Intensywne prace badawcze, prowadzone w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Toruniu, przynoszą kolejne spektakularne sukcesy. Tym razem naukowcom udało się zmierzyć... kształt światła.
<!** Image 2 align=right alt="Image 64006" sub="Za tymi drzwiami mieści się jedna
z pracowni doświadczal-nych Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej. Ten niewielki, wypełniony tajemniczymi urządzeniami pokój, przez kilka ostatnich miesięcy był dla trójki młodych doktorantów z UMK drugim domem. / Fot. Jacek Smarz">„Nikt nie rozumie teorii kwantowej” - stwierdził kiedyś Richard Feynman, jeden z najwybitniejszych fizyków XX wieku. I warto, dla higieny psychicznej, zapamiętać to założenie. Przyda się, jeśli kiedykolwiek najdzie nas chęć zgłębienia całkowicie sprzecznych z intuicją i zdrowym rozsądkiem prawideł mikroświata, czyli królestwa cząstek elementarnych - mniejszych od atomu cegiełek, z których zbudowane jest wszystko.
Zmierzyli kształt światła
W XIX wieku fizyka uznawana była za najbardziej kompletną z nauk ścisłych. Istniało zaledwie kilka opierających się racjonalnemu wyjaśnieniu problemów. Niemiecki fizyk Max Planck, prowadząc badania nad jednym z nich - promieniowaniem ciała doskonale czarnego, stwierdził, że ciepło nie jest emitowane w sposób ciągły, jak sądzono, tylko w maleńkich porcjach, czyli kwantach. Tak narodziła się mechanika kwantowa - teoria, która zmieniła całkowicie spojrzenie na otaczający nas świat.
<!** reklama left>- Obecnie mechanika kwantowa rozwija się na świecie w niesamowitym tempie. W Polsce mamy wielu utalentowanych reprezentantów tej dziedziny. Sam talent, niestety, nie wystarczy. Aby prowadzić doświadczalne badania na najwyższym światowym poziomie, niezbędny jest również kosztowny sprzęt. Właśnie dlatego uruchomiliśmy w Toruniu Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (FAMO) - wyjaśnia profesor Stanisław Chwirot, dyrektor laboratorium.
To jedyna taka placówka w Polsce. Siedziba FAMO mieści się w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, ale laboratorium ma charakter międzyuczelnianego centrum eksperymentalnego. Doświadczenia prowadzą tu fizycy z całego kraju. Oficjalne otwarcie FAMO nastąpiło 10 maja 2002 roku. Poprzedził je kilkuletni okres aktywnej dyskusji i współpracy w środowisku polskich fizyków. Do dziś udało się zgromadzić mnóstwo nowoczesnych przyrządów, wartych wiele milionów złotych.
<!** Image 3 align=right alt="Image 64006" sub="Wojciech Wasilewski
i Piotr Kolenderski pracują nad układem, za pomocą którego można zmierzyć kształt fotonu. / Fot. Jacek Smarz">- Niektóre urządzenia, na przykład laser o ultrawysokiej zdolności rozdzielczej, to unikaty w skali światowej - zapewnia profesor Chwirot.
Na efekty nie trzeba było długo czekać. FAMO może już dziś poszczycić się znakomitymi osiągnięciami. Ostatnio trzem doktorantom, prowadzącym eksperymenty w laboratorium: Wojciechowi Wasilewskiemu, Piotrowi Kolenderskiemu i Robertowi Frankowskiemu, udało się zmierzyć... kształt światła. A dokładniej fotonu, który jest elementarną porcją światła. Co w tym nadzwyczajnego? Chociażby to, że foton jest nie tylko cząstką, ale równocześnie falą. Pewnie dlatego nikomu dotąd nawet nie przyszło do głowy, aby go mierzyć.
- Tak się jakoś złożyło, że nam przyszło - śmieje się Wojciech Wasilewski. - A dokładnie naszemu promotorowi, dr. Konradowi Banaszkowi. Najtrudniej było wymyślić, jak wcielić ten pomysł w życie. Potem poszło już gładko. Pracowaliśmy nad tym eksperymentem trzy miesiące, czyli niezbyt długo.
