Naukowe wróżby - nagrody Nobla 2015
Celebryci i faworyci od lat
Żelaznymi kandydatami mediów i Internetu na laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki są od lat nieodmiennie Stephen Hawking i Michio Kaku (1).
Obaj mają status celebrytów, co jednak niekoniecznie pokrywa się z ich rzeczywistą pozycją w świecie nauki. Gwiazda naukowa pierwszego nieco zbladła po tym, jak nowe odkrycia w dziedzinie fizyki czarnych dziur zmusiły go do modyfikacji swoich wcześniejszych teorii. Drugi, specjalista od słabo sprawdzalnej teorii superstrun, błyszczy zaś głównie w popularno-naukowych filmach dokumentalnych. Czarnym koniem z Dalekiego Wschodu byłby Hideo Hosono (2), z Instytutu Technologicznego w Tokio. Od lat pracuje nad żelaznymi nadprzewodnikami. Będzie musiał chyba jednak jeszcze nieco zaczekać, gdyż ubiegłoroczne fizyczne Noble były właśnie japońskie (za niebieskie lasery).
A może Komitet przypomni sobie o wiekowej już, 87-letniej, Verze Cooper Rubin (3), i powiększy skromne grono kobiet-noblistek? W 1970 r. ta amerykańska astronom rozpoczęła badania ruchu wirowego galaktyki Andromedy i przez obserwacje spłaszczenia jej krzywej rotacji doszła do wniosku, że rozciąga się ona dalej niż jest widoczna, a składa się w dużej części z ciemnej materii. Koncepcja ta była rewolucyjna i początkowo ówcześni naukowcy ją odrzucali. Obecnie nie tylko stała się już oczywista, ale leży w samym centrum zainteresowania fizyków, astrofizyków i kosmologów.
Żelaznym kandydatem od szeregu lat jest Anton Zeilinger (4), fizyk austriacki, specjalizujący się w interferometrii kwantowej, profesor fizyki doświadczalnej na Uniwersytecie w Wiedniu. Jak to jednak bywa z takimi faworytami, całkiem możliwe, że Nagroda mu nie przypadnie, ani w tym roku, ani później.
Zeilinger prowadzi badania nad podstawowymi zjawiskami mikroświata (zwłaszcza stanów splątanych). W latach 80. wykonał szereg eksperymentów interferencyjnych, wykorzystujących neutrony. W 1989 r. przewidział wraz z Danielem Greenbergerem i Michaelem Horne'm, że splątanie trzech lub więcej cząstek daje korelacje kwantowe absolutnie niezgodne z jakimkolwiek obrazem opartym na pojęciach relatywistycznej fizyki klasycznej (tzw. korelacje GHZ - od nazwisk naukowców). W 1999 r. jego zespół jako pierwszy zrealizował korelacje GHZ w laboratorium. Najsłynniejszym eksperymentem Zeilingera jest pierwsza kwantowa teleportacja, dokonana pomiędzy dwoma fotonami, które powstały w dwóch odrębnych aktach emisji (1997 r.).
A egzoplanety czekają
Kto wie, czy nie nadszedł czas na dostrzeżenie przez szwedzkich akademików prawdziwej erupcji odkryć planet pozasłonecznych. W spekulacjach wymieniany jest tu przede wszystkim Geoffrey W. Marcy (5), amerykański astronom, który we współpracy z Paulem Butlerem i Debrą Fischer uczestniczył w odkryciu aż siedemdziesięciu spośród stu pierwszych znanych planet pozasłonecznych.
Jeśli mówimy o Noblu za odkrycia egzoplanet, to wcale nie jest przesadą oczekiwanie, że Komitet mógłby uwzględnić również Polaka - Aleksandra Wolszczana (6). Po wyjeździe z Polski w czasie stanu wojennego astronom znalazł się na Uniwersytecie Cornell, dysponującym największym na świecie radioteleskopem (średnica ponad 300 m), znajdującym się w pobliżu Arecibo (wyspa Portoryko). W 1990 r. uczony uzyskał możliwość skorzystania z tego radioteleskopu do realizacji własnego programu badawczego.
