przeczytaj wywiad

VIII Ogólnopolski Konkurs Fizyczny „Poszukiwanie talentów”
Milena Szmudzińska, uczennica klasy II d naszego LO przygotowuje się do udziału w Konkursie Fizycznym
„Poszukiwanie talentów”. W ramach przygotowań przeprowadziła wywiad z fizykiem doświadczalnym, prof. dr
hab. Jackiem Kołodziejem.
Milena Szmudzińska, XIII LO: Jest Pan absolwentem fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim, czy był to świadomy
wybór, kwestia przypadku, czy też realizacja pasji?
Prof. dr hab. Jacek Kołodziej: W moim przypadku, to nie jest rezultat jednego wyboru. Pierwszy wybór to kierunek
studiów, przyznam że był to częściowo wybór „losowy”, a częściowo świadomy. Początkowo nie mogłem się
zdecydować, wybierałem między astronomią, fizyką a matematyką. Ostatecznie „wylosowałem” sobie fizykę. No
a potem, były lata studiów, doktorat, lata badań. Od zawsze pasjonowały mnie badania, studia nad właściwościami
układów, nad prawami fizyki, dlatego chciałem zostać na uczelni. Ja jestem fizykiem doświadczalnym. To jest moja
pasja, lubię to, co robię. To nie jest łatwa droga, żeby przejść przez to wszystko, rzeczywiście trzeba to lubić i być
pasjonatem, tak mi się wydaje.
M.Sz.: Adiunkt, doktor habilitowany, profesor - to wspaniała kariera. Czy zawsze było tak prosto i gładko?
J.K.: Przyznam się, że ja nie lubię słowa kariera. W moim przypadku awanse w nauce wynikały w naturalny sposób
z mojej działalności naukowej. Ja prowadziłem badania naukowe, natomiast stopnie, tytuły przychodziły we
właściwym czasie, nie starałem się o nie. W określonym czasie należało złożyć opis swoich osiągnięć i to przeszło
dosyć gładko. Bez komplikacji.
M.Sz.: Jakie warunki musi spełnić kandydat, by znaleźć zatrudnienie w tak elitarnym miejscu jakim jest narodowe
centrum promieniowania synchrotronowego.
J.K.: Musi coś umieć, prawda? (śmiech) Posiadać umiejętności, wiedzę, która tam jest potrzebna. Tą wiedzę zdobywa
się latami, umiejętności. Pracownik musi być dobrym fachowcem, wówczas będzie przydatny w takim miejscu jak
Instytut Fizyki, czy Centrum Promieniowania Synchrotronowego.
M.Sz.: Jakie możliwości dla fizyków stwarza praca doświadczenia przy synchrotronie? Jakie nowe dziedziny
naukowe mogą się dzięki temu rozwijać?
J.K.: Synchrotron to jest narzędzie badawcze niezwykle uniwersalne. Pozwala badać właściwości materiałów,
problemy z zakresu fizyki, chemii, biologii. Także te możliwości są naprawdę ogromne. Gorącym tematem badań są
struktury białek, które z wykorzystaniem promienia synchrotronowego można w tej chwili badać. Także dzięki takim
badaniom poznaliśmy szczegółową strukturę maszyn molekularnych takich jak pompa potasowa, czy wirusy.
Dokładnie znamy budowę niektórych wirusów, znamy budowę białek. Są nieograniczone niemal możliwości
w zakresie fizyki, chemii, nawet geologii. Można również badać na przykład dzieła sztuki. Nie niszcząc warstwy
wierzchniej, można odczytać co jest namalowane pod spodem.
M.Sz.: Jaka przyszłość rysuje się w chwili obecnej przed nanotechnologią?
J.K.: Najtrudniej jest przewidzieć przyszłość. Także ja nie potrafię odpowiedzieć na to pytanie. Czy będzie pożytek
z nanotechnologii, rozumianej jako rewolucja technologiczna? Czyli nowe technologie, które są kompletnie odmienne
od tego, do czego przywykliśmy. Ale teraz, co to znaczy nanotechnologia? Nanotechnologia to pewna filozofia.