<!** Image 4 align=left alt="Image 64009" sub="Takie soczewki i kryształy służą do ustawiania układów eksperymentalnych / Fot. Jacek Smarz">Słońce, żarówki, lasery i inne źródła światła emitują fotony „hurtowo”. To sprawia, że kwantowa natura światła zaciera się i trudno ją uchwycić. Tym niemniej, już przeszło sto lat temu Planck i Einstein wpadli na to, że światło składa się z fotonów o dobrze określonym kolorze i kierunku ruchu. Były to jednak rozważania teoretyczne. Dopiero pojawienie się laserów umożliwiło przeprowadzenie odpowiednich badań.
Metoda pomiarowa
- Współczesna nauka dysponuje urządzeniami, które potrafią emitować pojedyncze fotony - tłumaczy Wojciech Wasilewski, wskazując duży laser ustawiony na środku laboratorium. Obok, na specjalnym stole z setkami otworków, rozmieszczono mnóstwo soczewek i kryształów. Fotonowa wiązka przechodząc przez precyzyjnie rozstawiony układ, barwi się raz na zielono, raz na niebiesko, rozbijając się na pojedyncze cząsteczki, które wpadają do światłowodu. - Po wpuszczeniu do światłowodu, foton przyjmuje pewien, częściowo narzucony przez ten światłowód kształt - dodaje młody naukowiec. - W zależności od źródła, fotony mogą mieć różną długość i kolor. Opracowana przez nas metoda pozwala mierzyć te parametry.
Akurat toruńskie źródło produkuje fotony o kształcie obłym i długości około 45 mikrometrów, czyli mniej więcej takiej jak połowa ludzkiego włosa.
- Ciekawostką jest to, że w przybliżeniu jeden na sześć fotonów z naszego źródła ma kształt garbów wielbłąda i jest dłuższy o 20 mikrometrów - mówi Piotr Kolenderski.
<!** Image 5 align=right alt="Image 64009" sub="Toruńskie FAMO dysponuje niezwykle skomplikowanym sprzętem, wartym wiele milionów złotych / Fot. Jacek Smarz">Metoda pomiarowa toruńskich fizyków może przyczynić się do rozwoju prac w zakresie kryptografii kwantowej, która prawdopodobnie wyprze niebawem tradycyjne systemy szyfrowania, wykorzystywane chociażby podczas bankowych przelewów.
To nie jest norma
Wyniki eksperymentu toruńskich fizyków ukazały się w najnowszym numerze Physical Review Letters, uznawanego przez środowisko fizyków za najbardziej prestiżowe czasopismo branżowe na świecie.
- Praca w FAMO to czysta przyjemność, mamy tu naprawdę komfortowe warunki - podkreśla Wojciech Wasilewski, który już obmyśla nowy eksperyment. - Nie chodzi tylko o znakomite zaplecze techniczne, ale również atmosferę sprzyjającą pracy naukowej. Nie musieliśmy nigdy walczyć o dodatkowe środki, po prostu kupujemy, co jest nam potrzebne. Zapewniam, że w Polsce to nie jest norma.
Sukces trójki doktorantów to już drugie w tym roku spektakularne osiągnięcie na koncie FAMO. 2 marca, po 5 latach ciężkiej pacy, grupie naukowców, kierowanej przez profesora Wojciecha Gawlika z Uniwersytetu Jagiellońskiego, udało się uzyskać tzw. kondensat Bosego-Einsteina. Kondensacja Bosego-Einsteina jest jednym z najważniejszych zjawisk, w których przejawia się falowa natura atomów. Aby uzyskać kondensat konieczne jest wytworzenie ultrawysokiej próżni, a co za tym idzie - niewyobrażalnie niskiej temperatury, niższej niż w najzimniejszych zakamarkach wszechświata. Kondensat posłuży do dalszych badań z zakresu mechaniki kwantowej.- Tu potrzebna była ogromna wiedza, ale również skomplikowany sprzęt - zapewnia profesor Chwirot. - Specjalistyczne lasery, kamery cyfrowe najwyższej generacji, reagujące na pojedyncze fotony, wyszukana elektronika, złożone oprogramowanie...
Jedyny między Łabą a Pekinem
Nic dziwnego, że kondensat uzyskiwano dotąd jedynie w najbardziej rozwiniętych krajach świata. Polska jest pierwszym krajem w bloku państw postkomunistycznych, gdzie eksperyment się udał.
- Można powiedzieć, że to jedyny kondensat między Łabą a Pekinem - uśmiecha się profesor Chwirot. - Dla mnie jest to pewnego rodzaju pieczęć, potwierdzająca, że ogromny wysiłek włożony w powołanie laboratorium i nadal wkładany w jego rozwój, nie idzie na marne.
