Ryzyk-fizyk, czyli sens niepoważnych eksperymentów naukowych - ebook

Po­ważny wstęp do nie­po­waż­nej książki

Ni­niej­sza książka po­ka­zuje fi­zykę z bar­dzo nie­ty­po­wej strony. Nie znaj­dziesz w niej hi­sto­rii o fa­lach gra­wi­ta­cyj­nych, bo­zo­nie Hig­gsa, ciem­nej ma­te­rii i od­kry­ciach z pierw­szych stron ga­zet. Za­miast tych me­dial­nych i gło­śnych opo­wie­ści pro­po­nuję ci po­dróż po świe­cie, z któ­rym spo­ty­kasz się na co dzień, a w któ­rym wiele nie­zna­nych na­uko­wych lą­dów wciąż czeka na swo­ich od­kryw­ców. Żeby do­tknąć tych ta­jem­nic, nie trzeba dużo. Wy­star­czy na chwilę od­wie­sić po­wagę na wie­szaku i za­cząć za­da­wać po­zor­nie głu­pie py­ta­nia. Tak jak to ro­bią ty­siące fi­zy­ków na ca­łym świe­cie.

Kiedy by­łem na stu­diach, na pią­tym roku obo­wiąz­kowo mu­sia­łem za­li­czyć se­mi­na­rium, na któ­rym co ty­dzień dwóch stu­den­tów oma­wiało przy­dzie­lone im pro­blemy z fi­zyki współ­cze­snej. Dzięki tym se­mi­na­riom, oprócz za­po­zna­nia się z naj­now­szymi osią­gnię­ciami na­uki, można było także do­szli­fo­wać umie­jęt­no­ści przy­go­to­wy­wa­nia wy­stą­pień pu­blicz­nych oraz na­uczyć się dys­ku­sji na naj­śwież­sze te­maty z gór­nej na­uko­wej półki. Bar­dzo do­brze pa­mię­tam te za­ję­cia, bo z li­sty przy­go­to­wa­nych przez pro­fe­sora te­ma­tów zo­stał mi przy­dzie­lony naj­dziw­niej­szy: fi­zyka jazdy na ro­we­rze. Co za po­rażka! Inni ko­le­dzy mieli za za­da­nie za­po­znać się z naj­now­szymi ar­ty­ku­łami do­ty­czą­cymi nad­prze­wod­ni­ków i eks­pan­sji Wszech­świata, a ja mu­sia­łem omó­wić stare jak świat, błahe za­gad­nie­nie, o któ­rym wspo­mina się na lek­cjach już w li­ceum. Prze­cież w tym nie ma nic no­wego! Stara fi­zyka z cza­sów New­tona i nic wię­cej. A na do­da­tek to ta­kie nie­po­ważne… Oczy­wi­ście nie­za­wodni ko­le­dzy nie oszczę­dzili mi kilku szy­der­czych uśmie­chów oraz ostrych jak szpila uwag, ale je­dyne, co mi po­zo­stało, to za­gryźć zęby i wziąć się do przy­go­to­wa­nia nud­nej pre­zen­ta­cji o tym, dla­czego ro­wer trzyma pion.

Za­czą­łem od prze­glądu li­te­ra­tury i jakże wiel­kie było moje zdzi­wie­nie, kiedy się oka­zało, że fi­zycy na po­czątku XXI wieku wciąż in­ten­syw­nie zaj­mują się tym za­gad­nie­niem i w za­sa­dzie nikt do końca nie wie, jak to z tą rów­no­wagą ro­weru jest. Pro­ste py­ta­nie do­ty­czące pro­stego urzą­dze­nia, z któ­rego ko­rzy­stamy na co dzień, oka­zało się godne wiel­kich umy­słów i lat wy­tę­żo­nych ba­dań. Pa­mię­tam, że kiedy na­stała moja ko­lej, z nie­ukry­waną sa­tys­fak­cją pre­zen­to­wa­łem ko­le­gom wy­niki fi­ne­zyj­nych do­świad­czeń ba­da­ją­cych sta­bil­ność ro­weru ra­zem z mo­de­lami teo­re­tycz­nymi, któ­rych opis ma­te­ma­tyczny był tak ob­szerny, że nie dało się ich zmie­ścić na roz­sąd­nej licz­bie slaj­dów. Pa­mię­tam też, jak duże wra­że­nie zro­biła koń­cowa kon­klu­zja, że py­ta­nie o uni­wer­salny mo­del wy­ja­śnia­jący, dla­czego po­tra­fimy utrzy­mać na ro­we­rze pion, wciąż po­zo­staje otwarte.

