Znanstveniku zapovedovati, kaj naj počne, se ne obnese

Kvantna fizika je težko razumljiva celo fizikom, pravi znanstvenik slovensko-škotskega rodu, ki je leta 2016 skupaj z Davidom Thoulessom in Michaelom Kosterlitzom prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Raziskovalec in profesor na ameriški univerzi Princeton je pred časom predaval v Ljubljani na 26. dnevih Jožefa Stefana, ki so namenjeni popularizaciji znanosti.

V izkustvenem svetu obstaja snov v trdem, tekočem in plinastem stanju, iz enega stanja v drugo pa se spreminja skozi fazne prehode. Ob temperaturah tik nad absolutno ničlo (0 °K oziroma -273,13 °C) pa je snov v zelo nenavadnih, kvantnih stanjih. Že pred desetletji so teoretski fiziki David Thouless, Michael Kosterlitz in Duncan Haldane z matematično topologijo dokazali, da tudi pri izredno nizkih temperaturah v snovi, ki je dvo- ali celo enodimenzionalna, kot so magnetni fluidi in tekoči helij, obstajajo fazni prehodi, ki so skokoviti. Snov je zaradi kvantnih učinkov superprevodna in električni tok skoznjo teče brez upora. Duncan Haldane pa je z matematično topologijo na verigah magnetnih atomov, ki imajo kvantno lastnost, imenovano spin, napovedal tudi njene magnetne lastnosti.

Leta kasneje so bila ta teoretska odkritja eksperimentalno potrjena in so zagnala razvoj novih materialov, ki v naravi ne obstajajo. Na kvantnih materialih temeljijo tehnologije pospeševalnikov delcev, kot je veliki hadronski pospeševalnik v Cernu, hitri vlaki, ki lebdijo na premikajočem se magnetnem polju, in naprave za magnetno resonanco (MRI), veliko pa obetajo tudi v razvoju elektronike in kvantnih računalnikov.

O nenavadnih stanjih snovi in kvantni prepletenosti je Duncan Haldane, raziskovalec in profesor na ameriški univerzi Princeton, prejšnji mesec predaval na 26. dnevih Jožefa Stefana, ki so namenjeni popularizaciji znanosti.

V Sloveniji niste prvič, leta 2000 ste na Bledu sodelovali na mednarodnem simpoziju Open Problems in Strongly Correlated Electron Systems. Pa tudi vaša družina izhaja iz Slovenije in avstrijske Koroške.

Tako je. Moj stari oče je bil doma iz Srednje vasi med Tržičem in Begunjami in se je na začetku 20. stoletja preselil v Borovlje, kjer je spoznal mojo staro mamo, koroško Slovenko. Tam se je leta 1919 rodila moja mama, Ljudmila Renko, in ob koncu vojne je kot študentka medicine delala v britanski bolnišnici v Celovcu, katere del je bil namenjen jugoslovanski vojski. V bolnišnici je spoznala škotskega vojaškega zdravnika, mojega očeta, in kmalu zatem sta se preselila v London.

Predvidevam, da vas je naravoslovje zanimalo od otroštva?

V otroštvu me je zanimala predvsem kemija, v zadnjem letniku srednje šole St Paul's School je moje navdušenje spodbujal profesor kemije in fizike. Odločil sem se za študij naravoslovja na Cambridgeu, ki je obsegal kemijo, fiziko, matematiko in biologijo, a po nekaj nesrečnih pripetljajih v kemijskem laboratoriju sem uvidel, da sem preveč neroden za kemijsko eksperimentiranje. Ker sem imel rad matematiko in fiziko, sem pristal v fiziki, česar nisem nikdar obžaloval. Fizika je postala moja strast.

Vsi trije prejemniki Nobelove nagrade za fiziko leta 2016, tako vi kot David Thouless in Michael Kosterlitz, ste Britanci, znanstveno kariero pa ste si ustvarili v ZDA. Zakaj ste po doktoratu na Cambridgeu konec 70. let prejšnjega stoletja zapustili Veliko Britanijo in odšli najprej v Grenoble, nato na Južnokalifornijsko univerzo v San Diego in od tam v začetku 90. let na univerzo Princeton v New Jersey?

