W fizyce kwantowej nie ma szczypty magii ani mistycyzmu
Obroniła Pani doktorat, którego tematem były pojedyncze źródła fotonów w heksagonalnym azotku boru. Wokół jakich zagadnień pracuje Pani obecnie?
W Instytucie Fizyki Teoretycznej i Astronomii Uniwersytetu Wileńskiego, w grupie naukowej pod kierownictwem prof. Gediminasa Juzieliūnasa, pracuję nad zjawiskiem ultrazimnych atomów w dziedzinie fizyki kwantowej. Atomy te są otrzymywane i kontrolowane w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Wraz z grupą opisujemy ten system matematycznie na papierze, dokonujemy obliczeń na superkomputerze i próbujemy wyjaśnić, jak można praktycznie manipulować siłą oddziaływań międzyatomowych. Te bardzo zimne cząstki mają wiele zastosowań, na przykład można je wykorzystać jako elementy składowe komputerów kwantowych i bardzo precyzyjnych zegarów.
Co więcej, od marca jestem doradcą w konsorcjum CERN na Litwie.
Z kolei dzisiaj członkowie zarządu Stowarzyszenia Fizyków Litwy drogą głosowania wybrali mnie na stanowisko wiceprezydenta organizacji. Chciałabym wykorzystać to stanowisko w dobry sposób.
Ważną część mojego życia stanowią studenci, nowe pokolenie, które przejmuje moje doświadczenie i tworzy coś nowego. Może właśnie dlatego tak bardzo angażuję się w popularyzowanie fizyki i upatruję w tym sens – mówi dr Marzena Mackojć-Sinkevičienė | Fot. archiwum prywatne Marzeny Mackojć-Sinkevičienė
Gratulacje! Rozmawiamy w Światowym Dniu Kwantowym (World Quantum Day, 14 kwietnia). Co Panią fascynuje w fizyce kwantowej?
Fizyka kwantowa dostarcza wielu odpowiedzi na różne pytania: dlaczego niebo jest niebieskie, co powoduje zorzę polarną, jak działa wiele skomplikowanych urządzeń. Choć na pierwszy rzut oka może się wydawać, że w fizyce kwantowej jest sporo magii i mistycyzmu, to tak naprawdę opisuje ona oddziaływanie różnych sił w naturze. Fizyka kwantowa bada zjawiska na poziomie indywidualnych atomów i umożliwia działanie wielu urządzeń, takich jak: lasery, czujniki, tranzystory, GPS. W dzisiejszych czasach każdy z nas posiada telefon komórkowy lub komputer, w którym znajdują się miliardy tranzystorów. Fizyka kwantowa dostarcza odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób wiązki fotonów wytwarzają prąd w słonecznych kolektorach. Można ją porównać do encyklopedii, która odpowiada na każde pytanie na poziomie najmniejszej podstawowej cząsteczki. Każdy z nas jest jak maszyna kwantowa, poruszająca się w rytmie melodii dyrygenta.
Dyrygenta? Czy fizyka kwantowa nie wchodzi przypadkiem w obszar metafizyki? Czy badania, które Pani prowadzi, mogą dać odpowiedź na pytanie o istnienie Absolutu, który „dyryguje” tym światem?
Dzisiaj, po prawie 100 latach rozwoju mechaniki kwantowej, wiemy, że wszystko, co uważamy za metafizyczne, w rzeczywistości jest fizyką – cały nasz Wszechświat wraz z nami. Choć powiedziałam, że fizyka kwantowa daje odpowiedzi na wiele pytań, to jednak wciąż istnieją pytania, na które brakuje odpowiedzi. Fizyka kwantowa to skomplikowany aparat matematyczny. Problem polega na tym, że nawet po zapoznaniu się z tym aparatem pojawia się poważny problem z wyobrażeniem go sobie w działaniu. Obecnie jednym z najpilniejszych zadań w fizyce jest zasypanie przepaści pomiędzy ogólną teorią względności Einsteina i mechaniką kwantową. Dlatego ciągle trwają poszukiwania grawitonu – detekcja fal grawitacyjnych w 2015 r. była pierwszym krokiem w kierunku jego odnalezienia. Poszukuje się też nowych silników do misji kosmicznych, odpowiedzi na pytanie, czy jesteśmy sami we Wszechświecie, jak również innych form życia. Przed nami okres wielkich zmian i odkryć – rewolucji i teleportacji kwantowych, rozwoju nadprzewodnictwa itd.
Na zdjęciu: małżeństwo Marzeny i Jurgisa Sinkevičiusów żyje fizyką i wspólnie odnosi sukcesy, fot. archiwum prywatne Marzeny Mackojć-Sinkevičienė
Nad czym Pani skupia się obecnie?
