Krakowscy fizycy leczą raka, badają kosmos i pracują nad słońcem na ziemi

Dawid Kuciński, LoveKraków.pl: Ponoć najtrudniej odpowiada się dzieciom, dlatego poproszę o wyjaśnienie w najprostszych słowach, jak dla pięciolatka, czym zajmuje się Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie?

Prof. dr hab. Tadeusz Lesiak, dyrektor IFJ PAN: Instytut prowadzi niezwykle szeroki wachlarz badań. Dzielą się one na dwie główne kategorie. Pierwsza to tak zwane badania podstawowe, z których natury wynika, że nie interesuje nas ich bezpośrednia użyteczność dla społeczeństwa, tylko próba zrozumienia przyrody. Uprawiamy m.in fizykę cząstek elementarnych, fizykę jądrową, astrofizykę, fizykę ciała stałego, badamy fizykę plazmy, a nawet sprawdzamy zastosowanie metod fizyki na rynkach finansowych.

Oprócz tego prowadzimy bardzo wiele działań, które bezpośrednio służą społeczeństwu – temu celowi poświęca swój czas połowa naszego zespołu. Dzięki temu możemy stosować różnego rodzaju metody badawcze m.in. w medycynie; mowa tu np. o rezonansie magnetycznym czy pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Badamy również właściwości fizyczne komórek, choćby po to, by można było lepiej projektować leki.

Flagowym osiągnięciem Instytutu jest unikalna w skali Polski terapia nowotworowa z wykorzystaniem wiązki protonów. Nasz ośrodek jest jednym z kilku na świecie, w którym nie mamy do czynienia tylko z ludźmi w białych fartuchach, którzy podłączają aparaturę. My tę aparaturę rozumiemy, potrafimy ją serwisować, a nawet rozwijać. Dlatego jest to również jednostka, która prowadzi badania zarówno w dziedzinie fizyki medycznej i fizyki akceleratorowej, jak i dozymetrii – czyli w wielu obszarach fizyki.

Uderzenie z mocą serwu Djokovicia, więcej pytań i korzyści z nauki

Prowadzicie też Państwo badania w skali kosmicznej. Po co to robić i w jaki sposób są one w ogóle prowadzone?

Człowiek znajduje się pośrodku kosmicznej linijki skal odległości. Nasze rozmiary to z grubsza dwa metry, a w obie strony – w kierunku mikro- i makrokosmosu – rozciągają się skale o rozmiarach kilku dziesiątków rzędów wielkości. Żebyśmy mogli zrozumieć przyrodę w najmniejszych skalach, musimy badać też kosmos, ponieważ Wszechświat w swojej historii przechodził przez wszystkie te etapy, które bada fizyka mikroświata i niejako ma w sobie zakodowane te zjawiska. W związku z tym rozwijamy badania astrofizyczne w największej skali, wykorzystując najbardziej prestiżowe urządzenia, takie jak Wielki Zderzacz Hadronów czy Obserwatorium Pierre Auger.

Uczestniczymy w badaniach fizyki cząstek elementarnych, gdzie badamy najdoskonalszą obecnie teorię fizyczną, tak zwany Model Standardowy. Zgodnie z założeniem teoria ta powinna opisywać wszystko. Jednak, jak Państwo rozumieją, fizyka opiera się na prostych zasadach, ale świat staje się coraz bardziej skomplikowany w miarę tego, jak badamy coraz bardziej złożone układy. Trudno na przykład opisać za pomocą Modelu Standardowego komórkę, ale fundamentalnie powinno to być możliwe. To już jest biologia, więc fizyka jawi się jako dziedzina, która może opisać wszystko – diabeł tkwi jednak w szczegółach.

Czym zajmuje się Obserwatorium Pierre Auger i jak korzystają z niego naukowcy Instytutu?

Interesuje nas między innymi promieniowanie kosmiczne. Argentyńskie obserwatorium jest absolutnie unikalne w skali światowej i cały czas zbiera dane o najbardziej energetycznych promieniach kosmicznych. Co to oznacza? Raz na 100 lat w obszar o powierzchni jednego kilometra kwadratowego trafia cząstka, która uderza w Ziemię z energią porównywalną do serwisu Djokovicia. Celem badań jest rozwiązanie zagadki pochodzenia wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Badamy również neutrina – najbardziej zagadkowe i wciąż najmniej poznane cząstki tej fundamentalnej teorii – a także najbardziej energetyczne promienie gamma, czyli fotony przybywające z niezwykłymi energiami.

