Elektrodynamika kwantowa - taka piękna teoria

Prof. Pachucki został w 2018 r. laureatem Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w obszarze w obszarze nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich. Doceniono go za precyzyjne kwantowo-elektrodynamiczne obliczenia spektroskopowych parametrów lekkich atomów i cząsteczek.

Z WOJSKA DO ZESPOŁU NOBLISTY

Początki kariery fizyka teoretycznego były nietypowe. Po studiach na Uniwersytecie Warszawskim pracował na Wydziale Farmacji Akademii Medycznej, gdzie uczył studentów matematyki i fizyki. Potem trafił do wojska. Podczas służby wojskowej skontaktował się ze swoim mentorem, prof. Iwo Białynickim-Birulą. I zdał egzamin na studia doktoranckie. Tak znalazł się na swoim miejscu, w Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk.

Doktorat dotyczył 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” – tłumaczy prof. Pachucki.

W tym samym czasie w Garching niedaleko Monachium doktorant Theodora Hänscha, późniejszego noblisty, dokładnie mierzył to zjawisko. Polski badacz skończył pracę niemal równocześnie, co umożliwiło porównanie efektów.

„Wyniki bardzo ładnie nam się zgodziły. Sprawdziliśmy, że teoria – elektrodynamika kwantowa - bardzo dokładnie opisuje atom wodoru, czyli przesunięcia energii pod wpływem samooddziaływania” – mówi laureat Nagrody FNP, który w kolejnych latach swojej pracy rozwijał obliczenia dotyczące prostych układów atomowych.

Po doktoracie prof. Pachucki wyjechał do Instytutu Maxa Plancka w Garching. To właśnie tam dokonano pomiarów w atomie wodoru. Pracował jako jedyny teoretyk w grupie doświadczalnej, wykonując obliczenia.

„Choć wtedy jeszcze nie mówiło się o Nagrodzie Nobla dla Hänscha, to był to najlepszy ośrodek w Europie - ocenia fizyk. - 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”.

TAJEMNICZA PIĄTA SIŁA

Prof. Pachucki wciąż stara się zbadać, jak dokładne są prawa natury, które znamy. Wraz ze współpracownikami badacz weryfikuje 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” - mówi.

Przyznaje, że najczęściej okazuje się, że to wyniki eksperymentu są błędne. Ale jeśli przy ponownym sprawdzeniu wciąż pojawia się różnica, to jest to podstawa do odkrycia nowych praw fizyki, nowych sił. Czym jest „piąta siła”?

Jak wyjaśnia fizyk, znane są cztery rodzaje sił. Istnieją siły elektromagnetyczne i oddziaływanie grawitacyjne. Oddziaływania silne 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.

„Ale co, jeśli istnieją inne? Właśnie po to, żeby je odkryć, mierzymy przejścia w atomie wodoru oraz innych atomach i porównujemy je z obliczeniami” – tłumaczy naukowiec. Dodaje, że choć nauka nie potrafi jeszcze opisać piątej siły, to znajduje 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. My szukamy jakichkolwiek objawów tej siły na poziomie stołu laboratoryjnego, poprzez porównywanie bardzo precyzyjnych eksperymentów i obliczeń” - wyjaśnia.

MARZENIE STAJE SIĘ CELEM

Według laureata Nagrody FNP, każdy fizyk teoretyczny marzy o tym, że to właśnie on odnajdzie dowód na istnienie piątej siły. Ale „odkrycia nie przychodzą na zamówienie”. Badacze starają się stworzyć takie warunki eksperymentu, żeby uzyskać jak największą czułość i dokładność i żeby móc najmniejsze objawy owej piątej siły wychwycić. Zwiększają precyzję poprzez nowy dokładniejszy pomiar, np. rzędu 12 cyfr. 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” – stwierdza profesor. Zaznacza, że powtórzenie czyjegoś eksperymentu zajmuje wiele lat.

Grupa prof. Pachuckiego ma charakter wirtualny. Naukowiec realizuje projekty we współpracy z naukowcami pracującymi w czterech różnych miejscach (Vojtech Patkos w Pradze, Władimir Yerokhin w Sankt-Petersburgu, Jacek Komasa i Mariusz Puchalski - w Poznaniu) oraz z doktorantami i magistrantami.

Więcej o laureacie Nagrody FNP.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ agt/