W Obserwatorium Arecibo współpracował m.in. z Josephem H. Taylorem Jr, który w roku 1993 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie nowego typu pulsarów, otwierające nowe możliwości badania grawitacji (fale grawitacyjne). W swojej części badań Wolszczan zaobserwował i zinterpretował sygnały radiowe z milisekundowego pulsara PSR 1257+12 (gwiazdozbiór Panny), odkrywając pierwsze trzy planety poza Układem Słonecznym! Odkrycie zostało oficjalnie zaprezentowane na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Atlancie w styczniu 1992 r. i opublikowane w naukowym czasopiśmie "Nature" 9 stycznia 1992 r.
Prognozy z ubiegłego roku
W prognozach ubiegłorocznych agencja Thomson Reuters mocno stawiała na badaczy eksperymentujących z efektami związanymi z topologicznymi izolatorami - Charlesa L. Kane'a, Laurensa W. Molenkampa i Shouchenga Zhanga (7).
Przewidywania zawiodły, niewykluczone jednak, że co się odwlecze, to nie uciecze. Materiały tego rodzaju stanowią szansę, jeśli chodzi o rozwój technik komputerów kwantowych. Są mniej podatne na interferencję. Połączenie ich z nadprzewodnikami to idealna kombinacja w technice i elektronice przyszłości. Istnieją jednak też argumenty przeciwko przyznawaniu nagrody za izolatory topologiczne.
Przypominają one te, które towarzyszyły krytyce Nobla za grafen. Wyróżnianie zarówno jednej, jak i drugiej technologii, wielu uczonych i ekspertów skłonnych jest po prostu uważać za przedwczesne.
Inne ubiegłoroczne typy Thomson Reuters to Peidong Yang z Berkeley - za jego wkład w rozwój fotoniki nanodrutów, wliczając w to budowę pierwszego nanodrutowego lasera - oraz Yoshinori Tokura, Ramamoorthy Ramesh i James Scott - za badania nad ferroelektrycznymi nośnikami pamięci (Scott) oraz nad nowymi materiałami ferroelektrycznymi (pozostała dwójka). Na pewno warto o nich pamiętać i w tym roku.
Obiecujące oscylacje
W naszym "spekulatorium noblowskim" trzeba wskazywać nie tylko na konkretnych ludzi, ale również na pewne zjawiska, które, zdaniem wielu, "domagają się nagrody". Należą do nich oscylacje neutrin - zjawisko zaproponowane, aby wyjaśnić zbyt małą liczbę neutrin pochodzących ze Słońca, a obserwowanych na Ziemi (tzw. problem neutrin słonecznych).
Zjawisko oscylacji cząstek jest typowe dla mechaniki kwantowej. Po raz pierwszy wspominał o nim Bruno Pontecorvo, nieżyjący już, więc bez szans na Nobla. Fakt zaobserwowania oscylacji neutrin był ostatecznym dowodem na to, że neutrina mają masę. Nagroda za detekcję i eksperymentalne potwierdzenie oscylacji neutrin przypaść może naukowcom z detektora neutrin Super-Kamiokande (Super-K) - wodnego detektora promieniowania Czerenkowa o masie 50 tys. ton, znajdującego się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii (8).
Albo powędrować do przedstawicieli zespołu Sudbury Neutrino Observatory (SNO) - podziemnego detektora neutrin ulokowanego głęboko pod ziemią, w kanadyjskiej prowincji Ontario. Może to być też ktoś zaangażowany w MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) - eksperyment naukowy z dziedziny fizyki cząstek elementarnych, prowadzony w USA jednocześnie w Fermilabie i w kopalni w Minnesocie, badający oscylację neutrin akceleratorowych.
Teleportować sobie Nobla
Kolejnym zjawiskiem, którego badania w ostatnim czasie prowadzono bardzo intensywnie i które aż "prosi się o Nobla", jest teleportacja kwantowa (9). Pierwszej kwantowej teleportacji dokonano w 1997 r. - o czym już wspominaliśmy przy okazji wzmianki o jednym z faworytów. Ale prof. Zeilinger nie jest jedynym naukowcem z wielkimi osiągnięciami w tej dziedzinie. Siedem lat po nim teleportowano już stan kwantowy jednego atomu do drugiego, a w 2006 r. - kwantowy stan impulsu światła do biliona atomów cezu. Pięć lat później teleportowano pierwszą falę świetlną. Rok później wyrównano ówczesny rekord w najdalszej teleportacji kwantowej, dokonując jej na odległość 143 km. Również w tym roku teleportowano stan kwantowy grupy atomów do drugiej, a w 2013 r. kubity materii teleportowano na rekordową odległość 21 m.