Dziś o utrzy­my­wa­niu rów­no­wagi na ro­we­rze wiemy już dużo wię­cej, choć cały czas wielu na­ukow­ców zaj­muje się tym za­gad­nie­niem i wciąż jesz­cze kilka kwe­stii po­zo­stało do roz­wią­za­nia. Trudno stwier­dzić, czy ten te­mat przy­padł mi lo­sowo, czy też był to ukryty za­mysł pro­fe­sora, ale wiem na pewno, że to jedno se­mi­na­rium otwo­rzyło mi oczy na kilka kwe­stii, z któ­rych wcze­śniej nie zda­wa­łem so­bie sprawy lub któ­rych nie wi­dzia­łem na­zbyt wy­raź­nie.

Jedna z nich to na­sza aro­gan­cja na­ukowa wo­bec świata. Nam, lu­dziom ży­ją­cym w XXI wieku, wy­daje się, że wiemy już bar­dzo dużo, a w szcze­gól­no­ści że do­brze po­zna­li­śmy naj­bliż­sze nam oto­cze­nie, z któ­rym sty­kamy się w domu i które wi­dzimy za oknem. Ży­jemy w prze­ko­na­niu, że je­żeli gdzie­kol­wiek ist­nieje na­ukowa terra in­co­gnita, to na­leży jej szu­kać nie wo­kół sie­bie, ale da­leko w ko­smo­sie lub w nie­do­strze­gal­nym go­łym okiem mi­kro­świe­cie. Ta­kie my­śle­nie za­uwa­żam rów­nież wśród nie­któ­rych mo­ich ko­le­gów fi­zy­ków. To jed­nak ułuda i nie­po­ro­zu­mie­nie.

Cza­sem zda­rza mi się pro­wa­dzić za­ję­cia po­pu­lar­no­nau­kowe z fi­zyki dla naj­młod­szych. Bar­dzo lu­bię te spo­tka­nia, bo dzieci, za­da­jąc pro­ste py­ta­nia o ota­cza­jącą nas rze­czy­wi­stość, nie zdają so­bie sprawy, że do­ty­kają za­gad­nień, nad któ­rymi nikt wcze­śniej się nie po­chy­lił albo które wciąż cze­kają na po­rządne zba­da­nie. Dla­czego skórka od ba­nana jest śli­ska? Czy bańka my­dlana może mieć do­wolny ko­lor? Dla­czego śnieg róż­nie skrzypi pod­czas mro­zów? Ile mak­sy­mal­nie „ka­czek” można pu­ścić po wo­dzie? Mia­łem spory pro­blem, żeby od­po­wie­dzieć na nie­które z nich i ła­pa­łem się na tym, jak mało wiem o świe­cie, który mnie ota­cza. Nie­jed­no­krot­nie też, po po­wro­cie do domu i prze­szu­ka­niu in­ter­netu, stwier­dza­łem, że nie tylko ja sam mało wiem, ale ge­ne­ral­nie wie­dza ludzka pełna jest dziur, które czają się w naj­mniej spo­dzie­wa­nych miej­scach.