Można powiedzieć, że głównie oparta o samoorganizację. To znaczy, że bardzo wiele elementów tworzy pewne
korelacje, czy też uporządkowane układy na zasadzie samoorganizacji.
M.Sz.: Rozmawialiśmy teraz o rzeczach ogólnych, natomiast w tym momencie chciałabym zapytać pana profesora
o konkrety. Moje pytanie dotyczy dyfrakcji fal elektromagnetycznych na przeszkodach w kontekście zasady
nieoznaczoności oraz zasady zachowania energii. Załóżmy, że na drodze fotonu leży przeszkoda, ma on
pięćdziesięcioprocentowe prawdopodobieństwo przejścia prawą i takie same lewą stroną. Którą drogę wybierze foton
w takiej sytuacji?
J.K.: Przecież foton nie może wybrać drogi, ponieważ foton nie decyduje którędy przejdzie. Przejdzie jedną i drugą
drogą, tzn. właśnie przez tą nieoznaczoność, przez swą kwantowość, on jest wszędzie. Tak możemy to rozumieć, ale to
jest tylko nasza interpretacja. Jeżeli chodzi o cząstki kwantowe, my możemy na przykład zmierzyć ich pozycje, ale jak
je zmierzymy, to niestety pomiar powoduje, że znika jego nieoznaczoność, w związku z czym my nigdy nie możemy
zobaczyć jak foton przechodzi obydwiema drogami. My możemy powiedzieć, jeżeli postawimy detektor: „my go
wykryliśmy tutaj”. Foton np. przez jonizację odda w tym miejscu swoją energię, czyli zlokalizuje się. Ale to nam nie
mówi którą drogą on przeszedł. Dlatego powstają obrazy dyfrakcyjne dla pojedynczych fotonów. Przeszkoda to jest
tak jak szczelina, z punktu widzenia dyfrakcji. Obrazy dyfrakcyjne, szczeliny czy też przeszkody, mają
charakterystyczne główne maksima i minima. Mówimy, że to jest fala, dla fali możemy napisać równania i pokazać,
że rzeczywiście fala, która podlega dyfrakcji na szczelinie, utworzy nam na ekranie taki obraz natężenia.
Ale teraz możemy zmniejszać natężenie tego światła, które pada na szczeliny, wiemy ile czasu potrzeba, żeby foton ze
źródła przeszedł na ekran. Teraz możemy tak zmniejszyć, żeby było wiadomo, że w danym czasie jest tylko jeden
foton. To nie jest tak, że jest jeden foton i drugi foton i one przejdą równocześnie, później interferują na ekranie, nie.
Jest tylko jeden foton. Utworzy on obraz interferencyjny, to znaczy, że foton jak gdyby przechodząc przez tę
przestrzeń jest wszędzie, tak jak fala. Nie przechodzi tylko lewą stroną, nie przechodzi tylko prawą stroną. Natomiast
na ekranie my go mierzymy w określonym miejscu, i tam powstaje obraz dyfrakcyjny dla pojedynczego fotonu, który
„wybiera” obydwie drogi.
M.Sz.: To foton w takiej sytuacji jest bardziej falą czy cząstką?
J.K.: Jako że jest to dyfrakcja, to w tym momencie bardziej obserwujemy jego naturę falową, ale jeżeli tak postawimy
ekran i dostajemy kropkę, w miejscu w którym ten foton został zlokalizowany, to wtedy jest cząstką.
M.Sz.: A jak to się ma do zasady zachowania energii? Czy zostaje tam wytworzona dodatkowa energia?
J.K.: Energii nie da się wytworzyć. Można ją przekształcać, z jednej formy w drugą. Natomiast, w kontekście takiego
procesu, gdy mamy jeden foton, to on nie ma gdzie swojej energii oddać. Muszą być inne cząstki, żeby on oddał swoją
energię, przekazał jakiejś innej cząstce, na przykład elektronowi. W tym sensie to znaczy, że nie zmieni swojej
częstotliwości, nie zmieni swojego koloru, energia jest zachowana, jak w trakcje trwania takiego procesu propagacji.
Jeżeli nie będzie innych cząstek, to on pozostaje w tej samej barwie, częstotliwości.
