Komu Nobla. Mimo rzekomej stagnacji w fizyce dobrych kandydatów do największej nagrody nie brakuje

Liczni fizycy byli wówczas przekonani, że skoro już uporali się z elektrycznością i magnetyzmem, kolejne odkrycia dotyczące atomu oznaczają, że są już blisko zrozumienia „wielkich podstawowych zasad” fizyki w całości, a w konsekwencji – zrozumienia wszystkiego. Albert Michelson (2), podczas poświęcenia nowego laboratorium fizyki na uniwersytecie w Chicago w 1894 roku, ogłosił: „Wydaje się prawdopodobne, że większość wielkich podstawowych zasad [fizyki] została mocno ugruntowana”.

2. Albert Michelson.
Fot. pl.wikipedia.org

Wszechświat, zgodnie z tamtym wstępnym obrazem, składał się z cząstek, popychanych przez pola. Idea pól wypełniających przestrzeń pojawiła się jeszcze w XVIII w. Wcześniej Isaac Newton przedstawił przekonującą teorię ruchu i grawitacji, a Pierre-Simon Laplace pokazał, jak można przeformułować tę teorię w kategoriach pola grawitacyjnego rozciągającego się między obiektami we Wszechświecie. Pole to coś, co ma wartość w każdym punkcie przestrzeni, a wartość ta może być liczbą, wektorem lub czymś bardziej skomplikowanym, ale każde pole istnieje w przestrzeni. Gdy fizycy zajęli się elektrycznością i magnetyzmem, zauważyli, że naładowane elektrycznie obiekty wywierają na siebie siły, co naturalnie przypisano istnieniu pola elektrycznego rozciągającego się między nimi. Eksperymenty Michaela Faradaya wykazały, że poruszający się magnes może indukować prąd elektryczny w przewodzie bez dotykania go, co wskazywało na istnienie pola magnetycznego, a James Clerk Maxwell zdołał połączyć te dwa rodzaje pól w jedną teorię elektromagnetyzmu. Był to triumf unifikacji, wyjaśniający różnorodny zestaw zjawisk elektrycznych i magnetycznych w jednej zwartej teorii.

Jedną z implikacji teorii Maxwella było zrozumienie natury światła jako fali rozchodzącej się w polu elektrycznym i magnetycznym, znaną również jako promieniowanie elektromagnetyczne. Myślimy o elektromagnetyzmie jako o „sile” i tak jest, ale Maxwell wskazał, że pola przenoszące siły mogą wibrować, a w przypadku pól elektrycznych i magnetycznych te  wibracje są tym, co postrzegamy jako światło. Od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie i gamma – to rozchodzące się wibracje w polu elektrycznym i magnetycznym. Prawie całe światło, które widzimy, ma swoje źródło w naładowanych cząstkach, które gdzieś się poruszają, czy to w żarniku żarówki, czy na powierzchni Słońca.

Jednocześnie w XIX wieku jasna stawała się rola cząstek. Chemicy, na czele z Johnem Daltonem, byli orędownikami idei, że materia składa się z pojedynczych atomów, z jednym określonym rodzajem atomu związanym z każdym pierwiastkiem chemicznym. Fizycy z czasem zrozumieli, że myślenie o gazach jako zbiorach odbijających się atomów może wyjaśnić takie rzeczy jak temperatura, ciśnienie i entropia. Ale termin „atom”, zapożyczony ze starożytnej greckiej idei niepodzielnej elementarnej jednostki materii, okazał się nieco przedwczesny. Choć są budulcem pierwiastków chemicznych, atomy nie są niepodzielne. Składają się z jądra zbudowanego z protonów i neutronów, otoczonego orbitującymi elektronami. Protony mają dodatni ładunek elektryczny, neutrony mają ładunek zerowy, a elektrony mają ładunek ujemny. Obecnie wiemy, że protony i neutrony składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami, które są wiązane przez gluony, ale na początku XX wieku nie wiedziano o tym.

Obraz atomu rozwijał się stopniowo. Elektrony zostały odkryte w 1897 roku przez brytyjskiego fizyka J.J. Thompsona, który zmierzył ich ładunek i ustalił, że są one znacznie lżejsze od atomów. Kilka lat później Thompson zasugerował model, w którym małe elektrony unosiły się w większej, dodatnio naładowanej objętości. Nazwano to „modelem puddingu śliwkowego”, w którym elektrony odgrywały rolę śliwek. Model puddingu śliwkowego nie utrzymał się długo. Słynny eksperyment przeprowadzony przez Ernesta Rutherforda, Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, polegający na wystrzeleniu cząstek alfa (jąder atomów helu) w cienki arkusz złotej folii podważył ideę puddingu, wykazując, że cząstki alfa odbijają się od czegoś solidnego w środku. W 1911 r. Rutherford poprawnie wyjaśnił wyniki eksperymentu, przyjmując, że ładunek dodatni był skoncentrowany w masywnym jądrze centralnym, a kilka lat później zaproponował istnienie protonów i wysunął teorię o istnieniu neutronów (które zostały ostatecznie odkryte w 1932 roku). Inni fizycy uznawali coraz częściej, że znane zachowanie zbiorów cząstek i fal nie zawsze było zgodne z naszymi klasycznymi oczekiwaniami. Ale jeszcze zanim to wszystko, o czym wyżej, się wydarzyło, William Thomson, lord Kelvin, w wykładzie z 1900 r. wyraźnie ostrzegał przed „chmurami” gromadzącymi się nad fizyką, z których jedna miała zostać ostatecznie rozproszona przez sformułowanie teorii względności, a druga przez teorię mechaniki kwantowej.