W lecie 2013 r. media doniosły o kolejnym osiągnięciu w dziedzinie komputerów kwantowych. Szwajcarskim badaczom z Uniwersytetu Technologicznego w Zurichu udało się wytworzyć stan splątania w obrębie układu elektronicznego i przesłać za pomocą teleportacji informację złożoną z 10 tys. kubitów w ciągu jednej sekundy. Transmisji dokonano w obrębie układu, podobnego do układu scalonego, na odległość 6 mm. Wrażenie robi też ilość przekazanych w stanie splątania danych.
W marcu 2015 r. kwantowe właściwości cząstek, porównywane często do uśmiechu kota z Cheshire z "Alicji w Krainie Czarów" (mogącego istnieć w oddzieleniu od samego kota), zostały przez fizyków już nie tylko oddzielone od fotonów, ale również teleportowane. Naukowcy z chińskiego Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Hefei przesłali je w dodatku od razu w grupie, co można by porównać do jednoczesnego przesłania uśmiechu i kołysania ogonem przez kota. Oznacza to, że w jednej teleportacji oddzielone i przeniesione zostały zarówno spin, jak orbitalny moment pędu fotonu. Poprzednio udawało się to z pojedynczymi właściwościami cząstek, jednak łączenie ich w teleportowane pakiety okazywało się trudnym zadaniem, z którym poradził sobie dopiero zespół pod kierownictwem Chaoyanga Lu i Jian-Wei Pana (10) ze wspomnianej uczelni. Naukowcy wykorzystali silne impulsy laserowe w zakresie ultrafioletowym, tworząc trzy pary splątanych fotonów. Jedna z nich, będąca w stanie zwanym przez uczonych "hipersplątaniem", tworzy "kanał kwantowy". Druga para służy do nieniszczącego stanów kwantowych pomiaru, zaś trzecia to fotony, których właściwości mają być teleportowane.
Inflacja czeka już długo
Inflacja kosmologiczna to hipoteza kosmologiczna zaproponowana przez Alana Gutha (11) w 1981 r. Według niej wczesny Wszechświat przeszedł przez fazę szybkiego rozszerzenia się, spowodowanego ujemnym ciśnieniem (dodatnią gęstością energii próżni). Bezpośrednią konsekwencją jest wniosek, że cały obserwowalny Wszechświat początkowo był skoncentrowany w bardzo małym obszarze, połączonym więzami przyczynowo-skutkowymi. Kwantowe fluktuacje w tym mikroskopijnym "świecie" urosły do rozmiarów kosmicznych i stały się zaczątkami struktur kosmicznych.
Inflacja rozwiązuje kilka ważnych, a dotąd niewyjaśnionych, problemów standardowej kosmologii Wielkiego Wybuchu. Wśród nich są kwestie: płaskości, horyzontu, monopoli magnetycznych, a także braku jakichkolwiek obserwowanych defektów topologicznych przewidzianych przez Teorię Wielkiej Unifikacji (GUT). W przewidywaniach standardowego modelu inflacji rozpatrywana jest płaska geometria Wszechświata oraz skala fluktuacji w mikrofalowym promieniowaniu tła.
Od lat 80. XX wieku doszło do wielu prób powiązania pola generującego energię próżni, które zostało przewidziane przez GUT, aby wykorzystać obserwacje do potwierdzenia tej teorii. Próby te mają dostarczyć odpowiedzi na pytanie o pochodzenie i naturę cząstek, generujących energię gęstości próżni, a pozostających dla teorii inflacji zagadką. W marcu 2014 r. ogłoszono wyniki eksperymentu BICEP2 potwierdzające istnienie polaryzacji typu B, spójnego z teorią inflacji oraz pierwotnymi falami grawitacyjnymi we wczesnym Wszechświecie. Jednak wyniki te zostały potem podważone przez kosmiczny teleskop Plancka. Na Nobla za kosmiczną inflację chyba więc przyjdzie jeszcze poczekać, bo Komitet za teorie niepotwierdzone doświadczalnie czy nawet obserwacyjnie Nagród przyznawać nie lubi.