M.Sz.: Jeśli ten foton przechodzi , podlega dyfrakcji, jeśli jeszcze jest w tej postaci cząstki to ta energia…
J.K.: Nie jest w postaci cząstki, on cały czas ma dualną naturę, tylko my możemy obserwować jego naturę falową lub
naturę korpuskularną, on równocześnie jest jednym i drugim, cały czas.
M.Sz.: Ale jeśli foton nie zachowuje się jak fala, jeśli ta energia jest tam gdzieś w jednym miejscu, a później podlega
dyfrakcji, jak ta energia jest wtedy rozłożona? Ona dalej jest taka sama?
J.K.: W układzie zamkniętym energia jest zachowana, czyli układ który zawiera ten foton ma określoną energię. A ten
układ, ta przestrzeń z tą przegrodą i tym fotonem, to wszystko razem ma stałą energię, to się nie zmienia. Tyle
możemy powiedzieć. Możemy napisać równania, bo to jest zaburzenie pola elektromagnetycznego. Dla fali jesteśmy
w stanie napisać jaki jest rozkład przestrzenny energii. Ile jej jest, w jakim miejscu przestrzeni. Natomiast dla fotonu,
ze względu na tę nieoznaczoność, jest to trudne, nie ma dobrej odpowiedzi na to pytanie. Ta energia jest rozproszona,
ale na zasadzie prawdopodobieństwa, bardziej niż rzeczywistego rozkładu przestrzennego. Wydaje mi się, że tak to
należy rozumieć.
M.Sz.: A kiedy zmieni się w falę załóżmy za szczeliną i widać interferencję i prążki, co decyduje o tym, który elektron
w tej tarczy przez który elektron zostanie wchłonięty?
J.K.: Przypadek.
M.Sz.: Przypadek?
J.K.: Przypadek. Fizyka kwantowa i fizyka statystyczna są bardzo sobie bliskie, to znaczy dają się opisywać
przez prawdopodobieństwa.
M.Sz.: Czyli tam gdzie pada, ma jakaś szansę, że zostanie wchłonięty?
J.K.: Tak, ten obraz dyfrakcyjny pani zobaczy, jeżeli pani bardzo wiele razy powtórzy eksperyment z jednym
fotonem. Czyli pozwalamy fotonowi, żeby przeszedł na ten ekran, za przeszkodę. No i jeden foton zarejestrujemy,
jeżeli mamy detektor pozycyjny, jako jedną kropkę w określonym miejscu, bo ta energia się tam zlokalizuje. I nie
wiem czy to będzie reakcja fotochemiczna na kliszy, czy coś takiego. W tym miejscu będzie miała pani kropkę,
zaczernienie kliszy. Żeby zobaczyć obraz dyfrakcyjny, musi pani zarejestrować bardzo wiele fotonów, które dadzą
pani pewien uśredniony obraz. Już nie będzie kropek, tylko będzie wiele kropek, a wiele kropek złoży się na pewien
obraz, na pewien układ prążków w takim przypadku. W przypadku szczeliny, również mówi Pani
o prawdopodobieństwie - może pani te kropki policzyć, bo gdy liczby są bardzo duże, wtedy prawdopodobieństwo
przybliża się przez liczbę zdarzeń.
M.Sz.: A w kontekście energii? Czy sądzi pan, że w przyszłości będziemy w stanie produkować energię z procesu
zimnej fuzji?
J.K.: No cóż, z tą przyszłością to już mówiłem, że trudno jest ją przewidywać. Zimna fuzja nie ma dobrych konotacji,
bo to była taka awantura dwadzieścia kilka lat temu. To nie było oszustwo naukowe, tylko - ja bym powiedział - zbytni
optymizm tych ludzi, którym się wydawało, że przeprowadzili reakcję termojądrową we właśnie takich warunkach.