Šlo je za naključje, a ne povsem. Konec 70. let je v britanski znanosti vladalo zelo deprimirajoče ozračje. Stališče vladnih agencij za financiranje znanosti je bilo, da naj se znanstveniki ne bi ukvarjali s teoretskimi, ampak s koristnimi, uporabnimi raziskavami. Posledica tedanje britanske politike je bil beg možganov. Toda večina ljudi se v znanost ne poda zaradi zaslužka, ampak ker sledi svojim sanjam. Pogosto poudarjam pomen znanstvenega izobraževanja, ki ljudi nauči poglobljenega razmišljanja in načrtovanja, kar se obnese tudi v drugih karierah. V podjetjih, ki potrebujejo tehnološko bazo kvalificiranih strokovnjakov, je znanstvenoraziskovalna izkušnja zelo dobrodošla. Vendar zase ne bi mogel reči, da sem Anglijo zapustil zavestno. Ko sem v Franciji razmišljal o novi službi, sem na priporočilo kolegov prejel povabilo na Južnokalifornijsko univerzo. Odpravil sem se v San Diego in ob tamkajšnjih čudovitih plažah in palmah pomislil: ni razloga, da ponudbe ne bi sprejel (smeh).



Kakšen je danes položaj znanosti v Veliki Britaniji?

V 80. letih prejšnjega stoletja se je britanska politika do znanosti začela spreminjati in odtlej si je znanost zelo opomogla. Znanstveniku zapovedovati, kaj naj počne, se ne obnese. Na ministrstvih pogosto menijo, da bi bilo z lepo pripravljenim načrtom mogoče spodbujati industrijo, ki bi prinašala koristi in dobičke, vendar se velika odkritja ne zgodijo načrtovano, temveč zato, ker znanstveniki iščejo nekaj zanimivega, medtem pa odkrijejo nekaj nenavadnega. ZDA imajo zelo razsvetljen način financiranja znanosti, statut ameriške Nacionalne znanstvene fundacije (NSF) namreč vključuje raziskave na podlagi radovednosti. Financiranje znanosti ne bi smelo biti namenjeno doseganju neposrednih ciljev, ampak napredovanju in pospeševanju vednosti.

Kar je ključno v znanosti …

Tako je, bistveno v znanosti je razumevanje. Brez vednosti o zgradbi sveta in njegovem delovanju ni mogoče narediti ničesar uporabnega. Da bo naše Sonce čez dve milijardi let eksplodiralo, v tem trenutku ni ravno uporaben del znanja, a kljub temu to nekateri znanstveniki poskušamo razumeti. Treba se je zavedati razlike med znanostjo in inženirstvom. Medtem ko se v inženirstvu uporablja uveljavljeno tehnologijo, v znanosti raziskujemo in ustvarjamo osnove, iz katere vse izhaja, in hkrati izobražujemo bodoče znanstvenike in strokovnjake. Ključne vloge pri tem ne igra objekt raziskovanja, ampak ljudje, ki zmorejo svoje navdušenje za raziskovalne vsebine prenesti na kolege in študente. Predstava, da so znanstveniki hladni, celo robotski, je napačna. Za uspeh v znanosti sta izjemno pomembna raziskovalčeva predanost in strast.

Brez dvoma pa sta pomembna tudi povezovanje in prepletenost – entanglement, če naj uporabim izraz iz kvantne fizike.

Ja, lahko bi tako rekli (smeh). Znanost je izrazito mednaroden poklic, zato znanstvenikom ne kaže jemati poguma, da bi zapustili domovino in gradili kariero v mednarodnem prostoru. Z odhodom v svet se srečujejo in dobivajo nove ideje, če ostajajo doma, pa zgolj nadaljujejo, kar so se naučili od profesorjev. Treba se je podati tja, kjer se dogajajo zanimive reči. Nekateri se vrnejo, drugi ne, a v znanosti ljudje nenehno odhajajo in prihajajo, kar jo ohranja v dobri kondiciji. Eden od argumentov proti brexitu je zatorej skrb, da se bo svobodni pretok ljudi upočasnil.

Nobelovo nagrado ste prejeli za odkritja topoloških faz snovi v zelo mejnih razmerah, zgolj malenkost nad absolutno ničlo. V čem je posebnost te snovi, ki je dvo- in celo enodimenzionalna? Kako pojasniti zapleteni svet kvantne fizike?