Meandry noblowskich decyzji

Od kilku lat w numerze „Młodego Technika” ukazującym się w miesiącu, w którym podejmowane są decyzje Komitetu Noblowskiego (3) próbujemy prognozować, kto dostanie w danym roku nagrodę w dziedzinie fizyki. Udało nam się w ubiegłych latach niejeden raz trafić z naszymi przewidywaniami. Odgadywaliśmy, jeśli nie konkretne nazwiska, to gałęzie fizyki, które zostaną uhonorowane. W 2019 r. słusznie orzekliśmy, że najwyższy czas uhonorować odkrycia egzoplanet, a potem Noble rzeczywiście zostały przyznane Szwajcarom Michelowi Mayorowi i Didierowi Quelozza, którzy w 1995 r. dokonali odkrycia pierwszej egzoplanety, okrążającej gwiazdę podobną do Słońca w naszej Galaktyce. Rok wcześniej trafnie przewidywaliśmy, że wśród nagrodzonych będą kobiety. Wcześniej celnie „strzeliliśmy” z typowaniem fizyków odpowiedzialnych za odkrycia fal grawitacyjnych. Wielokrotnie przez nas typowanym kandydatem do Nagrody Nobla był Anton Zeilinger, fizyk austriacki, specjalizujący się w interferometrii kwantowej. I w 2022 roku prof. Zeiliger w końcu otrzymał Nobla. Nagrodę dostał wraz z innymi wymienianymi przez nas w spekulacjach naukowcami, Amerykaninem Johnem Clauserem, pierwszym eksperymentatorem, który poddał próbie twierdzenie o nierównościach Bella i Francuzem Alainem Aspectem, który w latach osiemdziesiątych XX wieku przeprowadził głośne eksperymenty potwierdzające poprawność twierdzenia Bella, że żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej.

3. Medal Nagrody Nobla.
Fot. stock.adobe.com

Skoro więc wiele razy wymieniani przez nas w gronie kandydatów uczeni w końcu doczekują się Nobla, to wydaje się, że  powtarzanie nazwisk, o których pisaliśmy już raz lub kilka razy, ma sens. A zatem w dziedzinie informatyki kwantowej pisaliśmy już m.in. o Peterze Shorze, twórcy znanego kwantowego algorytmu, Gillesie Brassardzie i Charlesie H. Bennettcie. Wymienialiśmy również już Petera Zollera i Ignacio Ciraca za ich wkład w rozwój schematów przetwarzania informacji kwantowej. Duet ten opublikował w 1995 roku przełomowy artykuł opisujący komputer kwantowy zbudowany przy użyciu zimnych jonów, co potem niejednokrotnie było wdrażane w praktyce. Jednak, ponieważ od ostatniej nagrody w  dziedzinach kwantowych mięły zaledwie dwa lata, nie spodziewamy się tu Nobla w 2024 r. Chyba, że… kto wie?

W ostatniej dekadzie sporo było Nobli w dziedzinie kosmologii i astrofizyki, więc z podobnego powodu, jak powyżej, nie wydaje się prawdopodobne, że w tych dziedzinach w tym roku komuś przypadnie nagroda. Mimo to warto wspomnieć o silnym kandydacie. To Andrei Linde, amerykański fizyk pochodzenia rosyjskiego. Odegrał kluczową rolę w teorii inflacji, która z kolei jest uważana za poprawną teorię warunków początkowych dla naszego modelu kosmologicznego. Głównym powodem, dla którego mógłby jej nie otrzymać oprócz specyficznej „polityki” Komitetu Noblowskiego, jest to, że coś takiego jak inflacja jest trudne do eksperymentalnego potwierdzenia.

Jeśli szwedzkich akademików zainteresuje dziedzina fizyki cząstek elementarnych, to nagroda mogłaby trafić do takich uczonych jak Roberto Peccei i/lub Helen Quinn za ich mechanizm tłumienia elementów naruszających symetrię CP. Mechanizm ten jest powszechnie akceptowany w tej dziedzinie i odgrywa fundamentalną rolę w Modelu Standardowym fizyki. Jednak również w tym przypadku nagroda jest jednak prawdopodobnie uzależniona od tego, czy ktoś zaobserwuje eksperymentalnie cząstkę związaną z mechanizmem Peccei-Quinna, czyli aksjon QCD.

