Rozmowa z prof. Iwo Białynickim-Birulą z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, laureatem nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej 2014 oraz jego żoną, prof. Zofią Białynicką-Birulą, również z CFT PAN, współautorką wielu prac, także tych nagrodzonych

Z informacji towarzyszących przyznaniu nagrody wiem, że pan profesor sam znajdował sobie obszary badań i tematy prac. Od początku? Jak to przychodziło do głowy?

Iwo Białynicki-Birula: Od początku. A jak to przychodziło do głowy? Po prostu staraliśmy się robić coś więcej niż było w programie studiów.

My to kto?

IBB: Była taka grupa, powiedzmy, elita. Nie poprzestawaliśmy na wykładach, które bywały wykładami autorskimi, ale także bywały dość banalne, oparte na standardowych podręcznikach. Dyskutowaliśmy na seminarium, studiowaliśmy książkę Diraca, bardzo wtedy modną…

A czy w obrębie tej elity była rywalizacja, takie szlachetne mądrzenie się, zabieganie o oryginalność pomysłów?

IBB: Oczywiście. Konkurowaliśmy też o to, u kogo robić pracę magisterską. Wszyscy chcieli u Infelda.

Zofia Białynicka-Birula: Infeld nie zajmował się studentami. Wyręczał go w tym Jerzy Plebański, bardzo wtedy młody. Myśmy się interesowali mechaniką teoretyczną już od drugiego roku i już wtedy poszliśmy do Plebańskiego z propozycją robienia pracy z tej tematyki. Potraktował nas poważnie – zawsze się cieszył, jak ktoś coś wymyślił, jak coś śmiało proponował.

Do mistrza szło się z pomysłem pracy?

IBB: Nie. Robiło się pracę, a mistrz przedstawiał ją do publikacji. Sporo moich prac, niektóre nasze wspólne, ukazało się w czasopiśmie „Biuletyn PAN”. To była jeszcze przedwojenna tradycja (także europejska) różnych towarzystw i instytucji naukowych, jak PAU, publikowania prac przez członków tych organizacji – przejęta przez PAN.

Z opinią tych członków?

IBB: Nie. Infeld nie czytał moich prac, także pracy doktorskiej, która była z innej dziedziny niż jego specjalność, choć formalnie był jej promotorem. Na seminarium Infelda z ogólnej teorii względności nie dyskutowano o innych problemach.

Czy taka sytuacja – zaufania albo braku zainteresowania ze strony mistrza – wpływała zobowiązująco?

IBB: Nie przypominam sobie żadnych tego typu rozterek. Może byłem bezczelny, ale nie przychodziło mi do głowy, że moja praca może być słaba i to sprawi kłopot Infeldowi, który ją posyła do publikacji. Oczywiście było sporo koleżanek i kolegów piszących prace wyraźnie pod kierunkiem, a nawet pod dyktando, ale… wspomniałem o elicie.

Pani profesor też sama wymyślała tematy?

IBB: Czasami podpowiadała mnie. Inspirowaliśmy się wzajemnie.

Jakie były kryteria wyboru tematów? Pragnienie pójścia dalej już istniejącą drogą czy wytyczenie nowej?

IBB: To drugie byłoby we wczesnym etapie chyba zbyt ambitne. Pierwsze prace wpisywały się w jakiś istniejący nurt.

ZBB: Te nasze prace to nie było studiowanie czy rozwiązywanie jakiegoś problemu, tylko zapisywanie pomysłu. Przychodziło do głowy, że można odpowiedzieć na jakieś pytanie, czegoś poszukać i to się zapisywało.

IBB: Moja pierwsza praca polegała na spostrzeżeniu, że cała struktura matematyczna mechaniki kwantowej zawiera dwuznaczność. W równaniach występuje jednostka urojona „i”, pierwiastek z minus 1, który można wyciągnąć ze znakiem plus albo ze znakiem minus. Pytanie, jak te równania mają się do siebie, jest związane z taką operacją, która się nazywa odwróceniem czasu…

To trudne dla laika, ale proszę powiedzieć, czy ta praca pana profesora była zwróceniem uwagi na problem czy propozycją rozwiązania.