Normalnie te reakcje zachodzą w bardzo wysokich temperaturach, żeby na przykład połączyć dwa jądra deuteru
w jądro helu, potrzeba pokonać oddziaływania elektrostatyczne na bardzo małych odległościach. Potrzeba bardzo
wysokich energii. I teraz pytanie, czy można to zrobić w wersji zimnej. To znaczy jakoś zbliżyć do siebie te jądra, ale
żeby nie potrzeba było tych bardzo wysokich temperatur. Może ktoś coś wymyśli, kiedyś. Były różne efekty… ale już
może nie będę o tym mówił. Na razie nie wiadomo. (śmiech)
M.Sz.: Rozumiem, a jakie zajęcia specjalistyczne mogą wybrać studenci nanotechnologii na Uniwersytecie
Jagiellońskim? Czego dotyczy ta praca doświadczalna i które zajęcia są najbardziej interesujące?
J.K.: Zajęcia specjalistyczne są głównie na końcowych latach, ale nie tylko. Państwo pytacie o doświadczalne zajęcia,
wiec jest kilka pracowni w trakcie trwania studiów pierwszego i drugiego stopnia. Pierwsza pracownia fizyczna,
pracownia badań materiałów, pracownie chemiczne. To jest zaletą naszych studiów, że tych pracowni jest dużo. Bo
państwo pytacie o studentów nanotechnologii. My mamy kierunek, który się nazywa „zaawansowane materiały
i nanotechnologia”. I wydaje mi się, że siłą tego kierunku są właśnie te pracownie doświadczalne. Także, jeżeli
przyjdziecie na ten kierunek studiów, to poznacie badania fizyczne, ale również w zakresie chemii i badań
materiałowych w warunkach laboratoryjnych, nie tylko w formie wykładu na tablicy tak,
że ktoś wam o czymś opowie, ale sami dostaniecie zadanie. Trzeba samemu te problemy rozwiązywać. Czego dotyczy
praca doświadczalna? Zwłaszcza na drugim stopniu studiów, kiedy studenci realizują prace magisterskie, ale również
dotyczy to poziomu pierwszego, czyli studiów licencjackich, kiedy realizują te prace w grupach badawczych i tutaj
wachlarz zagadnień, które się pojawiają, jest dosyć duży. No bo to może być albo coś bliskiego fizyce, albo badaniom
materiałowym, albo coś bliższego chemii, a więc synteza nanocząstek w roztworach, to będą takie metody chemiczne.
Albo jakieś metody, które bazują na próżni. Nakładanie warstw w próżni, badanie ich właściwości fizycznych.
Również jest specjalizacja biomateriały, no więc bardziej w stronę metod biologii. Podpatrujemy naturę i prowadzimy
badania, czy potrafilibyśmy zrobić coś podobnego. Nie chodzi o to, żeby powtórzyć dokładnie to, czyli stworzyć
sztuczny organizm i chwalić się, że coś ożywiliśmy, prawda? Zrobiliśmy Frankensteina. (śmiech) Raczej, żeby się
uczyć. Bo samoloty, wracam tu ciągle do tego przykładu, one nie są ptakami. Poza tym,
że co my podpatrzyliśmy u ptaków? Aerodynamikę, kształt skrzydła. Wiele się nie różnią te skrzydła samolotów
i ptaków. Jak zaczniecie je badać, to okazuje się, że są bardzo podobne. Mają podobne profile. Także można
podpatrywać naturę. Oczywiście tutaj pojawiają się już zagadnienia etyczne. Co wolno, a czego nie wolno. Na pewno
państwo czytaliście na ten temat w prasie. Ale to są już szczegółowe zagadnienia.
M.Sz.: Bardzo dziękuję panu profesorowi za udzielenie interesującego wywiadu oraz wspaniały wykład z różnych
zagadnień fizycznych.
Profesor dr hab. Jacek Kołodziej jest Kierownikiem Zakładu Promieniowania Synchrotronowego
w Instytucie Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
Uniwersytetu Jagiellońskiego (WFAiS UJ) w Krakowie. Pełni również funkcję kierownika studiów Zaawansowane
materiały i nanotechnologia na WFAiS. Uczestniczy w budowie Narodowego Centrum Promieniowania
Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie jako koordynator linii badawczej UARPES (Ultra angle - resolved
photoemission spectroscopy). Poza WFAiS UJ prowadził również badania m. in. w Brookhaven Labs i Rutgers
University w Stanach Zjednoczonych, w ośrodkach synchrotronowych w Hamburgu, Trieście i Paryżu.