W swojej pracy skupiam się na technologiach kwantowych. Ostatnio podjęłam współpracę z prof. Gediminasem Juzeliūnasem z Uniwersytetu Wileńskiego oraz prof. Emilią Witkowską z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Ta współpraca przynosi już pierwsze owoce. Razem pracujemy nad zwiększeniem precyzji pomiarów kwantowych. Nie każdy jest w stanie wykorzystać efekty kwantowe i poprawić dokładność pomiaru danej wartości, ale nam się to udało! Wspólnie stworzyliśmy teorię uzyskiwania stanów ściśniętych w ultrazimnych atomach, co pozwoli na jeszcze bardziej dokładny pomiar czasu w zegarach optycznych niż dotychczas było to możliwe.
Przykładowo, najlepsze zegarki mechaniczne, w tym Rolex, są dokładne tylko co do 1–2 sekund dziennie. Większość zegarków kwarcowych ma dokładność rzędu 15 sekund na miesiąc, a najlepsze mogą osiągnąć dokładność 2–5 sekund na miesiąc. Natomiast zegarki atomowe idą z precyzją co do jednej dziesiątej nanosekundy na dobę, co sprawia, że są one nieporównywalnie bardziej dokładne niż jakakolwiek inna wielkość fizyczna.
W dziedzinach takich jak systemy GPS dokładne dane czasu są niezwykle ważne. Przewiduje się, że nowe możliwości pomiaru czasu za pomocą zegarów atomowych wpłyną na zrozumienie wielu faktów z zakresu fizyki i kosmologii, w tym na bardziej precyzyjne określenie wartości podstawowych stałych fizycznych i ewentualnie ich dryfu w czasie. Innymi badaniami skupiającymi się na podobnym zagadnieniu są np. pomiary odległości między Ziemią a Księżycem oraz ich zmiany w czasie.
Może się też zdarzyć, że w przyszłości GPS przestanie być niezbędny. Ziemia wytwarza swoją grawitację, którą można porównać do magnetycznego odcisku, podobnego do odcisku palca. Jeśli czujniki kwantowe zostaną skorelowane z zimnymi atomami, to taki czujnik kwantowy będzie w stanie udzielić odpowiedzi na pytanie, w którym miejscu się aktualnie znajdujemy.
W medycynie również istnieje potrzeba dokładnego pomiaru pola magnetycznego. Współczesne badania metodą MRI są możliwe dzięki osiągnięciom w dziedzinie fizyki kwantowej. Obecnie w Europie dąży się do uzyskania szybszych i bardziej precyzyjnych pomiarów.
12 lat temu, na studiach, poznała Pani swojego przyszłego męża Jurgisa, również fizyka. Dzisiaj wspólnie popularyzujecie fizykę kwantową, już od 3 lat organizując obchody Światowego Dnia Kwantowego. Właśnie otrzymaliście nagrodę Litewskiej Akademii Nauk za popularyzację fizyki kwantowej.
Podczas przemówienia w Akademii Jurgis wspomniał, że nasza rodzina zawsze żyła fizyką. Jestem mu bardzo wdzięczna, ponieważ jego wsparcie jest dla mnie niezwykle istotne. Ja jestem chaotyczna, on zaś sprowadza mnie na ziemię i pilnuje terminów. Jego rola często jest niewidoczna, ponieważ nie lubi być w centrum uwagi. Pracuje, ponieważ uważa, że fizyka jest jego misją. Chce przekazywać wiedzę tym, którzy są nią zainteresowani. Często wstajemy o 4 rano, aby razem jechać do innych miast na spotkania z uczniami i porozmawiać z nimi o fizyce. Jest bardzo oddany swojej pracy i uważam, że jestem szczęściarą.
Natomiast Światowy Dzień Kwantowy zorganizowaliśmy w ubiegłym roku z tak wielkim rozmachem, że zaskoczyliśmy całą Europę. Wzięło w nim udział 65 państw. Na cykl wydarzeń złożyły się wykłady naukowców, teatralizowane lekcje naukowe, kwizy, spotkania w szkołach, wystawa „Fizyka kwantowa w sztuce”. Najmłodszy uczestnik konkursu miał zaledwie 7 lat i w swojej pracy starał się przedstawić, jak powstał świat. Naukowcy łączyli się ze sobą na spotkania przez Zoom i dzielili się pomysłami oraz propozycjami na to, jak uczcić to święto, które wcześniej nie było obchodzone.
Można więc stwierdzić, że małżeństwo Sinkevičiusów zapoczątkowało obchody Międzynarodowego Dnia Kwantowego?
