Nie potrafimy jeszcze opisać piątej siły, ale mamy bardzo mocne podstawy, żeby podejrzewać jej istnienie ? mówi prof. Krzysztof Pachucki, laureat Nagrody FNP w obszarze nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich w rozmowie z red. Karoliną Duszczyk (?Nauka w Polsce? PAP).

KAROLINA DUSZCZYK: Fascynacja obliczeniami pojawiła się sama, czy może z inspiracji jakiegoś mistrza?

KRZYSZTOF PACHUCKI: Matematyka interesowała mnie już kiedy miałem pięć lat. Uczyłem się jej sam, zachęcany przez moją mamę. Nie miałem wtedy pojęcia, że istnieje coś takiego jak fizyka. Zacząłem ją poznawać w szkole podstawowej. Wcześnie zrozumiałem, że fizyka teoretyczna niewiele różni się od matematyki. Używamy tych samych narzędzi, podobnego języka. Mimo że jestem z Trójmiasta, postanowiłem studiować na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Chciałem mieć najlepsze wykształcenie. Od piątego roku studiów moim mentorem stał się prof. Iwo Białynicki-Birula, który pracował w Zakładzie Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk (obecnie: Centrum Fizyki Teoretycznej PAN). Niestety, po obronie pracy magisterskiej nie mogłem iść na studia doktoranckie, ponieważ miałem dwie poprawki ? z języka rosyjskiego i z ?wojska?.

A jednak wojsko nie pokonało naukowej pasji?

Początki mojej kariery były nietypowe. Zatrudniłem się na Wydziale Farmacji Akademii Medycznej, gdzie uczyłem studentów matematyki i fizyki. Potem właśnie ?wzięło mnie? wojsko, urodziły mi się dzieci. Podczas służby wojskowej skontaktowałem się z prof. Białynickim-Birulą. I zdałem egzamin na studia doktoranckie, odbywając roczną służbę wojskową w Kostrzyniu nad Odrą. Tak znalazłem się na swoim miejscu, w CFT PAN. Przez pierwsze dwa lata nie robiłem nic poza uczeniem się. Dopiero na trzecim roku znalazłem ciekawy problem naukowy i go rozwiązałem. Tak w ciągu roku zrobiłem cały doktorat.

Co było tak ciekawe?

Zająłem się problemem samo-oddziaływania elektronu w atomie wodoru. Powoduje ono, że poziomy energetyczne atomu wodoru podlegają drobnym przesunięciom. Nazywa się to przesunięciem Lamba. Zainspirowało nas ono do stworzenia takiej pięknej teorii zwanej elektrodynamiką kwantową. Ja, poprzez moje obliczenia, weryfikowałem, na ile ta teoria jest dokładna. W tym samym czasie w Garching niedaleko Monachium doktorant Theodora Hänscha, późniejszego noblisty, dokładnie mierzył to zjawisko. Skończyliśmy pracę niemal równocześnie i mogliśmy porównać jej efekty. Wyniki bardzo ładnie nam się zgodziły. Sprawdziliśmy, że teoria – elektrodynamika kwantowa – bardzo dokładnie opisuje atom wodoru, czyli przesunięcia energii pod wpływem samooddziaływania. Moja praca doktorska pozwoliła mi znaleźć drogę, po której szedłem we wszystkich następnych pracach. Rozwijałem obliczenia dotyczące prostych układów atomowych.

Czy takie obliczenia to praca samotna, czy potrzebny jest do niej zespół naukowy? Jak doszło do współpracy z Theodorem Hänschem?

Na początku prowadziłem badania w samotności. Bardzo ceniłem współpracę naukową z prof. Białynickim-Birulą. Miał bardzo szeroką wiedzę i dzielił się nią ze mną, kiedy tego potrzebowałem. Uczyłem się w samotności, więc pojawiały się pytania. A on potrafił na każde z nich odpowiedzieć.

Po doktoracie wyjechałem do Instytutu Maxa Plancka w Garching. To właśnie tam dokonano pomiarów w atomie wodoru, a ja wykonałem dla nich obliczenia. Przez trzy lata pracowałem jako jedyny teoretyk w grupie doświadczalnej. Choć wtedy jeszcze nie mówiło się o Nagrodzie Nobla dla Hänscha, był to najlepszy ośrodek w Europie. Wyniki, które tam otrzymywano, były dla mnie niezwykle inspirujące. Bardzo ciężko wtedy pracowałem. Udało mi się wykonać kilka bardzo mocnych obliczeń, a oni weryfikowali je pomiarami. Po moim powrocie do Polski współpraca trwała. Kilka lat później Theodor Hänsch stworzył urządzenie, grzebień optyczny, które pozwala w bardzo dokładny i wygodny sposób mierzyć częstotliwości światła w dowolnym zakresie. Otrzymał za to Nagrodę Nobla. To w ogóle była bardzo mocna grupa. Kilku kolegów, z którymi pracowałem, zostało profesorami w najlepszych uczelniach w Niemczech i Szwajcarii. Współpraca z Hanschem była inspirująca. Niczego nie narzucał. Pozwalał członkom swojego zespołu samodzielnie ?płynąć?. Niektórzy się topili, ale jeśli ktoś sobie radził ? miał stworzone najlepsze możliwości. Ja miałem do dyspozycji nieograniczone środki, choć nie musiałem ich wykorzystywać, bo nie były mi potrzebne. Ale warunki do pracy były idealne. To dotyczyło wszystkich. Albo ktoś potrafił rozwijać się naukowo, albo zostawał inżynierem i pracował dla przemysłu.

A jakim Pan jest nauczycielem, szefem grupy badawczej?

Jestem podobny do mojego mentora, zostawiam ludziom wolną rękę. Jeśli przyjdą do mnie, zapytają ? odpowiem. Ale nie narzucam się z pomocą. Niektórym to odpowiada, innym nie, bo również pozwalam się im ?zatapiać?. Miałem doktorantów, którzy musieli zmienić temat, bo nie radzili sobie najlepiej z samodzielnością i swobodą w pracy. Ja nie jestem opiekunem naukowym, który stoi nad człowiekiem i go pilnuje. Miałem niewielu magistrantów i doktorantów, ale prawie każdy z nich zrobił karierę naukową. Ulrich Jentschura jest profesorem w Stanach Zjednoczonych. Grzegorz Łach pracuje u mnie na wydziale, Mariusz Puchalski jest profesorem na wydziale Chemii UAM. Jacek Zatorski przez wiele lat pracował naukowo w Heidelbergu w Niemczech. Obecnie mam czworo doktorantów i kilku bliskich współpracowników, którzy byli u mnie wcześniej na stażu podoktorskim.

Nad czym obecnie pracujecie? Czy precyzyjne wyliczenia stałych fizycznych mają praktyczne zastosowanie?

Chcemy zbadać, jak dokładne są prawa natury, które znamy. Weryfikujemy prawa fizyki poprzez porównanie bardzo precyzyjnych obliczeń z eksperymentami. Jeśli się nie zgadzają, jest to dla nas sygnał, że być może o czymś nie wiemy. Bardzo możliwe, że istnieją jakieś inne, nieznane jeszcze siły.  Bardzo chcielibyśmy je poznać. Najczęściej okazuje się, że to wyniki eksperymentu są błędne. Ale jeśli przy ponownym sprawdzeniu wciąż pojawia się różnica,  jest to podstawa do odkrycia nowych praw fizyki, nowych sił.

Czym może być tajemnicza ?piąta siła??

Wiemy, że istnieją siły elektromagnetyczne i oddziaływanie grawitacyjne. Poza tym są jeszcze tzw. oddziaływania silne, które utrzymują nukleony w jądrze. Czwarta siła to oddziaływania słabe. Łamią one symetrię parzystości, czyli powodują że fizyka jest inna przed lustrem, a inna za lustrem. Okazuje się na przykład, że molekuły prawo i lewoskrętne mogą mieć różne energie wibracji. To są niewielkie różnice, ale tak jest. Znamy więc cztery siły. Ale co, jeśli istnieją inne? Właśnie po to, żeby je odkryć, mierzymy przejścia w atomie wodoru oraz innych atomach i porównujemy je z obliczeniami. Przez dłuższy moment sądziliśmy, że udało się znaleźć dowód na istnienie piątej siły. Wiele dyskusji wywołał pomiar promienia protonu z przesunięcia Lamba w wodorze mionowym, gdzie elektron został zastąpiony mionem. Nie zgadzał się on z analogicznym pomiarem wykonanym na ?zwykłym? atomie wodoru i nikt nie potrafił tego rozsądnie wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Pomiary na atomie wodoru przeprowadzone niedawno, ale inną metodą niż poprzednio, wskazują na potrzebę weryfikacji wcześniejszych eksperymentów wodorowych.

Jaki sens ma szukanie czegoś, o czym nawet nie wiadomo, że istnieje?

Nie potrafimy jeszcze opisać piątej siły, ale mamy bardzo mocne podstawy, żeby podejrzewać jej istnienie. Na podstawie badań oddziaływań grawitacyjnych wiemy, że istnieje ciemna materia. Co więcej, jest jej znacznie więcej niż materii widzialnej. Nikt nie wie, co to jest, wszyscy jej szukają, ale żeby można było ją zaobserwować, musi ona oddziaływać z widzialną materią. Takie oddziaływanie może być właśnie tą nieznaną nam jeszcze piątą siłą. Szukamy jakichkolwiek objawów tej siły na poziomie stołu laboratoryjnego, poprzez porównywanie bardzo precyzyjnych eksperymentów i obliczeń.

Czy to jest marzenie naukowe, czy realny cel do osiągnięcia?

Każdy z nas, pracujących w fizyce teoretycznej, ma to marzenie. Robimy wszystko, żeby je spełnić. Każdy liczy na to, że właśnie jemu uda się coś odnaleźć. A czy się uda? Nikt z nas tego nie wie. Odkrycia nie przychodzą na zamówienie. Staramy się stworzyć takie warunki eksperymentu, żeby mieć największą czułość, dokładność i żeby móc najmniejsze objawy owej piątej siły wychwycić. Zwiększamy precyzję poprzez nowy dokładniejszy pomiar (np. rzędu 12 cyfr) ? w Toruniu, Monachium, Amsterdamie czy Paryżu. Obliczenia najczęściej dotyczą widma atomu wodoru, atomu helu, cząsteczki wodoru. Czasami znajdujemy rozbieżności między pomiarem a obliczeniami, weryfikujemy je, i jak dotąd – znajdujemy albo błędy, albo jakieś nowe efekty, ale w ramach znanych nam praw fizycznych. Warto zaznaczyć, że bardzo ciężko jest powtórzyć czyjś eksperyment, zajmuje to wiele lat.

Często wyjeżdża Pan do innych ośrodków, żeby dyskutować z uczonymi o podobnych zainteresowaniach i aspiracjach?

Raczej sam zapraszam gości z zagranicy. Jeżeli dyskutuję, to telefonicznie. Wyjazdy wiążą się zazwyczaj z konferencjami naukowymi. Mam grupę współpracowników, która w dużym stopniu ma charakter wirtualny. Obecnie realizuję projekty we współpracy z naukowcami pracującymi w czterech różnych miejscach ?Vojtech Patkos jest w Pradze, Władimir Yerokhin w Sankt-Petersburgu, Jacek Komasa i mój były uczeń Mariusz Puchalski – w Poznaniu, i oczywiście z moimi doktorantami i magistrantami. Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej traktuję jako wyróżnienie dla całego mojego zespołu, bo dużą część wyników otrzymaliśmy wspólnie.

Fizykiem z powołania jest się zapewne przez 24 godziny na dobę, ale chyba ma Pan swoje sposoby na odpoczynek od teorii i obliczeń?

Jeżdżę na rowerze ? codziennie do pracy. I nie ma dla mnie znaczenia, czy jest lato, deszcz, czy minus dwadzieścia stopni. Rower pozwala się odprężyć, zapomnieć o wszystkim, wtedy po prostu nie myślę. A wieczorami spaceruję, to jest moja forma wypoczynku. Raz na tydzień biegam półmaraton na pięknej trasie od Mostu Łazienkowskiego do Mostu Północnego po prawej stronie Wisły, w parku krajobrazowym obejmującym piękne wybrzeże rzeki i las.

Przeczytaj także:

• opis badań prof. Krzysztofa Pachuckiego uhonorowanego Nagrodą FNP 2018
• informacje o Nagrodzie FNP
• relację z uroczystości wręczenia Nagród FNP 2018

Obejrzyj:

• film o badaniach prof. Krzysztofa Pachuckiego
• reportaż filmowy z uroczystości wręczenia nagród FNP 2018

Zdjęcie prof. Krzysztofa Pachuckiego ? fot. Magdalena Wiśniewska-Krasińska / Zdjęcia z uroczystości ? fot. Paweł Kula