To wszystko mówi nam, co działo się we wczesnym Wszechświecie i pomaga zrozumieć zjawiska w galaktykach. To w pewnym sensie zapis historii, zapis podróży. Taka cząstka coś przeżyła, a my, na podstawie tego, jaka jest, próbujemy odtworzyć jej podróż i narodziny.

Rozumiem, że obecnie każde nowe odkrycie nie daje jednoznacznej odpowiedzi, tylko zazwyczaj rodzi więcej pytań.

Przyroda jest na tyle bogata, że każda odpowiedź rodzi kolejne, naturalne pytania. Na tym polega rozwój nauki.

Wróćmy na Ziemię, do Instytutu. Jak Pan wspominał, naukowcy współpracują przy największych projektach naukowych, jak choćby Wielki Zderzacz Hadronów. Jakie korzyści przynosi to polskiej nauce? Co my z tego mamy i co oni sami z tego mają?

Muszę wrócić do początku i przypomnieć, że mówimy o badaniach podstawowych, które nie są nastawione na bezpośrednią korzyść. Dodatkowo są one drogie, bo im głębiej chcemy wniknąć w materię, tym wyższej energii potrzebujemy. A to kosztuje. Nie są to jednak pieniądze wyrzucone w błoto.

Ja na przykład od wielu lat aktywnie uczestniczę w różnych projektach ośrodka CERN, który posiada niezwykle staranne analizy finansowe. Koncentrując się jedynie na fizyce cząstek elementarnych, możemy powiedzieć, że z ich wyliczeń, zlecanych przez Unię Europejską, wynika, że – umownie – jeden frank szwajcarski zainwestowany w badania przynosi co najmniej trzy franki zysku dla społeczeństwa. Jest to obliczane na podstawie analizy kilkudziesięciu wiodących sektorów gospodarek państw europejskich będących członkami CERN

Może Pan podać przykłady?

GPS. Albert Einstein odkrył w 1915 roku ogólną teorię względności. Po prawie 80 latach okazało się, że wprowadza ona poprawki niezbędne do pozycjonowania satelitów, dzięki czemu można określić położenie z dokładnością nie do kilometra, ale do pół metra. Tego nikt nie był w stanie przewidzieć.

Podobnie CERN znany jest z tego, że nieodpłatnie udostępnił światu sieć WWW (World Wide Web). Pierwotnie była ona potrzebna fizykom rozproszonym po całym świecie do komunikacji oraz dzielenia się danymi i wynikami badań. Tak zwany transfer technologii jest cały czas na sztandarach CERN.

CERN kształci też tysiące doktorantów. Stają się oni później niezwykłym kołem zamachowym dla gospodarki. Ogromna większość z nich idzie w świat z doświadczeniem obcowania z najnowocześniejszą technologią i umiejętnością pracy w zespole. Spójrzmy chociażby na Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego, który przecież wywodzi się z CERN. Szala korzyści jest ogromna – to naprawdę świetna inwestycja.

Zabawa fizyką, marzenie ludzkości, rosyjskie rakiety 

Rozmawiamy z uwagi na obchody 70-lecia Instytutu. Zróbmy eksperyment: cofnijmy się do przełomu lat 50. i 60. Zostaje Pan przeniesiony w czasie i musi pracować z tym, co Pan tam zastał.

Szczerze mówiąc, bardzo bym się cieszył. Jest wiele zjawisk w fizyce, których badanie jest moim zdaniem trudniejsze obecnie. W latach 50. i 60. dominowała fizyka jądrowa niskich energii. Zespół naukowy składał się z kilku osób. Eksperyment można było zbudować w ciągu kilku dni w oparciu o niemal podręczną aparaturę. Właściwie nie trzeba było się martwić o pieniądze. Należało zdobyć jakiś bloczek elektroniki, połączyć druty i wszystko badać, a przy tym świetnie się bawić.

Obecnie jest to przedsięwzięcie niemal przemysłowe. Najpierw trzeba przez wiele lat zabiegać o to, żeby projekt został zaakceptowany przez kraje, ministerstwa i fundacje finansujące badania. Potem trzeba stworzyć zespół liczący od 50 do 4 tysięcy ludzi, będący konglomeratem ekspertów z bardzo szerokiego zakresu dziedzin. Następnie przez 10 lat trzeba to budować, a potem przez 30 lat obsługiwać, analizować zbierane dane i przygotowywać wyniki w postaci publikacji. Paradoksalnie, skala przedsięwzięcia jest taka, że wizerunek samotnego uczonego w fartuchu, który potrafi coś sam zrobić, to już archaizm.