Nikt nie po­trafi tak traf­nie py­tać jak dzieci. Dla­czego do­ro­śli tego nie ro­bią? Czy utra­cili umie­jęt­ność za­da­wa­nia py­tań? A może krę­puje ich wła­sna po­zy­cja i obawa przed śmiesz­no­ścią? Prze­cież to ta­kie nie­po­ważne py­tać o ba­nana lub przy­znać się, że in­te­re­sują nas bańki my­dlane. Chcemy wszak być oso­bami sza­no­wa­nymi i od­po­wie­dzial­nymi, a ta­kie te­maty są do­bre dla bez­tro­skich dzieci. Do­ro­sły po­trze­buje za­gad­nień bar­dziej istot­nych. Mało kto do­strzega, jak wiele tra­cimy przez ta­kie po­dej­ście. Po pierw­sze, za­my­kamy przed sobą fa­scy­nu­jący świat zja­wisk, które są po pro­stu piękne i mogą nam do­star­czyć wielu za­chwy­tów. Po dru­gie, do­bro­wol­nie od­bie­ramy so­bie moż­li­wość au­ten­tycz­nej frajdy i ra­do­ści, którą daje ob­co­wa­nie ze świa­tem. Po trze­cie zaś, od­wra­ca­jąc od nich oczy, wcale nie sta­jemy się bar­dziej sza­no­wa­nymi i od­po­wie­dzial­nymi oso­bami, na czym tak bar­dzo nam za­leży, a ra­czej ho­du­jemy w so­bie zgorzk­nie­nie. W ra­mach swo­jej pracy za­wo­do­wej prze­glą­dam i czy­tam dużo ar­ty­ku­łów na­uko­wych. Jest to nie­zbędne, by być na bie­żąco i orien­to­wać się w tym, co się dzieje w naj­lep­szych la­bo­ra­to­riach. Taka co­ty­go­dniowa na­ukowa pra­sówka jest jed­nak czymś zu­peł­nie in­nym niż czy­ta­nie przy ka­wie ulu­bio­nego ty­go­dnika lub książki. Ar­ty­kuły w naj­lep­szych pe­rio­dy­kach na­uko­wych mają za­wsze ten sam sche­mat, za­warte w nich my­śli ubrane są w su­chy, zwię­zły ton, a ca­łość do szpiku ko­ści prze­sy­cona jest pre­cy­zją. Jed­nak na­wet wśród tego gąsz­czu for­ma­li­zmu cza­sami można spo­tkać prace nie­stan­dar­dowe, pi­sane z fan­ta­zją i hu­mo­rem, w któ­rych dzie­cięce, pro­ste py­ta­nia od­gry­wają główną rolę i są mo­to­rem na­pę­do­wym ba­dań. Są one naj­lep­szym do­wo­dem, że wciąż jest wiele osób, rów­nież wśród na­ukow­ców, które mają w so­bie na tyle od­wagi, by py­tać jak dzieci.

Ta­kie nie­stan­dar­dowe pu­bli­ka­cje oraz fi­ne­zyjne po­dej­ście do na­uki od 1991 roku na­gra­dzane są Na­gro­dami Ig No­bla, które nie­słusz­nie na­zy­wane są an­ty­no­blami. Jest to bar­dzo me­dialne wy­róż­nie­nie, o któ­rym co­rocz­nie do­nosi prasa, ra­dio i te­le­wi­zja. Za­zwy­czaj wszy­scy trak­tują je jako cie­ka­wostkę i mało kto się za­sta­na­wia, o co tak na­prawdę cho­dzi. Czy fak­tycz­nie o to, żeby na­pięt­no­wać i wy­śmiać na­ukow­ców, któ­rzy zaj­mują się bzdu­rami za pie­nią­dze po­dat­ni­ków? Otóż nie­ko­niecz­nie.