Poleg eno- in dvodimenzionalne je nekaj tudi tridimenzionalne snovi. Izkazalo se je, da so stvari, ki smo jih odkrili, povezane s čudno lastnostjo v kvantni fiziki, imenovano kvantna prepletenost (quantum entanglement). Gre za to, da sta v molekuli dva elektrona lahko na istem mestu, če imata nasprotne lastnosti, imenovane spin, če se torej vrtita v nasprotni smeri. Prepletenost pomeni, da se z obratom enega elektrona drugi elektron obrne v nasprotni smeri, njuna soodvisnost pa se ohranja, tudi ko elektrona prostorsko ločimo.

Na kvantno prepletenost, ki jo je napovedovala kvantna fizika, je opozoril že Einstein, vendar z namenom, da bi kvantno fiziko spodnesel, ideja o prepletenosti se mu je namreč zdela preveč nora, da bi lahko bila resnična. Einstein je menil, da je kvantna fizika nezadostna in zgolj približna teorija, in jo je poimenoval lokalni realizem, pa karkoli že naj bi to pomenilo. Kvantna prepletenost je bila na začetku zelo filozofska vsebina in šele po Einsteinovi smrti so bili izvedeni eksperimenti, ki so jo potrdili.

Danes vemo, da je informacije z uporabo lastnosti kvantne prepletenosti možno shranjevati na zelo presenetljive načine. Ljudje sanjajo o novi tehnologiji kvantnih računalnikov, ki bi bili mnogo močnejši od obstoječih, kar je le eno od vznemirljivih pričakovanj, ki jih prinaša kvantna prepletenost. Toda kvantna fizika je zapletena celo za fizike. Resda je relativnostna teorija težko razumljiva, a jo je vseeno lažje razumeti kot kvantno fiziko, ki je celo Einstein ni povsem pravilno razumel. A tako pač deluje naš svet; brez te vednosti ni mogoče razumeti atomov, šele z razumevanjem delovanja kvantnega sveta pa se lahko naučimo, kako ga uporabiti.



Na to področje sodijo tudi superprevodniki, kot so številne kovine in zlitine, katerih električna upornost tik nad absolutno ničlo skokovito upade, zaradi česar električni tok teče skoznje brez trenja. Kaj se dogaja v kvantnih stanjih snovi?

Naj lastnost gibanja elektronov v kvantni fiziki ponazorim z naslednjo primerjavo: v gneči se ljudje gibajo v različnih smereh in se medtem drug v drugega zaletavajo. Podobno v normalnih materialih električni tok teče v obeh smereh, v kvantnih stanjih pa s superprevodniki dosežemo, da se elektroni gibljejo samo v eni smeri. Ta pojav je bil prvič odkrit v ogromnih magnetnih poljih, iz česar pa ni moglo iziti nič zares praktičnega. Moj prispevek je namreč v tem, kako je takšno enosmerno gibanje elektronov v molekulah mogoče doseči brez magnetnega polja, in sicer z magnetizmom samih atomov. V raziskovalni študiji sem v začetku 80. letih zapisal, da gre za nekaj podobnega grafitni foliji; svoj teoretski model sem namreč odkril še pred eksperimentalno potrditvijo grafena, ki zelo učinkovito prevaja toploto in električni tok. Moje raziskave znanstvene revije tedaj niso želele objaviti, a nekaj let zatem so mojo teorijo eksperimenti potrdili.

Nikoli ne moremo zares predvideti, kaj vse bi bilo mogoče v prihodnosti. Nekdaj so ljudje materiale zgolj iskali, a izkazalo se je, da če je nekaj možno v teoriji – za podrobno razumevanje svoje teorije sem namreč izdeloval majhne igralne modele – in če pametnim ljudem uspe na osnovi teorije dizajnirati določene materiale in jih prevesti v fizikalne lastnosti, potem je te materiale mogoče razviti v tehnologijo. Ali je nekaj resnično ali ne, ni stvar mnenja, to pokažejo šele eksperimenti, kajti lahko imaš dobro idejo, pa jo eksperimenti kasneje ovržejo. A kot rečeno, me prvenstveno ne motivira izpopolnitev tehnologije, ampak vednost o tem, kaj se v teh materialih dogaja.

Takšni materiali ne obstajajo v naravnem okolju, na Zemlji je najnižja temperatura okoli -70 °C …

Tako je. Superprevodnost ne obstaja v naravnih stanjih. Visoka temperatura v primeru superprevodnikov je seveda zelo nizka za vas in zame, v kvantni fiziki pa pomeni, da je višja od vrelišča tekočega vodika [-252,76 °C]. Če bi bili najdeni materiali pri napačni temperaturi, bi to pomenilo izjemno spremembo v naši tehnologiji. Danes že obstaja tehnologija, ki temelji na tekočem vodiku in se med drugim uporablja v napravah za magnetno resonanco.