Dzisiejsza nauka wymusza bardzo silne działanie zespołowe. To ma swoje dobre i złe strony. Dobre, bo uczy pewnych nawyków niezwykle cennych dla społeczeństwa. Złe, bo istnieje ryzyko zatracenia indywidualizmu, a człowiek staje się elementem, w pewnym sensie trybikiem maszyny. Nie tak jak w korporacji, ale niewiele do tego brakuje.

Zawężając temat do samej fizyki jądrowej: czy teraz jest więcej obszarów do jej badania niż wtedy? Czy ten czas otworzył więcej ścieżek, czy raczej je zamknął?

Fizyka jądrowa nie tyle zeszła na drugi plan, ile stała się mniej fundamentalna niż fizyka cząstek, ponieważ to cząstki wchodzą w skład jądra atomowego. Cała fizyka dąży do badania fundamentalnych obiektów. Natomiast fizyka jądrowa również ma przed sobą wspaniałą przyszłość, ponieważ zjawiska w jądrach atomowych tworzą niezwykle bogaty świat. Istnieje wiele interesujących własności jądra, które są bardzo frapujące naukowo i mogą się do czegoś przydać, zostać zastosowane dla społeczeństwa.

Jako jeden z przykładów, jesteśmy na dobrej drodze, aby skonstruować zegar oparty nie tyle na atomie, co na jądrze atomowym. Oznaczać to będzie precyzję większą o kilka rzędów wielkości. Nikt tego wcześniej nie przewidywał.

Innym  ważnym przykładem badań, który rozwijamy w naszym Instytucie, jest fizyka syntezy termojądrowej, czyli tego, co dzieje się w naszym Słońcu i innych gwiazdach. Uczestniczymy w największym projekcie reaktora termojądrowego ITER. To niezwykłe wyzwanie, zarówno naukowe, jak i technologiczne, z uwagi na temperatury procesów syntezy termojądrowej sięgające stu pięćdziesięciu milionów stopni. Jest to ogromne przedsięwzięcie za kilkadziesiąt miliardów euro, które wciąż powstaje. A żeby mogło działać, potrzebna jest armia ludzi.

Może to zabrzmi głupio, ale po co to wszystko?

Aby zrealizować marzenie ludzkości, które pojawiło się zaraz po II wojnie światowej. Zrozumieliśmy, że energię z jąder atomowych można czerpać na dwa sposoby: poprzez rozszczepienie jąder ciężkich – co, jak wiemy jest dla nas dostępne od czasów projektu „Manhattan” i co pokazuje działanie każdej elektrowni jądrowej, oraz poprzez syntezę lekkich jąder, na przykład czterech protonów w hel. Tu jednak pojawiają się ogromne trudności, bo wdrożenie technologicznie tego procesu jest nieskończenie bardziej złożone.

Wydaje się, że jesteśmy na dobrej drodze, aby to marzenie się zmaterializowało, co oznaczałoby bajecznie tanią i niezwykle czystą energię dla całej kuli ziemskiej, gdyż wodór bralibyśmy z wody. Problem w tym, że badania trwają od wielu lat i wciąż nie udało się zademonstrować reakcji, która przynosi zysk energetyczny w skali przemysłowej. Mamy możliwość symulowania Słońca i tego procesu, ale tylko na skalę naukową.

Paradoksalnie, brakuje energii, aby ten proces uruchomić i podtrzymać?

Dokładnie, i podtrzymać. Protony są cząstkami naładowanymi dodatnio i dość niechętnie zbliżają się do siebie na wymagane odległości. Dlatego, żeby je zbliżyć, trzeba podgrzać je do temperatury ponad stu milionów stopni. I utrzymać w tej temperaturze. Do tego potrzebny jest również materiał, który to wytrzyma.

Jak Pan uważa, ile lat potrzeba, żeby takie badania zakończyły się sukcesem?

Wśród fizyków krąży żart, że energetyka termojądrowa jest zawsze 50 lat przed nami. Obecnie może jest to lat 20.

***
Część druga rozmowy w środę.