Na­grody Ig No­bla przy­zna­wane są za ba­da­nia, które „naj­pierw śmie­szą, a po­tem skła­niają do my­śle­nia”. To zwięźle ujęte kry­te­rium stało się de­wizą przy­świe­ca­jącą do­rocz­nej gali na Uni­wer­sy­te­cie Ha­rvarda, pod­czas któ­rej na­grody wrę­czane są zwy­cięz­com przez praw­dzi­wych lau­re­atów Na­grody No­bla. Im­preza ta, jak żadna inna, po­ka­zuje, jak duży dy­stans mają na­ukowcy do sie­bie sa­mych i do ba­dań, któ­rymi się zaj­mują. Czę­sto w spo­łe­czeń­stwie po­ku­tuje ste­reo­typ po­waż­nego pro­fe­sora, zaj­mu­ją­cego się skom­pli­ko­wa­nymi spra­wami, który na co dzień pró­buje zba­wiać świat, urzę­du­jąc w wiel­kim, nie­do­stęp­nym gma­chu z ko­ści sło­nio­wej zwa­nym NA­UKĄ. Ig No­ble po­ka­zują, że to to­talne nie­po­ro­zu­mie­nie, a na­ukowcy to osoby z krwi i ko­ści, z po­czu­ciem hu­moru, po­tra­fiące cza­sem wrzu­cić na luz. Ale luźna at­mos­fera i żarty to nie wszystko. Osią­gnięć lau­re­atów Na­grody Ig No­bla nie spo­sób wy­rzu­cić do ko­sza, są zna­czące na­ukowo, a uka­zują się w do­brych, re­cen­zo­wa­nych cza­so­pi­smach. Z jed­nej strony hu­mor i dy­stans, z dru­giej po­rządna dawka na­uki i my­śle­nia. Wła­śnie ta­kie po­dej­ście do fi­zyki chcę za­pro­po­no­wać w tej książce.

Za­zwy­czaj nie mamy spo­sob­no­ści śle­dze­nia, jak po­wstaje na­uka, jak ro­dzi się wie­dza. Me­dia in­for­mują nas je­dy­nie o koń­co­wym eta­pie w po­staci od­kry­cia, wnio­sku czy stwier­dze­nia, które trak­to­wane są jak prawda ob­ja­wiona. Mo­głoby się wy­da­wać, że od czasu do czasu, w spo­sób zu­peł­nie nie­prze­wi­dziany, zda­rza się wiel­kie od­kry­cie, które na­ukowcy ogła­szają światu. Jak gdyby spa­dało ono na nich z nieba, było wy­grane na lo­te­rii lub po pro­stu samo wy­szło z eks­pe­ry­mentu. Me­dia lu­bią in­for­mo­wać o tym, CO zo­stało od­kryte, tylko z rzadka sku­pia­jąc się na tym, JAK na­ukowcy do­cho­dzą do od­kryć. Dużo na tym tra­cimy, bo to JAK jest czę­sto o wiele bar­dziej in­te­re­su­jące niż CO.

Two­rze­nie na­uki to róż­no­rodny, barwny pro­ces, po­le­ga­jący na szu­ka­niu roz­wią­zań, for­mu­ło­wa­niu i we­ry­fi­ko­wa­niu hi­po­tez, ana­li­zo­wa­niu da­nych. To cią­głe udo­sko­na­la­nie na­szego poj­mo­wa­nia świata. To wielka dys­puta, w któ­rej na­ukowcy in­spi­rują się na­wza­jem i roz­wi­jają swoje po­my­sły. W któ­rej jedno pro­ste py­ta­nie ro­dzi wiele hi­po­tez i dy­le­ma­tów. W któ­rej, idąc ja­sną, pro­stą ścieżką, cza­sem do­cho­dzimy do śle­pej uliczki i mu­simy z niej za­wró­cić. W któ­rej po­my­sły sprzed 100 lat, po­rzu­cone na śmiet­niku idei, od­ży­wają na nowo. Na­uka to rów­nież nie­zli­czone eks­pe­ry­menty. Ile trzeba ich prze­pro­wa­dzić, żeby dojść do tego jed­nego, który po­su­nie nas do przodu? Igno­blow­skie hi­sto­rie oraz opo­wie­ści z ob­szaru mniej po­waż­nej fi­zyki po­zwa­lają prze­śle­dzić, jak ten pro­ces prze­biega. I to wszystko bez ucie­ka­nia się do skom­pli­ko­wa­nych za­gad­nień z gór­nej na­uko­wej półki.

