niezależnie od fizyki cząstek elementarnych, w wielu innych działach fizyki dokonywane są przełomowe odkrycia. Fizyka cząstek elementarnych, jak sama nazwa wskazuje, zajmuje się najmniejszymi składnikami materii i zasadniczo tym, co dzieje się na bardzo małych skalach odległości. Równie ciekawe i nie mniej fundamentalne pytania dotyczą tego, co dzieje się na bardzo dużych odległościach, w procesach zachodzących w skalach kosmicznych. W tym kontekście niezwykle ważne jest np. odkrycie w ostatnim roku fal grawitacyjnych. Jako jeden z pierwszych ich własności badał już w latach 50. XX w. profesor Andrzej Trautman z naszego wydziału, a ich obecna detekcja bez wątpienia jest początkiem nowej dziedziny i otwiera drogę do zupełnie nowych sposobów badania Wszechświata. W ostatnich latach niesłychane jest także tempo odkrywania planet pozasłonecznych i związany z nim rozwój badań dotyczących możliwości istnienia na nich życia, w ramach którego powstała już nowa dziedzina, określana jako astrobiologia. Fascynujące jest też to, w jaki sposób materia organizuje się w skalach pośrednich ? badaniami takich zjawisk zajmują się m.in. fizyka materii skondensowanej, fizyka atomowa i jądrowa, optyka kwantowa, biofizyka. Te dziedziny obecnie bardzo szybko się rozwijają i można powiedzieć, że to przede wszystkim badania prowadzone w ich ramach przekładają się na niezwykle dynamiczny postęp w technologii, telekomunikacji czy medycynie. Być może to właśnie wspomniane wyżej nowe kierunki badań dadzą nowy impuls fizyce cząstek elementarnych. Takie nadzieje wiąże się szczególnie z inną młodą dziedziną, zwaną astrofizyką cząstek, która próbuje wyjaśniać związki między własnościami podstawowych budulców materii a tym, co obserwujemy, patrząc w niebo. Natomiast rzeczywiście nie odkrywamy dziś tylu nowych cząstek co kilkadziesiąt lat temu.
Dlaczego tak się dzieje?
Doszliśmy do skal energii, przy których nowe cząstki nie pojawiają się w eksperymentach ? i jak widać, taki po prostu jest nasz Wszechświat. Naszym zadaniem jest zatem badanie go takim, jaki jest, a nie takim, jaki chcielibyśmy aby był. Są oczywiście różne hipotezy, że nowe cząstki powinny się pojawiać przy jeszcze większych energiach, ale na razie nie mamy do nich dostępu. Nasza aparatura ? w szczególności akcelerator Wielki Zderzacz Hadronów w CERN-ie, dzięki któremu znaleźliśmy bozon Higgsa ? osiągnęła takie parametry i rozmiary, że bardzo ciężko przesunąć granicę jeszcze dalej. Natomiast na pewno badania cząstek elementarnych i przeznaczane na nie środki były i są tego warte. Trudno przecenić ich wpływ na rozwój współczesnej cywilizacji. Warto podkreślić i przypomnieć wszystkim sceptykom, że środki przeznaczone na budowę i utrzymanie akceleratorów badawczych, to tylko drobny ułamek środków, jakie są przeznaczane na budowę i działanie akceleratorów przeznaczonych do celów medycznych (m.in. leczenia nowotworów) i przemysłowych. Poza tym to właśnie konieczność analizy ogromnej ilości danych w CERN doprowadziła do powstania Internetu. To tylko potwierdza, jak trudno przewidzieć wpływ, jaki badania fundamentalne mogą mieć na rozwój nauki, a nawet życie codzienne.
Gdyby miał Pan opowiedzieć konkretnie o swoich badaniach, o tych na które otrzymał Pan prestiżowy pięcioletni grant ERC (European Research Council), od czego by Pan zaczął?
Zajmuję się fizyką teoretyczną i matematyczną ? między innymi właśnie teorią strun i wspomnianą wcześniej kwantową teorią pola ? oraz ich związkami z matematyką,. W ostatnich paru latach prowadzę w szczególności badania dotyczące związków fizyki z matematyczną teorią węzłów. Matematycy próbują sklasyfikować i w jakiś sposób opisać wszystkie węzły ? czyli konfiguracje, które można zawiązać na zwykłym sznurku. Choć może się to wydawać przyziemnym zagadnieniem, teoria węzłów jest bardzo ważnych działem matematyki, a problem klasyfikacji węzłów jest niezwykle trudny i ściśle związany z wieloma innymi dziedzinami matematyki. Okazuje się też, że formalizm fizyki współczesnej dostarcza niezwykle skutecznych narzędzi i inspiracji dotyczących problematyki teorii węzłów. Używając metod fizyki teoretycznej staramy się odpowiedzieć na pytania, które stawiają sobie matematycy: jak węzły od siebie odróżnić i dokonać ich klasyfikacji, np. szukamy tak zwanych niezmienników węzłów, czyli prostych obiektów (jak liczby czy funkcje), które dany węzeł charakteryzują i odróżniają od innych. Między innymi tym zagadnieniom poświęcony jest projekt finansowany z grantu ERC, który realizuję.
