1 Bruno Pawlak Gimnazjum nr 54 im. Adama Kazimierza ks

Bruno Pawlak
Gimnazjum nr 54
im. Adama Kazimierza ks. Czartoryskiego
w Warszawie
Konkurs fizyczny ‘’Złoty Kwant’’ 2015
Doktor Mikołaj Lasota jest fizykiem kwantowym, absolwentem Uniwersytetu Mikołaja
Kopernika w Toruniu, pracownikiem naukowym Uniwersytetu Palackiego w Ołomuńcu. W
swojej pracy naukowej zajmuje się teoretyczną analizą bezpieczeństwa kryptografii
kwantowej w sytuacjach realistycznych.
Kontakt z nim nawiązałem drogą e-mailową i w ten właśnie sposób – korespondencyjnie –
przeprowadziłem wywiad, w którym dr Mikołaj Lasota opowiada dlaczego został fizykiem,
mówi o swojej pracy i zainteresowaniach.
Bruno Pawlak: - W jakim wieku zaczął się Pan na poważnie interesować fizyką?
Dr Mikołaj Lasota: - W zasadzie od najmłodszych lat wykazywałem duże zainteresowanie
otaczającym mnie światem, jednakże początkowo moja fascynacja skupiała się przede
wszystkim na astronomii. Obce planety, czarne dziury, czy kolejne etapy życia gwiazd bardzo
mocno działały na moją wyobraźnię. Uwielbiałem czytać popularnonaukowe książki na ich
temat oraz oglądać ich zdjęcia, czy też artystyczne wizje. Mechanika, optyka, czy
termodynamika przez dość długi czas pozostawały dla mnie w cieniu astronomii, zaś o fizyce
kwantowej nie wiedziałem wówczas niczego ponad to, że coś takiego istnieje. Jednakże kiedy
rozpoczynałem swoją naukę w liceum, miałem olbrzymie szczęście trafić na doskonałego
nauczyciela fizyki, dr Macieja Wiśniewskiego, który bardzo szybko pokazał mi, jak bardzo się
myliłem, sądząc, iż wszystko, co najbardziej ekscytujące w fizyce, kryje się w astronomii. To
wówczas na poważnie zainteresowałem się fizyką.
BP: - Czy to już był ten moment, kiedy Pan wiedział, że zawodowo zwiąże się Pan z fizyką?
ML: - Myślę, że nie potrafiłbym podać konkretnego momentu, w którym podjąłem taką
decyzję. Dojrzewała ona we mnie stopniowo. Idąc do liceum byłem przekonany, że w
przyszłości będę chciał studiować matematykę, którą zawsze bardzo lubiłem i której nauka
nigdy nie sprawiała mi trudności. Z biegiem czasu zacząłem jednak czuć, iż matematyka sama
w sobie jest dla mnie nieco zbyt abstrakcyjna i że znacznie ciekawsze wydaje mi się
zastosowanie jej jako narzędzia do opisu otaczającego nas świata w celu lepszego poznania
go i zrozumienia zachodzących w nim zjawisk. A przecież tym właśnie zajmuje się fizyka!
Dlatego też, będąc w drugiej klasie liceum, ostatecznie doszedłem do wniosku, iż chcę
związać moją zawodową przyszłość właśnie z fizyką.
BP: - A dlaczego wybrał Pan fizykę kwantową? Dla wielu osób niezwiązanych z fizyką ten
kierunek wydaje się szczególnie trudny, niewymierny, wykraczający poza granice ludzkiej
wyobraźni. Czy tak jest w rzeczywistości?
ML: - Owszem, z pewnością nie można powiedzieć, iż fizyka kwantowa jest dziedziną nauki
łatwą do zrozumienia i opanowania. Trudność wynika tutaj przede wszystkim z faktu, iż
fundamentalne założenia tej teorii nie są do końca zgodne z naszą intuicją, opartą na
1
doświadczeniach, jakie każdy z nas nabywa w czasie swojego życia, obserwując otaczający
świat. Z doświadczeń tych wynika na przykład, że każdy przedmiot materialny znajduje się w
dobrze określonym miejscu i to niezależnie od tego, czy na niego patrzymy, czy też nie.