Taka „nie­po­ważna fi­zyka” to bli­skie nam hi­sto­rie, pełne pro­stych, cza­sem śmiesz­nych py­tań, po­ka­zu­ją­cych, jak funk­cjo­nuje or­ga­nizm zło­żony z se­tek i ty­sięcy na­uko­wych mó­zgów, które kar­mią się na­wza­jem ide­ami. Przyj­rze­nie się tym za­leż­no­ściom prze­ko­nuje, że ni­gdy nie wia­domo, gdzie po­jawi się iskierka, ten punkt za­palny, bę­dący w sta­nie po­cią­gnąć za sobą na­stępne osoby i do­pro­wa­dzić do roz­wią­zań, które w inny spo­sób ni­gdy nie przy­szłyby do głowy – albo przy­szłyby znacz­nie póź­niej. Być może bę­dzie nim jedno z pro­stych dzie­cię­cych py­tań? Hi­sto­ria fi­zyki i ży­cio­rysy wiel­kich na­ukow­ców zdają się to po­twier­dzać. Ri­chard Feyn­man, An­dre Geim, John W.S. Ray­le­igh i wielu in­nych za­da­wało śmieszne py­ta­nia i zaj­mo­wało się po­zor­nie bła­hymi spra­wami, które do­pro­wa­dzały ich do po­waż­nych od­kryć. Je­żeli oni po­dą­żali tą drogą, dla­czego my mie­li­by­śmy się jej wsty­dzić?

Pod ko­niec stu­diów za­in­te­re­so­wa­łem się gra­niem na gi­ta­rze. Oprócz na­uki chwy­tów (któ­rych ni­gdy po­rząd­nie się nie na­uczy­łem) pró­bo­wa­łem rów­nież ro­bić z moim in­stru­men­tem pro­ste eks­pe­ry­menty fi­zyczne. Za­czą­łem od stan­dar­do­wych, ta­kich jak ob­ser­wa­cja drgań po­wsta­ją­cych na stru­nach, ale z bie­giem czasu za­czą­łem wy­my­ślać co­raz mniej kla­syczne, na przy­kład po­le­ga­jące na wy­sy­py­wa­niu ka­szy manny na pu­dło re­zo­nan­sowe i ob­ser­wo­wa­niu, jak jej zia­renka pod­ska­kują przy po­trą­ca­niu strun. W końcu za­da­łem so­bie py­ta­nie, czy za po­mocą tego typu zwy­kłych do­mo­wych do­świad­czeń i po­mia­rów je­ste­śmy w sta­nie w mie­rzalny spo­sób okre­ślić ja­kość in­stru­mentu i obiek­tyw­nie go wy­ce­nić. Wy­niki mo­ich pro­stych, w więk­szo­ści śmiesz­nych i nie­po­waż­nych eks­pe­ry­men­tów ze­bra­łem ra­zem i za­pre­zen­to­wa­łem pod­czas spo­tka­nia koła na­uko­wego stu­den­tów fi­zyki na mo­jej ma­cie­rzy­stej uczelni. O dziwo, moje po­my­sły spodo­bały się za­równo ko­le­gom, jak i ka­drze na­uko­wej, a po paru pe­ry­pe­tiach los spra­wił, że mia­łem oka­zję przed­sta­wiać je na róż­nych uczel­niach, rów­nież poza gra­ni­cami Pol­ski. Przed ta­kimi pre­zen­ta­cjami, do­ty­czą­cymi jakże bzdur­nego te­matu, za­wsze czu­łem się nie­swojo i in­ten­syw­nie ob­my­śla­łem, jak wyjść z twa­rzą po ode­gra­niu roli bła­zna. Oka­zało się jed­nak, że nie tylko nikt ni­gdy mnie nie wy­śmiał, co po­cząt­kowo przyj­mo­wa­łem z ulgą i nie­skry­wa­nym za­sko­cze­niem, ale prze­ciw­nie, cał­kiem spore grono słu­cha­czy po­dej­mo­wało po re­fe­ra­cie rze­telną, po­ważną dys­ku­sję, pod­rzu­ca­jąc mi cie­kawe uwagi i na­stępne po­my­sły, wy­kra­cza­jące da­leko poza pro­ste do­mowe eks­pe­ry­menty.