Kolejka noblistów
Amerykański Instytut Fizyczny przeprowadził w 2010 r. sondaż w środowiskach naukowych, kto powinien otrzymać Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Odpowiedzi były podzielone na dziesięć obszarów tematycznych i wśród prognozowanych w ankiecie nazwisk widać już sporo nazwisk laureatów z ostatnich lat.
Na przykład w dziedzinie techniki LED i niebieskich laserów figurowało nazwisko Shūji Nakamury, który otrzymał Nobla w ubiegłym roku. W tej kategorii wymieniono również Roberta Halla, twórcę pierwszego lasera półprzewodnikowego. Urodził się w 1919 r., więc ma prawie sto lat, ale żyje i wciąż ma szansę.
W kategorii zjawisk kwantowych, splątania, nielokalności, dekoherencji i optyki atomowej padły nazwiska m.in. laureatów z 2012 r. - Davida Winelanda i Serge'a Haroche'a. Wymieniono również takie postaci, jak Alan Aspect, wspomniany Anton Zeilinger, Charles Bennett, Anton Zurek, David Pritchard, Jörg Schmiedmayer i Peter Zoller. Wszystkie oczywiście warto brać pod uwagę i w tym roku.
Amerykańscy fizycy wymienili w 2010 r. również nazwiska odkrywców grafenu - Andre Geima i Konstantina Novoselova - i oni rzeczywiście zostali wtedy uhonorowani. Dodali też nazwiska innych twórców opartej na mikrostrukturach węgla technologii - nanorurek węglowych - takich jak: Sumio Iijima, Cees Dekker, Phaedon Avouris, Charles Lieber i Thomas Ebbeson. Odgadli nazwiska całej trójki laureatów Nagrody za odkrycie, że Wszechświat rozszerza się w przyspieszającym tempie, lecz Adam Riess, Saul Perlmutter i Brian Schmidt otrzymali ją dopiero w 2011 r.
Wśród kandydatów wymienianych przez ankietowanych byli również naukowcy rozwijający technologie metamateriałów o ujemnym współczynniku załamania światła, czyli takie nazwiska jak: Victor Veselago, John Pendry, David Smith, Xiang Zhang, Sheldon Schultz, Ulf Leonhardt. Typujący uważali także, że szanse mają twórcy teorii chaosu - Mitchell Feigenbaum, Edward Ott, James Yorke, Celso Grebogi, Harry Swinney i Benoit Mandelbrot, choć u podstaw leży tu matematyka, a w tej dziedziny Noble nie są przyznawane. Mimo to jednak ich prace stanowią punkt wyjścia do badania wielu zjawisk fizycznych, np. klimatycznych. Być może Komitet Noblowski przypomni sobie także o twórcach i badaczach kryształów fotonicznych, np. Eli Yablonovitchu, Shawnie Linie, Johnie Joannopoulosie.
Ankieta z 2010 r. wymienia również całą grupę uczonych zasługujących na Nobla za odkrycia dotyczące wspominanych wcześniej egzoplanet. Wśród nich byli: Aleksander Wolszczan, Dale Frail, Paul Butler, Geoffrey Marcy, Michael Mayor, Didier Queloz, David Lathan. Od tamtego czasu zanotowano w tej dziedzinie ogromny postęp...
Dla porządku dodajmy na koniec wymienionych w ankiecie odkrywców kwarka górnego: Paula Grannisa, Mela Schocheta i Williama Carruthersa.
A jeśli będzie kompletne zaskoczenie?
Może jednak Komitet Nagrody Nobla postanowi zaskoczyć nas zupełnie innymi laureatami w dziedzinie fizyki? Spróbujmy przewidzieć także owe niespodziewane kandydatury.
Jedną z nich mógłby być Michael Grätzel (12), szwajcarski chemik niemieckiego pochodzenia. Jest profesorem w École Polytechnique Fédérale w Lozannie. Za odkrycie i rozwój nowego typu ogniwa słonecznego, tzw. ogniwa Grätzela, otrzymał Nagrodę Balzana w 2009 r. i Millennium Technology Prize w 2010 r.