Przecież kubek z herbatą, który postawiliśmy na biurku nie zniknie nagle, kiedy odwrócimy
wzrok i przestaniemy skupiać na nim swą uwagę. Tymczasem fizyka kwantowa mówi nam, że
w mikroświecie nie da się precyzyjnie określić położenia obiektów takich jak pojedyncze
atomy, czy fotony bez wykonywania odpowiednich pomiarów. I nie chodzi tutaj o to, że taki
obiekt jest gdzieś w konkretnym miejscu, tylko my nie wiemy gdzie. Dopóki nie wykonamy
pomiaru, nie ma żadnego konkretnego miejsca, w którym on się znajduje.
Podstawową trudnością związaną ze zrozumieniem teorii kwantowej jest zatem konieczność
odrzucenia sposobu myślenia, który wydaje nam się logiczny i naturalny. Dlaczego zatem ja
sam zainteresowałem się fizyką kwantową? Dlatego, że uważam ją za najbardziej fascynującą
dziedzinę fizyki, która ze względu na swoją nieintuicyjność, kryje w sobie ogrom tajemnic,
których odkrywanie może być naprawdę ekscytujące. Jeśli miałbym wskazać, która z dziedzin
fizyki, czy w ogóle nauki najbardziej kojarzy mi się z magią, bez wahania postawiłbym właśnie
na fizykę kwantową. A fakt, że korzystając z matematyki oraz odrobiny wyobraźni da się ją
zrozumieć i wyjaśnić rządzące nią mechanizmy sprawia moim zdaniem, iż jest ona znacznie
ciekawsza, niż niemożliwa do wytłumaczenia magia rodem z książek fantasy.
BP: - Mówi Pan, że założenia fizyki kwantowej przeczą doświadczeniom, jakie zdobywamy w
codziennym życiu, obserwując otaczający nas świat. Skoro tak jest, to skąd możemy
wiedzieć, że teoria ta jest prawidłowa? A nawet jeśli tak jest, to czy jej badanie niesie za sobą
jakieś wymierne korzyści dla ludzi niezajmujących się zawodowo fizyką?
ML: - Wątpliwości co do poprawności teorii kwantowej i przede wszystkim interpretacji jej
wyników wyrażali od momentu jej powstania nie tylko zwykli ludzie, ale również słynni
fizycy. Albert Einstein chociażby nie potrafił zaakceptować tego, iż wedle tej teorii nie jest
możliwe jednoczesne posiadanie wiedzy o niektórych parach wielkości fizycznych. Jeśli
wiemy na przykład, gdzie dokładnie znajduje się dana cząstka, to fizyka kwantowa mówi
nam, iż nie możemy jednocześnie posiadał jakiejkolwiek wiedzy o jej pędzie i vice versa.
Dlatego też Einstein do końca swego życia uważał teorię kwantową za niekompletną.
Niemniej jednak obecnie panuje powszechne przekonanie, iż jest ona zarówno prawidłowa,
jak i kompletna. Wynika ono z faktu, iż na przestrzeni prawie stu lat, które minęły od jej
sformułowania, poprawność tej teorii dowiedziona została w niezliczonych eksperymentach i
jednocześnie nigdy nie przeprowadzono doświadczenia, którego wyniki stałyby w
sprzeczności z jej przewidywaniami lub nie dałyby się w ramach tej teorii opisać. Co więcej,
dzięki fizyce kwantowej odkryto wiele nieznanych wcześniej zjawisk, co doprowadziło z kolei
do pojawienia się niezliczonej ilości wynalazków, bez których trudno byłoby nam wyobrazić
sobie życie w dzisiejszych czasach. Doskonałym przykładem są tutaj chociażby lasery,
wykorzystywane przez olbrzymią ilość używanego przez nas na codzień sprzętu
elektronicznego.