Co wynika z tych rozważań? Na czym na przykład polega problem klasyfikacji węzłów?
Główne pytanie, które stawiają matematycy, może się wydawać proste: jak stwierdzić, które węzły są sobie równoważne, to znaczy, jakie węzły można nałożyć jeden na drugi bez rozcinania ich. Okazuje się to jednak bardzo trudnym pytaniem, na które wszakże warto odpowiedzieć, gdyż jest ono kluczowe w bardzo wielu dziedzinach, w których pojawiają się węzły, a nawet w życiu codziennym. Człowiek, który musi rozplątać supeł na sznurówce albo marynarz, który musi zawiązać linę, w praktyce też rozwiązują problem związany z teorią węzłów. Jedyna różnica w porównaniu z matematyczną teorią węzłów jest taka, że w jej ramach rozważa się węzły na krzywych zamkniętych ? czyli takich, które mają złączone końce. Jeśli weźmiemy prosty odcinek sznurka, złączymy końce, to powstanie zwykła pętla, czyli tzw. trywialny węzeł. Gdybyśmy najpierw na tym sznurku zawiązali węzełek, nawet najprostszy, i dopiero potem połączyli końce, to otrzymamy konfigurację bardziej skomplikowaną, której nie da się nałożyć na węzeł trywialny (czyli niezawęźloną pętlę) w sposób ciągły ? aby to zrobić trzeba by najpierw ten sznurek przeciąć i rozplątać. Jak się spojrzy na dwa rysunki bardziej skomplikowanych węzłów, czy na dwa węzły w ogóle, i zada pytanie, czy da się jeden przekształcić w drugi w ciągły sposób, bez żadnego rozcinania i ponownego sklejania, to się okaże, że to jest bardzo skomplikowane pytanie, na które matematycy szukają odpowiedzi…
Pewnie od bardzo dawna?
Już ponad 25 lat temu, w 1990 roku, za tego typu rozważania został przyznany Medal Fieldsa, czyli wyróżnienie uznawane za matematyczny odpowiednik nagrody Nobla. Mniej więcej w tym samym czasie fizycy zorientowali się, że pewne wyniki otrzymane w ramach kwantowej teorii pola odtwarzają i znacznie uogólniają znane przez matematyków niezmienniki węzłów. W teoriach fizycznych oblicza się prawdopodobieństwa pewnych procesów ? i owe matematyczne niezmienniki węzłów, z fizycznego punktu widzenia, okazały się odpowiadać prawdopodobieństwu poruszania się cząstek (opisywanych przez pewne szczególne teorie) po zawęźlonych trajektoriach. Taka fizyczna interpretacja pozwoliła uzyskać wiele konkretnych wyników, które matematycy zaczęli analizować. Moje badania dotyczą właśnie tego typu zagadnień. Być może brzmi to abstrakcyjnie, lecz jak już wspomniałem, węzły i ich niezmienniki odgrywają rolę w wielu innych dziedzinach. ? stąd potrzeba, żeby węzły móc rozróżniać i charakteryzować.
Komu może się to przydać?
Ostatnio w szczególności biofizykom, którzy zajmują się też węzłami tworzącymi się w DNA oraz w białkach. Tematyką taką zajmuje się m.in. moja żona Joanna Sułkowska, a także ja sam (choć nie jest to główna tematyka moich badań) ? jak widać, węzły mogą łączyć i wiązać ludzi na różne sposoby (śmiech). Kiedyś uważano, że węzły w białkach nie mogą się tworzyć ? natomiast w ostatnich latach znaleziono ich bardzo dużo. Białka są to długie łańcuchy przypominające trochę łańcuchy choinkowe, złożone z od kilkudziesięciu do kilkuset aminokwasów. Przyjmują one w przestrzeni pewną trójwymiarową formę, od której kształtu uzależnione jest ich działanie w organizmie. Można zatem zadać pytania: czy taki kształt białka może tworzyć węzeł, czy w białkach mogą tworzyć się różne rodzaje węzłów, do czego to może służyć, czy i jak istnienie węzłów wiąże się z funkcją białka. W innych dziedzinach bada się różne własności węzłów, które także modeluje się komputerowo, np. ich wytrzymałość na rozciąganie. W tych wszystkich zagadnieniach zastosowanie matematycznych niezmienników węzłów okazuje się niezbędne. Można mieć zatem nadzieję, że wyniki naszych badań także okażą się kiedyś istotne, nawet w odległych, wydawałoby się, dziedzinach.