W ogniwach tych zastosowano barwniki, stanowiące odpowiedniki fotosyntetycznych substancji zawartych w roślinach. Do ich wytworzenia potrzebne są specjalne fotoczułe substancje, które pozwalają na wykorzystanie szerokiego spektrum światła słonecznego (oprócz czerwieni także zieleni i błękitu), większego niż w większości współczesnych baterii słonecznych. Ogniwa te można zamontować na szybach, niczym światłoczułe, przezroczyste "folie", które będą produkować energię nie rozpraszając jednocześnie światła.
Być może taką niespodziewaną (choć nie dla świata fizyki) laureatką zostanie Deborah Jin, która niedawno otrzymała medal Izaaka Newtona za badania nad kondensatami fermionowymi. Fizycy z Uniwersytetu Kolorado uzyskali pod jej kierownictwem kondensat fermionów przez chłodzenie chmury utworzonej przez ok. pół miliona atomów potasu do 50-miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego (0,00000005 K).
Atomy były utrzymywane przez pole magnetyczne. Z jednej strony pole zezwalało na silne związanie fermionów w cząsteczki i utworzenie molekularnego kondensatu Bosego-Einsteina, z drugiej sprawiało, że słabo związane pary atomów łączyło oddziaływanie w istotny sposób zależne od pozostałych atomów (takie pary nie mogłyby istnieć wyizolowane). Zaobserwowano wtedy charakterystyczny dla kondensatu rozkład gęstości atomów. Ich zachowanie stało się tak jednorodne, że nie daje się ich odróżnić. Chodzi o szósty stan skupienia materii - więc mówienie o Noblu wcale nie jest tu nie na miejscu.
Na liście nieco bardziej egzotycznych nazwisk znajduje się Lee Smolin (13), amerykański fizyk teoretyczny, który pracuje m.in. na Perimeter Institute for Theoretical Physics Uniwersytetu Waterloo oraz na Uniwersytecie Toronto. "Egzotyka" wynika tu głównie z tego, że Smolin pozostaje teoretykiem, a Komitet Noblowski znany jest z rezerwy do takich uczonych. Z drugiej strony jednak Einstein też był teoretykiem (i po prawdzie też występowały problemy z przyznaniem mu Nobla). Nie od rzeczy będzie przypomnieć w tym miejscu słowa Ludwika Boltzmanna, tytana fizyki XIX wieku, że nie ma nic bardziej praktycznego niż dobra teoria.
Smolin znany jest ze swojego wkładu w rozwój kwantowej grawitacji, w szczególności pętlowej grawitacji kwantowej. Uczony broni tezy, że dwa obecne podejścia do grawitacji kwantowej - pętlowa grawitacja kwantowa i teoria strun - mogą być w rzeczywistości rozważane jako różne aspekty tej samej, ogólniejszej (wyższego rzędu) teorii. Hipoteza Smolina dotycząca doboru naturalnego w kosmologii, znana także jako teoria płodnych wszechświatów, sugeruje z kolei, że proces analogiczny do biologicznego doboru naturalnego ma zastosowanie również w największych skalach.
Zgodnie z tą teorią zapadająca się czarna dziura powoduje powstanie nowego wszechświata po "drugiej stronie", którego fundamentalne stałe fizyczne mogą się nieznacznie różnić od wszechświata, w którym powstała czarna dziura. Wszechświat daje więc początek tylu nowym wszechświatom, ile zawiera w sobie czarnych dziur. Teoria zawiera ewolucyjne idee "reprodukcji" i "mutacji" wszechświatów, więc jest formalnie analogiczna do wspomnianych modeli biologicznych.
Jednym z ciekawych kandydatów na tegorocznego Nobla jest wreszcie Wojciech Hubert Żurek (14), polski naukowiec, fizyk specjalizujący się w zagadnieniach z zakresu fizyki kwantowej, pracownik naukowy Los Alamos National Laboratory. W 1982 r. Żurek, William Wootters i Dennis Dieks udowodnili twierdzenie o zakazie klonowania, wskazując, że nie można wykonać idealnej kopii nieznanego stanu kwantowego (no-cloning theorem).
W gronie kandydatów Żurka wymienia się od kilku lat. Zapewne nie do końca byłby traktowany jako "polski uczony" (wyjechał do Stanów Zjednoczonych w latach 70., wkrótce po studiach na Uniwersytecie Jagiellońskim). Jednak w razie czego i tak, podobnie jak to było z Marią Curie-Skłodowską, będziemy z niego dumni.