BP: - Widziałem Pana pracę doktorską - oczywiście nie mogę powiedzieć, żebym wiele z niej
zrozumiał, ale zaciekawił mnie techniczny aspekt tworzenia takich prac. Czy może nam Pan
przybliżyć narzędzia, z jakich korzysta się przy tworzeniu prac zawierających tyle
skomplikowanych wzorów i wykresów?
2
ML: - Jako naukowiec zajmujący się w głównej mierze pracą teoretyczną, korzystam przede
wszystkim z programu Mathematica firmy Wolfram Research. Program ten pozwala na
wykonywanie olbrzymiej ilości rozmaitych obliczeń matematycznych, a także umożliwia
tworzenie wykresów. Dodatkowo do obróbki wykresów w czasie tworzenia mojej pracy
doktorskiej korzystałem z programu graficznego CorelDRAW. Jeśli natomiast chodzi o samo
pisanie tekstów naukowych, to da się to zrobić posługując się zwykłym edytorem tekstu w
rodzaju Microsoft Word, jednak znacznie wygodniejszym sposobem, zwłaszcza w sytuacji,
kiedy w danym tekście występuje dużo skomplikowanych wzorów matematycznych, jest
użycie specjalnego oprogramowania o nazwie LaTeX, służącego do formatowania
dokumentów tekstowych. To właśnie przy pomocy LaTeX-a napisałem moją pracę doktorską.
BP: - Czy może nam Pan powiedzieć gdzie i nad czym teraz pracuje Pan naukowo?
ML: - Po zakończeniu przeze mnie studiów doktoranckich, co miało miejsce w grudniu 2014
roku, wyjechałem na staż podoktorski do Ołomuńca, niezbyt dużego miasta znajdującego się
w Czechach. Zajmuję się tam teoretyczną analizą bezpieczeństwa kryptografii kwantowej w
sytuacjach realistycznych. Kryptografia kwantowa, czyli nauka zajmująca się szyfrowaniem
wiadomości przy wykorzystaniu fizyki kwantowej, może nam teoretycznie zapewnić
bezwarunkowe bezpieczeństwo wymiany informacji na dowolnych odległościach, co nie jest
możliwe w przypadku kryptografii klasycznej. Niestety takie bezwarunkowe bezpieczeństwo
możliwe jest jedynie wówczas, gdy założymy, iż dysponujemy idealnym sprzętem,
niezbędnym do realizacji danego schematu szyfrowania, składającego się w najprostszym
przypadku ze źródła pojedynczych fotonów, systemu ich detekcji oraz światłowodu, za
pomocą którego są one transmitowane z jednego miejsca na drugie. Tymczasem w
rzeczywistości źródła pojedynczych fotonów czasem emitują impulsy wielofotonowe, ich
detektory mają ograniczoną wydajność i dodatkowo pojawiają sie w nich błędy, zaś część
fotonów transmitowanych poprzez światłowód zostaje utracona. Wszystkie te
niedoskonałości sprzętowe znacznie ograniczają bezpieczeństwo kryptografii kwantowej i
dlatego jego analiza w sytuacjach realistycznych jest bardzo istotna.
BP: - Co ciekawego dzieje się w mikroświecie? Wszystkie cząstki elementarne zostały już
odkryte, czy w ostatnim roku w Pana dziedzinie nastąpiło jakieś wydarzenie naukowe, które
przyprawiło Pana o żywsze bicie serca?