Na zdjęciu prof. dr. hab. Piotr Sułkowski, fot. One HD
A jak tak konkretnie, od kuchni, wygląda Pana praca? Bo fizyk doświadczalny, to wiadomo, siedzi w laboratorium, coś tam ustawia, coś dłubie, obserwuje, notuje. A Pan liczy, tak?
Prowadzę badania teoretyczne, które polegają głównie na liczeniu, czy też udowadnianiu pewnych zależności lub twierdzeń. Pracuję z długopisem i kartką, a także komputerem, np. wykonując pewne obliczenia symboliczne. Kieruję grupą badawczą złożoną z kilkunastu osób, z których dziesięć pracuje na Wydziale Fizyki UW, a pozostali w różnych ośrodkach za granicą. W fizyce jest wiele istotnych problemów i pytań, na które byłoby dobrze odpowiedzieć, ale często nie wiadomo, jak się za nie zabrać. W związku z tym próbuje się konstruować prostsze modele czy teorie, które może nie odpowiedzą na najistotniejsze pytanie, ale przybliżą nas do niego, pozwolą na jakimś prostszym przykładzie zrozumieć, co jest istotą danego zagadnienia. Zazwyczaj warto coś zrozumieć najpierw na prostszym przykładzie. Na przykład pewne teorie fizyczne opisują nasz świat, który jest czterowymiarowy (uwzględniając czas jako jeden z wymiarów). Często są one trudne do rozwiązania, w związku z tym rozważa się łatwiejsze do analizy modele w mniejszej ilości wymiarów, np. dwóch lub trzech, które mogą pozwolić na zrozumienie istotny pewnych zjawisk.
A jak się ma klasyczny system grantowy do takiej specyfiki badań?
Oczywiście prowadzonych jest wiele dyskusji, jak system grantowy powinien funkcjonować. Systemy finansowania nauki są różne w różnych krajach i pewnie żaden nie jest idealny ? problem jest skomplikowany. Ten istniejący w Polsce ma i wady, i zalety. Jedną z wad jest tymczasowość. Zazwyczaj fundusze przyznawane są na dwa, trzy lata, co bywa trudne np. dla fizyków doświadczalnych. W ramach grantu kupują oni drogą aparaturę, a kiedy mija okres dofinansowania, pojawia się pytanie, jak zapewnić jej efektywne wykorzystanie. Jest pewna presja związana z tym, że naukowcy są regularnie, nader często, rozliczani z efektów swojej pracy. Nacisk bywa kładziony na to, by szybko otrzymywać i przedstawiać nowe wyniki. W rzeczywistości istotne odkrycia rzadko są dokonywane w ramach jakichś narzuconych ram czasowych; często ich dokonanie zajmuje sporo czasu, zależy od przypadku lub szczęścia. Z jednej strony najlepiej byłoby pozostawić naukowców samych sobie; jeśli tylko mają talent oraz motywację, na pewno z czasem do czegoś ważnego dojdą ? niekoniecznie każda jednostka z osobna, ale jako społeczność prowadząca dyskusje i dzieląca się wiedzą ? bez względu na liczbę napisanych w międzyczasie publikacji i zebranych cytowań. Jednak oczywiście, przy coraz bardziej masowym charakterze prowadzonych badań naukowych, zrozumiała jest potrzeba jakiejś weryfikacji, a badania są inwestycją, którą trzeba jakoś rozliczać. Dobry system grantowy na pewno powinien w sposób systemowy promować doskonałość naukową: należy organizować otwarte konkursy z przejrzystymi i merytorycznymi kryteriami, doceniać prowadzenie ryzykownych badań, które mogą prowadzić do przełomowych odkryć, ale mogą też okazać się ślepą uliczką
Jakiego rodzaju wsparcie w Pana dziedzinie jest najistotniejsze i jest najlepszą inwestycją?
Najważniejsze jest znalezienie ważnego tematu. Wiele pomysłów przychodzi do głowy podczas naukowych spotkań z innymi ludźmi ? wymiana myśli w mojej dziedzinie jest bardzo ważna. Gdy naukowcy ze sobą rozmawiają, często okazuje się, że jedna osoba wie jedną rzecz, druga inną, i z takiego spotkania wynika coś nowego, istotnego. Granty umożliwiają taką właśnie wymianę myśli ? w mojej dziedzinie w dużej mierze służą one finansowaniu podróży, konferencji i spotkań ze współpracownikami. Właśnie wspieraniu kontaktu między naukowcami i rozwijaniu współpracy służą m.in. różne programy Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, z których miałem przyjemność korzystać, były to programy: START, HOMING Plus, oraz INTER, łączący badania interdyscyplinarne z popularyzacją nauki.
