Kodėl mokslo populiarinimas yra nedėkingas užsiėmimas?

Mokslo populiarinimas yra nedėkingas užsiėmimas. Ypač jei nesi specialistas. Tiksliau, esi ne mokslininkas, o koks humanitarinio fakulteto absolventas. Ir nei tau mokslas patinka, nei tos technologijos, tu tiesiog dirbi darbą, kurį paskyrė redaktorius, šefas, instituto direktorius.

Turbūt supratote, kad kalbu apie institutų, universitetų, mokslinių draugijų viešųjų ryšių specialistus. Arba apie laikraščio, žurnalo jaunoms mamoms arba naujienų portalo mokslo skilties žurnalistą.

Dažnas mokslininkas žino tą keistą jausmą, kuomet naujienų lentos sprogsta nuo žinių apie mokslinį rezultatą, tačiau skaitant ko tik galima nerasti tose naujienose: ir elementaraus nesuvokimo, ir beletristikos apie taikymus ir tyrimo metodus, ir spekuliacijų bei naivių prisigalvojamų iš rašančiojo pusės.

Toks jau liūdnas mokslininko gyvenimas: kuomet susilauki dėmesio, vis tiek lieki nesuprastas ir rausta ausys beskaitant savo iškraipytą, iškarpytą interviu.

Neseniai naujienų portalai sprogo nuo tokių antraščių, kaip „Pirmą kartą fizikoje šviesa užregistruota, kaip dalelė ir banga vienu metu“, „Šviesa nupaveiksluota vienu metu ir kaip banga, ir kaip dalelė“, „Šviesos bangos-dalelės dualumas nufotografuotas pirmą kartą“. Ir kas blogiausia, net rimti šaltiniai, kuriuos patys mokslininkai tikrai skaito ir apie kuriuos dažnai gerai galvoja, pasigavo šias klaidinančias antraštes.

Kodėl klaidinančias, galite paklaust? Matote, vieno fotono neįmanoma priversti vienu metu elgtis ir kaip banga, ir kaip dalele. Tai yra fundamentalus kvantinės fizikos teiginys – Heisenbergo neapibrėžtumo principas.

Ką gi jis sako? Jis teigia, kad atliekant vieną matavimą neįmanoma tuo pat metu nustatyti dalelės greičio ir padėties.

Kuo tiksliau bandysime išmatuoti dalelės padėtį, tuo mažiau žinosime, kokiu greičiu dalelė judėjo iki matavimo. Jei bandytume nustatyti, kaip greitai skriejo dalelė, prarasime tikslumą bandydami sužinoti, kur dalelė buvo. Matematiškai šis principas išreiškiamas nelygybe, kuri teigia, kad padėties nustatymo paklaidos sandauga su judesio kiekio paklaida negali būti mažesnė už Planko konstantą: h = 1.054571726×10⁻³⁴ m²kg/s².

Natūralus klausimas, kodėl to nepastebime kasdienybėje? Judesio kiekis yra fizikinis dydis, gaunamas padauginus kūno masę ir kūno judėjimo greitį, o Planko konstanta yra labai mažas dydis. Elektrono masė yra m=9.10938291 × 10^–31 kg, protono masė m=1.67262178 × 10^–27 kg, urano 238 izotopo masė yra m=3.983 ×10^–25 kg, o žmogaus DNR masė m=2.01 × 10^–19 kg. Tarkime, norime nustatyti šių objektų padėtį vieno nanometro tikslumu. Kokiu tikslumu tuomet galėsime nustatyti jų greičius? Atsakymas pateiktas paveiksliuke.

Sunku patikėti, tačiau elektrono greitį nustatysime tik šimtų tūkstančių kilometrų per valandą tikslumu! Tokio didelio skaičiaus net liežuvis neapsiverčia pavadinti „tiksliu“… Šiek tiek „geriau“ su protonu – greitį nustatysime net 174 km/h tikslumu! Kaip tokiam mažam objektui –didoka. Urano atomo greitį nustatysime 0,73 km/h tikslumu, o žmogaus DNR greitį galėsime išmatuoti 1.45× 10^–6 km/h tikslumu. Na, su DNR molekule skaičiai gaunasi jau padorūs. Jau galime pavadint tokią paklaidą „tikslumu“.

Su Heisenbergo neapibrėžtumu tiesiogiai susijęs ir bangos-dalelės dualumo principas, apie kurį ir rašė visi naujienų puslapiai ir apie kurį yra aptariamasis mokslininkų darbas. Šis principas teigia, kad kvantinio pasaulio objektai vienose situacijose elgiasi kaip bangos, o kitose – kaip dalelės. Bet niekada kaip vienos ir kaip kitos vienu metu. Koks gi šio principo sąryšis su Heisenbergo neapibrėžtumo principu? Labai paprastas. Jei bandoma nustatyti elektrono padėtį, greičiausiai naudojama kamera arba fotojuostelė. Kuomet elektronas sugeriamas fotojuostelės, vienas taškas pajuoduoja. Taip nustatoma elektrono padėtis, bet jau neįmanoma apskaičiuoti, kokiu greičiu jis skriejo.

Elektronas elgiasi kaip dalelė. Bandant išmatuoti elektrono greitį, jo padėtis jau nebežinoma. Būtent čia elektronas elgiasi kaip banga, kadangi bangos neturi vienos konkrečios padėties. Jei metate akmenuką į vandenį, matote bangas, kurios užima vandens paviršiaus sritį, o ne konkretų tašką.

„Bet kaip gi mokslininkai? Ką gi jie padarė tada?“ – jau įsivaizduoju nustebusius mano pamfletus skaitančių žmonių veidus.