IBB: W fizyce często bada się zależności między różnymi sformułowaniami teorii – stanowiącymi nadbudowę gmachu fizyki – i nie zawsze chodzi o to, żeby znaleźć jakiś nowy obiekt czy zjawisko, ale właśnie te zależności. Od pierwszej pracy chodzi mi po głowie myśl, dotąd niezrealizowana, że istnieją dwa światy – jeden z plus i, drugi z minus i, które się ze sobą kontaktują, a my szukamy płaszczyzny ich spotkania.

Tę płaszczyznę trzeba stworzyć czy odkryć?

IBB: Jeżeli się tworzy coś, co ma sens, to się odkrywa.

ZBB: Chyba że odkrycie polega na eksperymencie.

IBB: Nie ma eksperymentu bez teorii.

ZBB: Może być różna kolejność teorii i eksperymentu, ale to jest tak jak z człowiekiem, który widzi coś w rzeczywistości, a nie ma narzędzi, żeby ten obraz zanalizować, więc właściwie niewiele albo nic nie widzi.

Który nurt w swojej pracy naukowej uważa pan za najważniejszy?

IBB: Zajmowałem się różnymi rzeczami, nie wyróżniam specjalnie żadnej z nich. Najwięcej prac poświęciłem zasadzie nieoznaczoności – za nie jest nagroda FNP. Niektóre ciągle mają oddźwięk w piśmiennictwie światowym.

Pociągały pana rzeczy nowe?

IBB: Niekoniecznie. Pasjonują mnie sprawy stare, które nie zostały wyjaśnione zadowalająco. Fizyka idzie naprzód, pozostawiając ugory, przez które przeszła szpica badaczy z pierwszej linii i tam można mnóstwo ciekawych rzeczy wydłubać.

A dlaczego szpica pozostawia ugory?

IBB: Bo aktualnie nie ma pomysłu na rozwiązanie. Jak długo takie nierozwiązane sprawy nie przeszkadzają w marszu do przodu, pozostawia się je przyszłym pokoleniom, które może będą miały jakiś pomysł.

W uzasadnieniu jury nagrody FNP napisano, że otrzymał ją pan za „fundamentalne prace dotyczące pola elektromagnetycznego, które doprowadziły do sformułowania zasady nieoznaczoności dla fotonu”. To jest istotne dopełnienie zasady nieoznaczoności Heisenberga?

IBB: Można tak powiedzieć. Nasza wspólna z żoną praca dotyczyła tego, jak zachowują się fotony w silnym polu elektromagnetycznym. Kiedy ją pisaliśmy, nie było możliwości wytworzenia pól dostatecznie silnych w laboratorium. Pojawiały się pierwsze doniesienia, że rejestrują je astrofizycy. To nas inspirowało. Potem jednak bardzo długo nie obserwowano efektów, które potwierdzałyby nasze hipotezy, np. tę, że foton może się rozszczepić na dwa fotony w obecności takiego pola. Ponad 40 lat upłynęło, zanim zaczęto taki efekt obserwować w magnetarach, obiektach kosmicznych, gdzie pole magnetyczne jest niezwykle silne. Wcześniej nie było ani narzędzi obserwacyjnych, ani modeli matematycznych, żeby opisać tę dynamikę fotonów w polu magnetycznym.

Proszę wybaczyć trywialne albo naiwne pytanie: Czy mechanika kwantowa nie jest czymś wymyślonym?

IBB: Oczywiście, że jest.

Po co?

IBB: Po to, żeby stworzyć czy też umocnić cały gmach fizyki teoretycznej, który pozwała opisać doświadczenia, a dalej prowadzi do tego, że… całą naszą rozmowę można zmieścić w mikroskopijnej pamięci urządzenia.

ZBB: Max Planck musiał wymyślić kwanty, bo inaczej nie zgadzały mu się równania, dzięki którym jest jednym z najwybitniejszych fizyków.

IBB: Musiał coś zrobić, żeby krzywa wydedukowana teoretycznie pasowała do krzywej zmierzonej doświadczalnie. Wprowadził pewną hipotezę, która okazała się niesłychanie płodna i legła u podstaw mechaniki kwantowej. Później Einstein powiedział, że jeżeli przyjmujemy hipotezę Plancka, to rozumiemy, na czym polega efekt fotoelektryczny, czyli to, że foton może wybić elektron z metalu. Potem przyszedł Niels Bohr… potoczyło się.