W nowych spekulacjach padają także takie nazwiska jak: Alison Coil, astrofizyk znana z badań nad ciemną materią i formowaniem się galaktyk, John Martinis, pionier obliczeń kwantowych, Maria Spiropulu, fizyk cząstek elementarnych w CERN, odgrywająca wiodącą rolę w eksperymentalnych poszukiwaniach nowych fundamentalnych cząstek i sił, Pan Jianwei, który zademonstrował rekordowe osiągnięcia w dziedzinie teleportacji kwantowej i sieci kwantowych.

Wśród kandydatów można wymienić także m.in. Sankara Das Sarmę, który mógłby zostać nagrodzony za prace nad kondensatami Bosego–Einsteina. Jest współautorem ponad ośmiuset artykułów w czasopismach Amerykańskiego  Towarzystwa Fizycznego, w tym ponad 150 publikacji w renomowanym „Physical Review Letters”. Inny naukowiec wymieniany w prognozach, Paul Ching Wu Chu, jest chińsko-amerykańskim fizykiem specjalizującym się w nadprzewodnictwie, magnetyzmie i dielektrykach. Nobla mógłby dostać za odkrycie nadprzewodników ceramicznych wysokich temperatur. Był jednym z pierwszych badaczy, którzy zademonstrowali nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, jeszcze w 1987 roku. Zwróćmy też uwagę na Daniela Kleppnera, który mógłby dostać Nobla za badania nad zimnymi atomami i optycznymi zegarami atomowymi. Urodzony w 1932 roku, jest emerytowanym profesorem fizyki w Massachusetts Institute of Technology.

Wśród najczęściej wymienianych kandydatów trafiamy na nazwisko Sandry Moore Faber, która oczywiście zasługuje na  nią nie tylko dlatego, że jest kobietą, ale przede wszystkim ze względu na badania nad ewolucją i strukturą Wszechświata, zwłaszcza nad ewolucją galaktyk. Była współodkrywczynią tzw. zależności Faber–Jackson. Faber odegrała również kluczową rolę w projektowaniu wielkich teleskopów Kecka na  Hawajach. Zapamiętać też być może warto nazwisko Nai-Chang Yeh, odkrywczyni nadprzewodnictwa w fulerenach w zakresie wyższych temperatur. Tajwańsko-amerykańska fizyk przyczyniła się też do opracowania szybszej techniki produkcji wysokiej jakości grafenu. Zajmowała się także rozwojem różnych kriogenicznych mikroskopów skaningowych do zastosowań w nanonaukach i technologiach, a także technologiami rezonatorów nadprzewodzących, które zostały zastosowane do badań o wysokiej rozdzielczości nadpłynnych przejść fazowych i kondensacji Bosego–Einsteina w gazie helowym. Wymienialiśmy już w poprzednich latach, spekulując o Noblu, nazwisko kolejnej kobiety, duńskiej uczonej Lene Vestergaard Hau. W 1999 roku jej zespołowi z Harvardu udało się spowolnić wiązkę światła do około siedemnastu metrów na sekundę, przez manipulacje fotonami za pomocą ultrazimnych nadcieczy i kondensatów Bose–Einsteina. Dwa lata później udało im się całkowicie zatrzymać promień światła, a następnie uruchomić go ponownie. W nowszych pracach Hau eksperymentowała z szyfrowaniem i przekazywaniem informacji przy użyciu tych technik, co prowadzi do budowy kwantowych maszyn obliczeniowych.

Wśród typów do Nagrody Nobla wymienianych w ostatnich latach byli również naukowcy rozwijający technologie metamateriałów. Przewijają się takie nazwiska jak John Pendry, który jest autorem pomysłu „czapek niewidek” opartych na efektach tego rodzaju, ale także Xiang Zhang i Ulf Leonhardt. Kolejnym pretendentem w tej dziedzinie jest David Smith. A może Komitet Noblowski przypomni sobie o twórcach i badaczach kryształów fotonicznych, np. Elim Yablonovitchu, Shawn-Yu Linie i Johnie Joannopoulosie? Albo też tym razem docenieni zostaną przedstawiciele dziedzin mniej efektownych, za to należących do najtrudniejszych, jak np. fizyka płynów. Może to być Albert Libchaber, który, pracując z systemem Rayleigh–Bénarda, eksperymentalnie potwierdził przewidywania Mitchella J. Feigenbauma.

Przy wyborze laureatów Komitet Noblowski bierze pod uwagę zarówno znaczenie pracy, jak i jej długoterminowy wpływ. Chociaż wszelkie przewidywania są spekulatywne, ci badacze należą do tych, którzy przesuwają granice fizyki w sposób, który może zostać doceniony Nagrodą Nobla w nadchodzących latach. Zwróćmy też uwagę na odkrycia fizyczne z ostatnich dekad, które nie doczekały się wprost noblowskiego wyróżnienia, czyli na odkrycie plazmy kwarkowo-gluonowej, osiągnięcia w dziedzinie poznawania enigmatycznego neutrin, a także pierwsze obrazy czarnych dziur. 

Mirosław Usidus