ML: - Kwantowa teoria informacji, do której należy między innymi kryptografia kwantowa
jest dość specyficzną dziedziną fizyki kwantowej. Już w początkach jej rozwoju, w latach 80. i
90. poprzedniego stulecia, zaproponowanych zostało mnóstwo ekscytujących, rewolucyjnych
schematów (tzw. protokołów), mogących znacząco usprawnić przesyłanie, czy też
przetwarzanie informacji. Niestety realizacja eksperymentalna większości z tych pomysłów
okazała się być bardzo trudna ze względu na niedoskonałość niezbędnego do tego celu
sprzętu. Dlatego też w ostatnich latach głównym zainteresowaniem większości fizyków
zajmujących się kwantową teorią informacji, stało się poszukiwanie sposobów na
usprawnienie istniejącego sprzętu oraz protokołów kwantowych w celu zwiększenia szans
ich realizacji. Cel ten realizowany jest stopniowo i trudno tutaj mówić o jakichś
rewolucyjnych odkryciach dokonanych w ostatnim czasie. Niemniej jednak ciągły postęp
dokonywany w tej dziedzinie daje nadzieję na to, iż wiele spośród zaproponowanych przed
dwudziestoma, czy trzydziestoma laty pomysłów zostanie prędzej, czy później
3
zrealizowanych w sposób pozwalający na ich komercyjne wykorzystanie. Zdecydowanie
najbardziej ekscytująca wydaje się tutaj możliwość budowy komputera kwantowego, który
stanowiłby olbrzymi skok jakościowy w dziedzinie szybkości przetwarzania informacji. Jego
pojawienie się na rynku niewątpliwie wywołałoby wielką rewolucję informatyczną.
BP: - Wielu, zwłaszcza młodym osobom może się wydawać, że fizyk kwantowy, to
naukowiec, który nie widzi świata poza wnętrzem atomu. Czy może Pan obalić ten mit i
przybliżyć nam swoje pasje dotyczące makroświata?
ML: - Choć oczywiście zdarzają się naukowcy, dla których cały świat kręci się tylko wokół
fizyki, ja oraz większość moich kolegów jesteśmy zupełnie normalnymi ludźmi, którzy po
skończonej pracy oddają się rozrywce, która z fizyką nie ma nic wspólnego. Osobiście
uwielbiam czytać literaturę fantasy i słuchać muzyki metalowej. Jestem również wielkim
fanem sportu i często oglądam w telewizji najważniejsze mecze piłkarskie, wyścigi kolarskie,
czy Formułę 1.
Lubię również oglądać sporty zimowe oraz rozgrywki snookera. Od czasu do czasu zdarza mi
się także pograć w gry komputerowe. W porze wiosenno-letniej nie gardzę również
aktywnymi formami wypoczynku. Uwielbiam przede wszystkim jeździć na rowerze oraz
chodzić po górach. Jestem ponadto zapalonym turystą i muszę tutaj zaznaczyć, iż bycie
naukowcem bardzo pomaga mi w rozwijaniu tej pasji. Dzięki licznym wyjazdom na
konferencje naukowe udało mi się zobaczyć wiele pięknych miejsc, a zdecydowanie
największe wrażenie wywarł na mnie bezdyskusyjnie Wodospad Niagara.
BP: - Fizyk kwantowy słuchający muzyki metalowej – to na pewno jest duże zaskoczenie dla
wielu gimnazjalistów czytających ten wywiad. Czy może nam Pan w takim razie powiedzieć
jakie albumy spośród tych, które ukazały się w 2014 roku by Pan wyróżnił? Może młodzi fani
ciężkiego brzmienia będą chcieli poszukać inspiracji w Pana zainteresowaniach?
ML: - Z ubiegłorocznych albumów najwyżej cenię sobie:
Lacuna Coil - "Broken Crown Halo"
Within Temptation - "Hydra"
Epica - "The Quantum Enigma"
Ale ten rok jest lepszy, niż zeszły i obecnie rozkoszuję się na przemian albumami "Extinct"
grupy Moonspell i "Endless Forms Most Beautiful" Nightwisha. Oba zespoły należą do moich
absolutnie ulubionych, obok Anathemy.
BP: - No to fanom muzyki nie pozostaje nic innego jak uruchomić Deezera, Spotify czy
Wimpa i sprawdzić jaka to muzyka napędza Wielki Zderzacz Hadronów, od czego rozpadają
się jądra atomów a elektrony przechodzą w wyższe stany energetyczne.
A skoro jesteśmy przy lżejszych gatunkowo tematach, moje ostatnie pytanie również tylko
pośrednio będzie dotyczyło fizyki.