ZBB: Hipoteza Plancka to był taki wzór, który niczego nie opisywał, tylko pasował do tej krzywej.

Ale od czego się zaczęło? Skąd wzięła się krzywa Plancka?

ZBB: Z obserwacji widma rozgrzanych ciał.

IBB: Istniała wtedy teoria, która przewidywała, że ta krzywa powinna rosnąć nieskończenie. Źle przewidywała. Długo trwał rozwój mechaniki kwantowej, mówiąc najogólniej. Pięć lat minęło od stwierdzeń Plancka zanim Einstein powiedział, że światło ma ziarnistą strukturę, ponad dekada zanim Bohr przeniósł te stwierdzenia na grunt fizyki atomowej, a później jeszcze 10 lat do czasu, gdy powstał nowoczesny gmach mechaniki kwantowej.

Jaka jest sytuacja teraz?

IBB: Określiłbym ją jako pozytywny zastój. Niestety nie ma zjawisk, które przeczyłyby mechanice kwantowej…

Dlaczego niestety; fizycy nie mają co robić?

IBB: Nie ma gdzie szukać.

ZBB: Nie ma krzywej Plancka, która nie wiadomo czemu się zakręcała.

IBB:: Pojawiają się fantazje. Wprowadza się więcej wymiarów, wymyśla struny…

ZBB: Cała nasza wiedza jest w zalążku. My w ogóle nie rozumiemy wszechświata. Ciemna materia i ciemna energia, o których nie wiemy prawie nic, poza tym, że istnieją, to o wiele więcej niż to, co znamy.

IBB: Powtórzę: Nie ma takich obserwacji, które byłyby wyraźnie sprzeczne z istniejącą obecnie teorią. Ciemna materia, ciemna energia dadzą się umieścić, może trochę sztucznie, ale jednak w jej obrębie. Nie mamy obserwacji z laboratoriów ziemskich, gdzie tworzymy określone warunki, które byłyby inspiracją dla nowych teorii. W laboratorium możemy pokręcić gałką i sprawdzać, co z tego wyniknie, w Kosmosie robi to Pan Bóg, a my tylko obserwujemy. Teoria sprawdza się wtedy, kiedy najpierw się ją dopasowuje do prowadzonych doświadczeń, a potem, na jej podstawie, przewiduje nowe doświadczenia, które teorię potwierdzają.

Na podstawie obserwacji wszechświata, gdzie nie możemy kręcić gałką, zmieniać warunków ani powtarzać eksperymentu, nie można też zaprzeczyć teorii.

IBB: Nie można, toteż próbujemy te obserwacje wpasować w istniejącą teorię, dodając jakieś człony, coś pomijając, coś upraszczając. To nie jest eleganckie i nie zadowala.

Czy są jakieś tropy wskazujące ewentualne drogi badania Kosmosu?

IBB: Nie. Odkrycia, o których mówimy, były nieoczekiwane, zaskoczyły wszystkich, a poza tym sądzono, że teoria Einsteina jest idealną strukturą, przy której nie należy majstrować i która wszystko wytłumaczy.

A nie jest?

IBB: Nie ma żadnej teorii, która byłaby ostatnim słowem, z którą nie można nic więcej zrobić. Wszystkie są przybliżone. W fizyce niczego nie odrzucamy, lecz rozwijamy. Równania Newtona w dalszym ciągu obowiązują, ale wiemy dzisiaj, że opisują zjawiska w przybliżeniu, a jeżeli chcemy je opisać dokładniej, musimy sięgnąć po inne narzędzie. Tak samo teoria względności – pozwala opisać dokładnie Układ Słoneczny, wysyłać sondy, które lecą dziesiątki lat w zaplanowane miejsca, ale nie jest ostatnim słowem, bo takiej teorii nie ma i nigdy nie będzie. Pan Bóg był dla nas bardzo łaskawy i tak urządził świat, że możemy go poznawać „po kawałku”.

Ale czy możemy mieć nadzieję, że te kawałki złożymy w całość?

IBB: Nadzieję powinniśmy mieć, choć mamy jeszcze bardzo dużo kawałków do poznania. Na koniec chcę powtórzyć to, co uważam za kluczowe: fizyka jest nauką przybliżoną.