Įdėmiai perskaičiau originalią publikaciją „Nature Communications“ žurnale. Turiu pasakyti, jog nieko panašaus į tai, kas teigiama aukščiau paminėtose antraštėse, mokslininkai nepadarė. Net tuo nekvepia. Mokslininkai nagrinėjo ne pavienius fotonus, o fotonų grupę – daug skirtingų fotonų. Ir šioje fotonų grupėje, vieni fotonai elgėsi kaip bangos, o kiti – kaip dalelės, bet joks fotonas nesielgė vienu metu ir kaip dalelė, ir kaip banga. Joks. Taškas. Ir esu nustebęs, kiek daug šaltinių nesuprato šio momento.

Kodėl tai rašau? Mokslo naujienas skaito daug įvairių žmonių ir įvairiais tikslais: vieni perskaito ir nueina savo keliais, kiti pakomentuoja, vieni yra humanitarai, kiti – „tiksliukai“, treti – fizikos studentai. Būtent jauniems fizikos studentams tokios naujienos yra žalingos, kadangi rimto žurnalo autoritetas priešpastatomas objektyviam mokslui ir fizikinei tiesai.

Tokie mokslą populiarinantys straipsniai paprasčiausiai klaidina jauną žmogų. Žurnalų noras užsidirbti neišvengiamai yra susietas su noru kuo greičiau paskelbti žinią ir pritraukti kuo daugiau reklamos. Būtent todėl žurnalai kartkartėmis arba taip supaprastina naujieną, jog nebelieka nei naujienos, nei mokslo, arba taip ją radikalizuoja, kad sako netiesą. Jie teigia, jog buvo stebėta kažkas gerokai radikalesnio, negu iš tikrųjų. Tuose žurnaluose ir tose naujienų svetainėse dirbantys žmonės, o ne fizikai pernelyg sureikšmina, per daug prisigalvoja ir per daug permąsto mokslinių duomenų svarbą.

Kas gi iš tikrųjų įvyko? Ką gi tie mokslininkai padarė? Laimė, esu šios srities specialistas, tad galiu paaiškinti ir pakomentuoti. Visų pirma, mokslininkai pagavo elektromagnetinę bangą ant plono laidelio, kurio storis buvo keletas nanometrų, o pats laidelis yra padarytas iš metalo.

Kodėl aš sakau elektromagnetinę, o ne vadinu šią bangą optine banga arba šviesos banga? Jei kalbėti tiesiai šviesiai, tai – ne šviesos banga. Tai yra hibridas tarp šviesos ir elektronų bangos. Optikoje tokios bangos vadinamos paviršiniais plazmonais poliaritonais.

Skirtingai nuo paprastos šviesos bangos, kuri gali judėti visoje erdvėje, šios paviršinės bangos egzistuoja tik ant metalo paviršiaus, o jų bangos ilgis yra trumpesnis negu fotonų. Šios paviršinės bangos yra vadinamos evanescentinėmis arba gęstančiomis bangomis, kadangi stebėtojui tolstant nuo metalo paviršiaus, jos slopsta pagal eksponentinį dėsnį. Kartu su šviesa svyruoja ir elektros krūviai metale, elektronai iš vienos vietos perbėga į kitą, todėl vienur yra neigiamo krūvio perteklius, o kitose bangos vietose krūvis yra teigiamas.

Šviesos bangos, sudarytos vien tik iš fotonų, taip nesielgia. Jų elektrinis laukas svyruoja pagal sinusoidės dėsnį, o atstumai tarp maksimumų yra didesnį nei paviršiaus plazmonų. Ir tokias bangas mato žmogaus akis.

Taigi eksperimente kalbama apie bangą-hibridą – sudarytą iš svyruojančių laide elektronų ir dėl tų svyravimų atsirandančių fotonų. Mokslininkai šį nanolaidą su jame svyruojančia plazmonų banga apšaudė elektronais. Šie elektronai kartais netikėtai pagreitėdavo, lyg iš kažkur gavę energijos kvantus. Kadangi vienintelis šios energijos šaltinis galėtų būti banga-hibridas, mokslininkai padarė išvadą, kad elektronas sugeria fotoną iš šios bangos. Kitaip tariant, dalelę.

Bet kaip fotonas gali būti vienu metu ir banga, ir dalelė? Atsakymas paprastas – bangoje yra ne vienas vienintelis fotonas. Bangoje yra daug fotonų. Kiekvienas iš jų elgiasi savaip. Būtent tai ir nufotografavo mokslininkai. Jie aptiko, kad bangoje fotonai yra nepriklausomi. Ir kai vieni tebesielgė kaip bangos, kiti elgėsi kaip dalelės. Ir šio eksperimento naujovė yra būtent tai, kad vienu metu buvo paveiksluojami abiejų tipų fotonai.

Jau įsivaizduoju nusivylusius veidus. Gražus rezultatas, bet jokios revoliucijos. Nieko, kas pakeistų klasikinius vadovėlius, arba priverstų perrašyti knygas. Nieko, dėl ko reikėtų skubėti su knygomis į sąvartyną. Kas gi dėl pavienio fotono matavimo. Arčiausiai buvo prof. Steinbergas iš Toronto, kuris 2011 metais matavo pavienių fotonų bangines ir korpuskulines savybes. Šis darbas net buvo tituluotas „Breakthrough of the Year“ . Tačiau nei aname, nei šiame darbe niekas Heisenbergo neapibrėžtumo taip ir nepaneigė.

Kaip sakoma, norai lieka norais, o mokslas lieka tuo, kuo jis visada buvo. Šaltas ir negailestingas nepamatuotų fantazijų žudikas.