Wiem, że Pana tata od młodych lat jest wielkim fanem literatury science-fiction. Czy Pana,
jako naukowca nie drażnią albo nie śmieszą wszystkie niekonsekwencje naukowe, które są
esencją tej literatury, jak podróże w czasie, przenoszenie się w przestrzeni, podróże z
prędkością podświetlną i nadświetlną, portale międzygalaktyczne, wykasowywanie ludziom
4
wspomnień i programowanie nowych itp. Jednym słowem czy wiedza nie zabija przyjemności
czytania np. Philipa K. Dicka… ?
ML: - Moim zdaniem wszystko zależy od nastawienia, z jakim podchodzi się do danej książki
lub filmu. Jeżeli ktoś szuka w nich twardego realizmu i wizji świata doskonale zgodnej z naszą
obecną wiedzą naukową, to rzeczywiście trudno jest znaleźć pozycje, które mogłyby go
zadowolić. Dla mnie jednak o wiele ważniejsze jest to, aby autor danej książki umiał
wykreować swój świat w sposób spójny i konsekwentny oraz użyć go w interesujący sposób,
który pobudzi moją wyobraźnię i skłoni do myślenia. Dobrym przykładem są tutaj chociażby
książki autorstwa Brandona Sandersona, w których zawsze obecny jest jakiś rodzaj magii, ale
stworzone przez niego systemy magiczne są dobrze dopracowane. Mają one jasne,
przejrzyste zasady i zawierają wiele ograniczeń, dzięki czemu ludzie posługujący się magią nie
są wszechmocni. Z kolei motyw podróży w czasie jest jednym z moich ulubionych motywów
literackich, czy filmowych, gdyż hipotetyczna możliwość wykonania takiej podróży pociąga za
sobą powstanie licznych paradoksów i rodzi wiele pytań dotyczących możliwych
konsekwencji takich podróży.
Istnieje jednak również druga strona medalu, bowiem zakładanie z góry, że coś jest na
pewno niemożliwe do wykonania w prawdziwym świecie i należy traktować to jako czystą
fantazję, może się okazać błędnym podejściem. Bardzo dobrym przykładem jest tutaj
problem teleportacji. Jest ona oczywiście niemożliwa w stosunku do obiektów
makroskopowych, ale okazuje się, że w mikroświecie można wykonać tzw. teleportację
kwantową. W uproszczeniu polega ona na tym, iż stan, w którym znajduje się pewna cząstka
jest niszczony i jednocześnie ten sam stan nadawany jest innej cząstce, znajdującej się w
pewnej odległości od niej. Można sobie wyobrażać, iż gdyby w ten sposób można było
"teleportować" człowieka, to polegałoby to na tym, iż w punkcie startowym materia
tworząca go byłaby rozpraszana, zaś w punkcie docelowym ze znajdującej się tam materii
tworzona byłaby jego idealna kopia. Nie mamy tutaj zatem do czynienia z błyskawicznym
transportem materii z jednego miejsca na drugie, który jest zwykle kojarzony z teleportacją
w formie znanej nam wszystkim z filmów s-f, jednak efekt finałowy jest podobny. Dlatego
przestrzegałbym przed przyjmowaniem w góry, że pewne zjawiska, czy procesy są czystym
wytworem wyobraźni i nie mogą zachodzić w rzeczywistości. Czasem bowiem rzeczywistość
może okazać się znacznie bardziej ekscytująca, niż nam się początkowo wydaje.
BP: - To fascynujące! Może za kilka pokoleń dzięki pracy fizyków kwantowych i innych
naukowców teleportacja stanie się możliwa, tak jak teraz skanowanie obiektów
trójwymiarowych i wydruk 3D, który jeszcze 20 lat mógł się wydawać czystą fantazją. Zatem
przed fizyką wielka, żeby nie powiedzieć „fantastyczna” przyszłość.
Bardzo dziękuję Panu za udzielenie wywiadu.
Artykuł został opublikowany na stronie internetowej szkoły: http://gimnazjum54.waw.pl
5