Wspólnie z naukowcami z różnych części świata rozważaliśmy, jak zapoczątkować piękną tradycję. W tym roku święto odbyło się już po raz trzeci. Zaproponowałam kilku naukowcom, aby przybyli na Litwę i wygłosili prelekcje dla szerokiej publiczności. Najważniejszym wydarzeniem było ubiegłoroczne przybycie Williama Daniela Phillipsa, laureata Nagrody Nobla z USA. Była to wyjątkowa okazja, która zgromadziła na sali ponad 400 osób. Z innej strony, spotkania z uczniami, podczas których możemy porozmawiać o fizyce, są również niesamowicie satysfakcjonujące.
Od początku tego roku otrzymała Pani już dwie nagrody od Litewskiej Akademii Nauk. Jedną z nich za popularyzację i organizację Światowego Dnia Kwantowego, drugą – za pracę naukową. Czego dotyczyła ta praca?
W konkursie wzięli udział młodzi naukowcy do lat 35 w dziedzinie matematyki, fizyki, chemii. W swojej pracy przedstawiłam wyniki swoich badań naukowych na temat ultrazimnych atomów i kwantowych technologii, a także jak je można zaimplementować. Stworzyłam kwantowe splątanie pomiędzy atomami z wykorzystaniem wiązki laserowej. Takie nietypowe kwantowe splątanie można wykorzystać w produkcji precyzyjnych zegarów atomowych. To na razie eksperyment, który może udoskonalić precyzję urządzeń.
Jak wygląda współpraca Litwy z innymi krajami w dziedzinie fizyki?
Litwa może być dumna ze swoich osiągnięć w dziedzinie laserów. Każde renomowane laboratorium, takie jak MIT czy Oksford, posiada litewskie lasery i stoły optyczne. W chwili obecnej Litwa ściśle współpracuje z Tajwanem w dziedzinie półprzewodników, odbywa się także wymiana naukowców. Uczestnictwo w programach naukowych jest uzależnione od zgody państwa. W marcu br. Sejm zatwierdził program technologii kwantowych na Litwie. Litwa słynie z prac nad półprzewodnikami, nanotechnologią, laserami oraz pracą w dziedzinie astronomii i astrofizyki. Współpracujemy nie tylko z Europą, lecz także z USA, Japonią i Australią.
Na zdjęciu: litewski zespół naukowców podczas „Northern Prospects of Quantum” w Brukseli, fot. archiwum prywatne Marzeny Mackojć
CERN, największe na świecie laboratorium fizyki jądrowej i cząstek elementarnych z siedzibą w Szwajcarii, przyznało Litwie status państwa stowarzyszonego w 2018 roku. Jak wygląda współpraca Litwy z CERN?
Otrzymałam unikalną propozycję dołączenia do działań konsorcjum CERN. Zgodziłam się bez zastanowienia. Będzie mi niezmiernie miło spróbować swoich sił w tej działalności, oprócz pracy naukowej i nauczania na uczelni. Niektóre z celów konsorcjum to pomaganie litewskim naukowcom w angażowanie się w działalność CERN, stworzenie litewskim przedsiębiorstwom warunków do skorzystania z możliwości, jakie daje transfer wiedzy z CERN, zwiększenie zainteresowania uczniów i nauczycieli badaniami naukowymi. W ramach programów magisterskich i doktoranckich na Uniwersytecie Wileńskim będą wdrażane nowe programy naukowe, których dotąd nie było. W ramach dzielenia się doświadczeniem możliwa jest wymiana studencka, wymiana pracowników laboratoriów. Takie praktyki mogą owocować powstawaniem start-upów.
Wraz z litewskim zespołem naukowców wzięła Pani udział w „Northern Prospects of Quantum”, odbywającym się w marcu w Brukseli. Jakie znaczenie miał ten wyjazd?
Jest to wydarzenie na najwyższym poziomie dla krajów nordyckich i bałtyckich, na którym potencjał naukowy tych krajów został zaprezentowany Komisji Europejskiej. Litewska drużyna składała się z naukowców z Wydziału Fizyki UW, Centrum Nauk Fizycznych i Technologicznych oraz przedsiębiorców Novian Technologies. Obecnie rządy i wielkie korporacje interesują się możliwościami zastosowania technologii kwantowych.
Co Pani uważa za swoje największe osiągnięcie w pracy naukowej?
Pewnie takie osiągnięcie jest jeszcze przede mną. Moje badanie, które zostało opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym w 2022 r., mogło wydawać się jakimś osiągnięciem, ale to moje interakcje z ludźmi sprawiają mi największą radość. Na mojej drodze życiowej miałam okazję spotkać pięciu laureatów Nagrody Nobla, a te spotkania zainspirowały mnie do nowych idei. Ważną część mojego życia stanowią studenci, to nowe pokolenie, które przejmuje moje doświadczenie i tworzy coś nowego. Może właśnie dlatego tak bardzo angażuję się w popularyzowanie fizyki i upatruję w tym sens.
Wywiad opublikowany w wydaniu magazynowym „Kuriera Wileńskiego” Nr 16(46) 22-28/04/2023