Po­zwo­liło mi to prze­ko­nać się, że nie­po­ważne po­my­sły nie mu­szą pro­wa­dzić do nie­po­waż­nych wnio­sków, a sza­lone py­ta­nia nie ozna­czają sza­leń­stwa. Upew­ni­łem się też, że aby za­cząć zaj­mo­wać się fi­zyką, nie za­wsze po­trzebne jest do­brze wy­po­sa­żone la­bo­ra­to­rium. Na­uka to nie tylko drogi sprzęt oraz skom­pli­ko­wane urzą­dze­nia, do któ­rych do­stęp mają nie­liczni. Każdy z nas może do­ko­ny­wać od­kryć i stać się czę­ścią na­uko­wego świata. Przy odro­bi­nie fan­ta­zji można prze­pro­wa­dzać w domu eks­pe­ry­menty, któ­rych nikt wcze­śniej nie wy­ko­nał, za­da­wać py­ta­nia, które ni­gdy wcze­śniej nie pa­dły, oraz pró­bo­wać szu­kać na nie od­po­wie­dzi. Ta­kie moż­li­wo­ści daje wła­śnie „fi­zyka nie­po­ważna”, która być może jest po­waż­niej­sza, niż nam wszyst­kim się wy­daje. Przy­padki ba­dań na­gro­dzo­nych Na­grodą Ig No­bla i hi­sto­rie wy­bit­nych na­ukow­ców po­ka­zują jesz­cze jedno. Upra­wia­nie fi­zyki, prze­pro­wa­dza­nie eks­pe­ry­men­tów, sta­wia­nie wła­snych hi­po­tez i próba ich do­mo­wej we­ry­fi­ka­cji daje au­ten­tyczną frajdę i jest nie­ty­pową, nie­ba­na­lną roz­rywką. Nie­jed­no­krot­nie znacz­nie lep­szą niż wie­czór spę­dzony przy kom­pu­te­rze z ja­kimś fil­mem lub se­ria­lem. Se­rio! W od­róż­nie­niu od nich nie jest bo­wiem tylko czy­stym re­lak­sem i od­skocz­nią od co­dzien­no­ści, nie jest pro­stą próbą za­bi­cia czasu, a roz­wija nas, daje sa­tys­fak­cję i jest świet­nym wstę­pem do po­waż­niej­szych za­gad­nień na­uko­wych. Od do­świad­czeń z lo­dem ła­two przejść do fi­zyki po­wierzchni i cien­kich warstw, a ob­ser­wa­cja owa­dów może nam po­móc zro­zu­mieć, czym jest świa­tło i fale elek­tro­ma­gne­tyczne – prze­ko­nasz się o tym, czy­ta­jąc na­stępne roz­działy. Świe­cącą ża­rówkę, sty­gnię­cie po­ran­nej kawy i świe­ce­nie od­le­głych gwiazd, które mo­żemy po­dzi­wiać na po­god­nym noc­nym nie­bie, opi­sują te same prawa. Do­strze­że­nie tych za­leż­no­ści po­zwala zro­zu­mieć, jak działa świat, w któ­rym ży­jemy, da­jąc rów­nież moż­li­wość peł­nego uczest­nic­twa w ży­ciu współ­cze­snego spo­łe­czeń­stwa, któ­rego funk­cjo­no­wa­nie oparte jest na wie­dzy. I, last but not le­ast, „fi­zyka nie­po­ważna” po­zwala prze­ko­nać się, że na­uka to nie jest wielki gmach za­mknięty dla ma­lucz­kich, do któ­rego trzeba pod­cho­dzić na­boż­nie i z pie­ty­zmem, ale przy­goda, w któ­rej może wziąć udział każdy z nas.