No właśnie. Ale jak się popularyzuje matematykę? Albo fizykę teoretyczną? To musi być bardzo trudne!
Prowadzę inicjatywę ?Zapytaj fizyka? (http://zapytajfizyka.fuw.edu.pl/), którą dzięki grantowi z jeszcze innego programu Fundacji: eNgage, udało mi się rozszerzyć o wykłady popularyzujące fizykę, wygłaszane przez wybitnych naukowców na naszym wydziale. Dotychczas wykłady te wygłosili między innymi profesorowie: Andrzej Kajetan Wróblewski, Michał Heller, Aleksander Wolszczan, Magdalena Fikus. W grudniu (2016 r.) wykład w ramach ?Zapytaj fizyka? wygłosi prof. Roger Penrose ? już dziś serdecznie zapraszamy do jego wysłuchania! Wykłady takie trwają ok. godziny, a po ich zakończeniu można wykładowcy zadawać pytania, których zawsze jest bardzo dużo. Okazało się, że bardzo wiele osób jest zainteresowanych tymi wykładami ? przychodzą na nie ludzie w różnym wieku: uczniowie, studenci, seniorzy, rodzice z dzieci. To wielkie i bardzo miłe zaskoczenie. Czasami słuchaczy jest tak dużo, że część z nich musi zmieścić się w drugiej auli, oglądając transmisję z kamery. Myślę, że taką działalność warto byłoby rozwijać na wielu uczelniach, także w mniejszych miastach. Jeśli tylko będzie ona odpowiednio nagłośniona i promowana, na pewno znajdzie się wielu słuchaczy. Ludzie mają w sobie ogromnie dużo ciekawości i jak widać, potrzebują kontaktu z nauką. Dlatego też bardzo cenne są także różne inne inicjatywy popularnonaukowe, np. festiwale nauki. Myślę, że to niezwykle ważne, że zapraszamy ludzi tu do nas na wydziały, na uczelnie. Dzięki temu oni czują się potraktowani z szacunkiem i mogą mieć realny kontakt z tym, co zwykle dzieje się za zamkniętymi drzwiami pracowni i laboratoriów.
Pan sam też opowiada o nauce ludziom, którzy nie są naukowcami.
Tak. Biorę udział w spotkaniach z ludźmi zainteresowanymi fizyką, w audycjach radiowych, piszę teksty, odpowiadam na portalu ?Zapytaj fizyka? na pytania nadsyłane przez internautów.
O co ludzie pytają?
Pytań otrzymujemy bardzo dużo, nieraz są one bardzo zaskakujące. Dotyczą najnowszych odkryć, o których informują media, tematów tak tajemniczych jak teoria względności i mechanika kwantowa, zagadnień matematycznych i filozoficznych, a także życia codziennego ? działania telefonu i samochodu, zjawisk przyrodniczych. Na te pytania odpowiada koordynowany przeze mnie zespół specjalistów z różnych obszarów fizyki.
A co Pana zdaniem tak fascynuje ludzi w matematyce czy fizyce?
Fascynacja fizyką to nic innego jak fascynacja otaczającym nas światem. Matematyka okazuje się niezbędna do ścisłego opisu tego świata. Jeśli tylko zaspokoimy podstawowe potrzeby ? wyśpimy się i najemy ? to zaczynamy się zastanawiać nad tym, co dzieje się wokół nas.
W naszych postoświeceniowych czasach naukowcy w pewnym sensie pełnią dawną funkcję kapłanów czy szamanów objaśniających świat...
Nie postrzegam siebie w ten sposób i nie nazywałbym naukowców kapłanami; natomiast prawdą jest, że nasza cywilizacja ma charakter techniczny. Trudno powiedzieć, co by się z tą cywilizacją stało, gdyby nagle naukowcy zniknęli, a wraz z nimi cała zgromadzona i przekazywana kolejnym ich pokoleniom wiedza. Rzeczywiście, można powiedzieć, że naukowcy utrzymują mechanizmy postępu cywilizacyjnego w ruchu.
DR HAB. PIOTR SUŁKOWSKI pracuje na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, kieruje grupą badawczą realizującą projekt badawczy finansowany z grantu ERC ?Quantum Fields and Knot Homologies?. Jest laureatem programów FNP: START (2009), HOMING Plus (2011), INTER (2012), eNgage (2014) oraz jest beneficjentem programu: Idee dla Polski (2013).
Przeczytaj także: