7 grudnia 2012 roku w auli im. Andrzeja Pawlikowskiego w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego odbyła się VIII Dyskusja Panelowa „Oblicza fizyki: między fascynacją a niepokojem”

Tajemniczy mikroświat

Myślą przewodnią ósmej edycji było hasło „W głąb materii – mikroświat”, a główną intencją organizatorów (Instytutu Fizyki UŚ oraz katowickiego oddziału Polskiego Towarzystwa Fizycznego) – pokazanie tajemnic, ale i piękna świata w najmniejszej skali, niedostępnego naszym zmysłom. Podczas dyskusji uczestnicy poruszali różnorodne zagadnienia związane z mikroświatem, począwszy od pytań natury podstawowej: czy mikroświat rządzi się tymi samymi prawami, co świat, z którym stykamy się w codziennym życiu, aż po czysto praktyczne zastosowania niezwykłych własności obiektów w skalach mikro i nano.

7 grudnia 2012 r. w auli im. Andrzeja Pawlikowskiego w Instytucie Fizyki
Uniwersytetu Śląskiego odbyła się VIII Dyskusja Panelowa „Oblicza
fizyki: między fascynacją a niepokojem”
7 grudnia 2012 r. w auli im. Andrzeja Pawlikowskiego w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego odbyła się VIII Dyskusja Panelowa „Oblicza fizyki: między fascynacją a niepokojem”

Pierwszy wykład pt. „Elektronika spinowa: efekt poszukiwań na granicy mikroświata” wygłosił prof. dr hab. Józef Barnaś, fizyk-teoretyk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu. Mówił o poszukiwaniach nowych materiałów wytwarzanych sztucznie, posiadających nowe właściwości i rozmiary w skali nanometrów, które doprowadziły do wyłonienia się elektroniki spinowej. Stało się to realne dzięki technologicznym możliwościom kontrolowanej manipulacji układami w skali atomowej. Istotą tego działu nanoelektroniki jest wykorzystanie spinu elektronu na równi z jego ładunkiem. Profesor Barnaś opowiadał o początkach elektroniki spinowej (spintroniki) oraz głównych kierunkach jej rozwoju. Spintronika, jako nowa gałąź elektroniki mezoskopowej, wyłoniła się stosunkowo niedawno i jest właściwie w fazie początkowej swojego rozwoju. Zapoczątkowały ją badania Alberta Ferta i Petera Grunberga (bliskiego współpracownika prof. Barnasia) nad gigantycznym magnetooporem, wyróżnione Nagrodą Nobla w 2007 roku.

Profesor Barnaś zwrócił uwagę na problematykę: sztucznej pamięci, nowych zapisów informacji (impulsem elektrycznym zamiast pola magnetycznego) oraz ograniczenia gęstości zapisu, wynikające z atomowej struktury materii. Magnetyczne pamięci RAM (MRAM) cechują się tym, że są trwałe, tzn. zapisana informacja nie ginie po odłączeniu napięcia, jednak parametry tych pamięci ciągle jeszcze są gorsze od parametrów pamięci RAM opartych na technologii półprzewodnikowej (CMOS). Techniki informatyczne wciąż intensywnie się rozwijają, zaś zdolność obliczeniowa komputerów podwaja się co kilkanaście miesięcy. Podobnie dzieje się z gęstością zapisu informacji na twardych dyskach. Obecnie przekroczyły już zakres terabitowy. Rosnąca gęstość zapisu wymaga jednak opracowywania wciąż nowych metod zapisu i poprawnego odczytu informacji. Coraz częściej zadajemy sobie pytanie, gdzie jest granica, której nie da się już przekroczyć, i czy jesteśmy od niej daleko?

Prof. dr hab. Józef Barnaś (Uniwersytet Adama Mickiewicza)
Prof. dr hab. Józef Barnaś (Uniwersytet Adama Mickiewicza)

Kolejny wykład, zatytułowany „Żywy mikroświat w zielonym makroświecie, czyli komórka roślinna jako część organizmu”, wygłosiła prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska z Katedry Biofizyki i Morfogenezy Roślin UŚ. Badaczka podkreśliła, że roślina i wchodzące w jej skład komórki to obiekty fizyczne podlegające prawom fizyki tak samo, jak obiekty świata nieożywionego. Poszukując mechanizmów rządzących światem żywym, często zapominamy np. o czynnikach mechanicznych, szczególnie gdy staramy się pojąć zagmatwane sieci zależności pomiędzy różnymi czynnikami genetycznymi czy biochemicznymi, które regulują rozwój i funkcjonowanie organizmów. Profesor Kwiatkowska opowiedziała, jak pojęcie mikroświata zmieniało się z punktu widzenia biologów, jak obserwowano, a następnie badano mikroświat na przestrzeni wieków za pomocą różnorodnych urządzeń optycznych. Uczestnicy spotkania dowiedzieli się, jak odkrywano i poznawano poszczególne struktury komórkowe, a także właściwości współdziałających ze sobą części mikroświata. Badaczka omówiła występowanie struktur wstępnie naprężonych oraz rolę, jaką naprężenia mechaniczne pełnią w organizmach roślinnych na różnych poziomach ich organizacji. Profesor Kwiatkowska wspomniała również o tzw. strukturach tensegralnych występujących w naturze oraz ich naśladowaniu przez człowieka, np. w architekturze. Tensegralność to uporządkowanie struktury komórki, która ulega samostabilizacji dzięki zrównoważeniu przeciwnie działających sił rozciągających i ściskających; nadaje również kształt komórkom i wpływa na ich wewnętrzną organizację.

W dalszej części spotkania wystąpił prof. dr hab. Krzysztof Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego, który mówił o relacjach między obserwacją i opisem w fizyce.

Dr hab. Mirosław Nakonieczny, prorektor UŚ ds. umiędzynarodowienia,
współpracy z otoczeniem i promocji
Dr hab. Mirosław Nakonieczny, prorektor UŚ ds. umiędzynarodowienia, współpracy z otoczeniem i promocji

Naukowiec stwierdził, że fizyka jest powszechnie uważana za naukę, która na podstawie obserwacji formułuje w języku matematyki prawa, które te obserwacje porządkują. Profesor Meissner próbował udowodnić, że obraz ten jest we współczesnej fizyce fałszywy i podkreślił rolę apriorycznych założeń w formułowaniu praw fizyki i zrozumieniu świata, szczególnie w najmniejszej skali. Stwierdził, że świat/wszechświat nie jest poddany takim samym, niezmiennym i uniwersalnym prawom. A zatem powinien być chaotyczny. Czy jest? Nauka tego nie wyjaśnia, ale to bada. Naukowiec przedstawił, jak postrzeganie świata i jego podstawowych praw zmieniało się od czasów Arystotelesa, przez Kopernika, Keplera, Newtona, po Einsteina i czasy obecne. Stwierdził, że w XIX wieku panował pogląd, iż w nauce wszystko jest już odkryte. A jednak dziś doszliśmy do przekonania, że w fizyce nic nie jest przesądzone. Zauważył, że kiedyś badacze odkrywali wiele praw dzięki przypadkowi, podczas doświadczeń i obserwacji zjawisk. Dopiero potem dochodzili do tego, dlaczego coś się dzieje i jest taki, a nie inny efekt przeprowadzanych doświadczeń. Na końcu wyciągali wnioski – po porównaniu ich z doświadczeniem. Dziś stawiamy tezy, tworzymy modele kosmologiczne, zakładamy pewne prawa i dopiero później staramy się je udowodnić. A zatem wpierw jest pomysł, następnie teoria, a na końcu często pomysł zostaje odrzucony. Postęp w fizyce fundamentalnej polega na tym, że operuje opisem, który nie ma związku z doświadczeniem. Jednym z powodów takiego stanu jest to, że matematyka czasami nie nadąża za fizyką, a ponadto wszechświata nie da się opisać jako całości.

Od lewej: dr hab. Lech Sokołowski (Uniwersytet Jagielloński), prof. zw.
dr hab. Marek Zrałek (Instytut Fizyki UŚ) i prof. dr hab. Krzysztof Meissner
(Uniwersytet Warszawski)
Od lewej: dr hab. Lech Sokołowski (Uniwersytet Jagielloński), prof. zw. dr hab. Marek Zrałek (Instytut Fizyki UŚ) i prof. dr hab. Krzysztof Meissner (Uniwersytet Warszawski)

Słynny spór pomiędzy Nielsem Bohrem a Albertem Einsteinem przypomniał prof. zw. dr hab. Marek Zrałek z Zakładu Teorii Pola i Cząstek Elementarnych UŚ. Fizyk zauważył, że mechanika kwantowa fascynuje wielu ludzi, nie tylko profesorów czy studentów. Jednak reguły, według których opisuje mikroświat, są diametralnie różne od naszych makroskopowych przyzwyczajeń. Dyskusja pomiędzy Bohrem i Einsteinem, dotycząca interpretacji mechaniki kwantowej, prowadzona w latach 20. i 30. XX wieku, przeszła do historii fizyki. To właśnie wtedy padły słynne słowa, wypowiedziane przez Einsteina, że „Bóg nie gra w kości z wszechświatem”. Zgodnie z poglądami Einsteina, we wszechświecie nie ma miejsca na przypadkowość. Fizyka powinna przewidywać, jak ewoluuje wszechświat, a nie tylko określać prawdopodobieństwo zajścia jakiegoś zdarzenia. Bohr był zdania, że podobnie jak należy przyjąć zaskakujące twierdzenia teorii względności, bo potwierdza ją doświadczenie, tak powinno się zaakceptować mechanikę kwantową, gdyż potwierdzają ją eksperymenty. W 1936 roku Einstein uznał w końcu mechanikę kwantową za możliwy do przyjęcia system, jednak – jak twierdził – jest ona tak bardzo przeciwna jego instynktowi naukowemu, że nie może przerwać poszukiwań teorii bardziej zupełnej. Bohr natomiast ową niekompletność tłumaczył nie brakami w teorii, a własnościami świata, w którym żyjemy. Einstein zmarł w 1955 roku, Bohr w 1962, i dopiero po ich śmierci zaczęto eksperymentalne sprawdzanie, który z naukowców miał rację – pierwsze eksperymenty zostały przeprowadzone dopiero w latach 80. XX wieku przez grupę Alaina Aspecta z Paryża. Wszystko wskazuje na to, że eksperyment przyznał rację kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, lansowanej przez Bohra. Opis mikroświata pozbawiony jest lokalnego determinizmu, a więc ważnej cechy zgodnej ze „zdrowym rozsądkiem”, która Einsteinowi wydawała się konieczna do opisu realnego świata. Wykonano szereg skomplikowanych doświadczeń na poparcie tej tezy. Nie da się więc „zrozumieć” mechaniki kwantowej, powstają różne „interpretacje”, ale przeważa pogląd, który można określić jako „shut up and calculate”, mechanika kwantowa da ci dobry wynik. Czy jest to ostatnie słowo teorii opisującej mikroświat? Czy Einstein naprawdę się mylił, a Bohr miał rację? Profesor Zrałek zastanawiał się, jak wyglądałyby dyskusje na ten temat pomiędzy nimi, gdyby żyli w naszych czasach.

Prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska, kierownik Zakładu Biofizyki
i Morfogenezy Roślin UŚ
Prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska, kierownik Zakładu Biofizyki i Morfogenezy Roślin UŚ

W dalszej części spotkania wystąpił prof. zw. dr hab. Jan Woleński z Instytutu Filozofii Uniwersytetu Jagiellońskiego z referatem pt. „Czy mikroświat wymaga specyficznej ontologii?”. Gość z Krakowa rozpoczął od odpowiedzi na pytanie, czym jest ontologia. – „Technicznie” ontologia jest traktowana jako część filozofii, niektórzy mówią, że nauką o tym, co istnieje. Ja mam bardzo duże opory w nazywaniu filozofii nauką. Ale mówi się także o ontologiach związanych z teoriami matematycznymi, przyrodniczymi czy nawet humanistycznymi. Znany logik i filozof amerykański Orman Quine powiedział, że istnieć to być wartością zmiennej związanej z kwantyfikatorem, głównie z kwantyfikatorem egzystencjalnym.

Profesor Woleński przedstawił historię obiektów, którymi zajmuje się fizyka (i nie tylko) w kontekście tego, co filozofowie nazywają naocznością czy doświadczeniem, w sensie zdawania sobie sprawy z czegoś. Warto pamiętać, że kiedy pojawiła się nauka grecka, czy raczej filozofia grecka, to fizyką (physis) nazywano naturę, przyrodę, kosmos. A więc związek fizyki i filozofii był bliski. Badacz przywołał teorię Demokryta dotyczącą atomów, czyli – jak wówczas uważano – najmniejszych, niepodzielnych cząstek, będących składnikami materii. Tamten sposób myślenia o przyrodzie to była naoczność, która się splatała z abstrakcją. Rozwój fizyki do XX wieku był bardzo mocno związany z ową naocznością. Zmianę przyniosła dopiero mechanika kwantowa. Fizyka kwantowa jest prawdopodobnie pierwszym obszarem, gdzie ta naoczność zaczyna zawodzić. Wpływ naoczności na myślenie matematyków czy fizyków był potężny. Jeśli np. weźmiemy pod uwagę dynamikę Newtona, to formułował on swoje prawa przy pomocy pojęcia „ciała”. Matematyzacja fizyki coraz bardziej oddalała teorie fizykalne od naocznego doświadczenia. Punkt materialny w sensie mechaniki klasycznej, tj. bezwymiarowy obiekt, ale zlokalizowany w ramach układu współrzędnych, w którym skupiona jest cała masa, stanowi już daleko idącą abstrakcję matematyczną. Dalszy rozwój fizyki skomplikował ten „prosty” obraz.

Prof. zw. dr hab. Tadeusz Sławek (rektor UŚ w kadencjach 1996–1999–
2002)
Prof. zw. dr hab. Tadeusz Sławek (rektor UŚ w kadencjach 1996–1999– 2002)

VIII Dyskusję Panelową zamknął referat prof. zw. dr. hab. Tadeusza Sławka z Katedry Literatury Porównawczej UŚ zatytułowany „Mikro-makro. Spojrzenie, poznanie, etyka”. Myślą przewodnią wystąpienia profesor uczynił słowa Johna Lennona i Paula McCartneya: „Living is easy with eyes closed, misunderstanding all you see” („Łatwo jest żyć z zamkniętymi oczami, nie rozumiejąc wszystkiego, co się widzi”): – Tak naprawdę jest dużo przesady w tym stwierdzeniu, co zresztą ewidentnie udowodnił Zygmunt Freud, pokazując, jak bardzo skomplikowana jest mikrostruktura naszych snów – zażartował profesor Sławek. Na początku swoich rozważań odwołał się do Lukrecjusza, rzymskiego poety i filozofa, który w De rerum natura (O naturze wszechrzeczy) pisał: „Poznaj ciała nieznane oczom otwartym najszerzej, / O których wiesz, że istnieją, choć niewidzialne zupełnie”. Profesor zauważył, że nawet oczy najszerzej otwarte nie wprowadzają do istoty rzeczy. Kwestia świata brutalnie widzialnego i niewidzialnego „czegoś”, co ten świat napędza, jest od samego początku zapleczem ludzkiej refleksji. Poeta przytacza przykłady, może trochę trywialne, bo mówi np. że wiatr, który wyrywa drzewa z korzeniami, jest niewidoczny. Dziwi się, jak to się dzieje? Wszystko jest napięciem między widzialnym a niewidzialnym. Żyjemy i umieramy dzięki temu napięciu. Lukrecjusza prześladuje kwestia tych drobnych ciałek, których nie można ujrzeć, a są odpowiedzialne za nasze życie i naszą śmierć.

W dalszej części swojego wystąpienia profesor poruszył m.in. motyw poznania. Stwierdził, że ostre, wyraziste spojrzenie nie jest właściwe człowiekowi. Jest on zrodzony, aby nie widzieć, lub inaczej, by widzieć w sposób szczególny – przez łzy. Zacytował fragment wiersza „Oczy i łzy” Andrew Marvella: „Niech się więc śluzą podwójną otworzą / Oczy me, czyniąc to na chwałę Bożą; / Inne stworzenia też śpią albo patrzą; / Lecz tylko nasze, ludzkie oczy płaczą”. – Jeżeli to jest wyznacznik człowieczeństwa, że człowiek jest jedynym zwierzęciem, które płacze – zastanawiał się profesor – to znaczy, że człowiek jest zwierzęciem, które nie widzi dokładnie. Spojrzenie przez łzy jest poruszone, z zasady niewyraźne. Profesor Sławek zauważył również, że poznanie jest rzeczą relatywną. Jako przykład podał Podróże Guliwera Jonathana Swifta (1725), cytując: „Filozofowie mają przyczynę mówić, że wielkość i małość jest tylko w porównaniu”. Kończąc swoje wystąpienie, profesor stwierdził: – Homo jest sapiens o tyle, o ile jest plerens, czyli człowiek myślący jest człowiekiem płaczącym, człowiekiem poruszonego spojrzenia.

Spotkanie zakończyła gorąca debata podsumowująca z udziałem wykładowców, przewodniczących poszczególnych sesji oraz wszystkich uczestników VIII Dyskusji Panelowej. Moderował ją prof. dr hab. Aleksander Nawarecki z Zakładu Teorii Literatury UŚ.

Autorzy: Agnieszka Sikora
Fotografie: Agnieszka Sikora