Kaj storite, kadar obtičite in ne najdete odgovora?

O znanstvenih problemih pogosto razmišljam med tuširanjem in si jih zapisujem na lističe, moja žena pa jih potem neprestano pospravlja po spalnici (smeh). V mojem delu gre predvsem za enačbe in te moram preizkušati na papirju. Če bi imel bolezen, kakršno je imel Stephen Hawking, zagotovo ne bi zmogel delati raziskav, kakršnih je bil zmožen on, saj je kalkulacije izvajal v glavi. Pri večini znanstvenih problemov ne gre za iskanje odgovorov, ampak za pravilno zastavljena vprašanja, zato se v zagatnih situacijah vselej osredotočim na vprašanje in ga poskušam preoblikovati.

Kakšna je vloga intuicije v raziskovalnem procesu?

Znanstveniki marsikaj odkrijejo intuitivno in šele nato poiščejo racionalni način, s katerim svoje odkritje razložijo in objavijo ter s tem osupnejo kolege, kako neki jim je to uspelo. Intuicija je verjetno eden ključnih delov raziskav. Znamenita je zgodba, kako je kemik Friedrich August Kekulé sanjal o kači, ki grize lasten rep, in tako odkril kemijsko formulo bencina.

Tudi jaz sem se velikokrat zbudil s sanjami, v katerih sem našel rešitev. Med proučevanjem sistemov na površini magnetnih polj se mi je zgodilo nekaj čudnega, a zelo uporabnega. Ponoči sem imel jet lag in malo delal, malo dremal, ko sem se iznenada prebudil s podobo, da bi stvari postavil na površino sfere, ki obkroža magnetni monopol. Sanjal sem o nečem, kar dejansko ne obstaja, toda matematično je bilo učinkovito in sem tako lahko rešil problem. Te sanje sem imel dan po obisku mojega mentorja ob njegovi šestdesetletnici, z njim sem se o tem problemu pogovarjal.

Profesorja Philipa Warrena Andersona, ki je leta 1977 prejel Nobelovo nagrado za fiziko?

Tako je. Sanje so sledile intenzivnemu pogovoru z njim in mi predstavile odgovor. Možgani med spanjem procesirajo dnevne dogodke in se odločajo, katere spomine je vredno ohraniti in katerih ne.

Ali je mogoče kvantno prepletenost izkusiti s čutili in na ta način pojasniti intuicijo in druge, nenavadne dogodke? Je mogoče izkustveno povezati kvantni svet in nam domači svet »normalne« snovi?

Ljudje marsikaj špekulirajo o delovanju možganov. Eden mojih kolegov Matthew P. A. Fisher proučuje učinke litijevih izotopov, ki imajo različne spine, na zdravljenje manične depresije. Vendar je njegova teorija zelo nemainstreamovska. Za zdaj zanjo ni nikakršnega dokaza, tudi jaz sem do nje skeptičen in prav zanima me, ali mu jo bo uspelo eksperimentalno potrditi. Morda bomo v prihodnje bolje razumeli dogajanje v možganih, kako so organizirani nevroni, a vendar ne morem reči, da obstaja dokaz o povezavi kvantne prepletenosti in človeških občutij ter o nekakšnih kvantnih povezavah med nami. Takšne špekulacije sodijo v parapsihologijo, popularni mediji imajo te teme zelo radi, toda kvantna mehanika temelji na molekulah, stanjih snovi in temperaturnih vrednostih.

Ko je 4. oktobra 2016 ob pol petih zjutraj zazvonil telefon, ste slutili, kakšna novica se vam obeta?

Klici sredi noči lahko tudi sporočajo, da je nekdo umrl, dober mesec pred tem mi je namreč umrla mama. Vedel sem, da se o Nobelovi nagradi odloča približno v tistem času, a temu nisem posvečal posebne pozornosti. Ko sem se oglasil in zaslišal švedski naglas gospe, sem bil presenečen, ne pa tudi šokiran. Nihče ne dobi Nobelove nagrade nepričakovano. Nobelova nagrada se podeljuje za izjemne dosežke, vendar odločitev ne sme pasti prehitro, saj se kasneje lahko izkaže, da je bila teorija napačna. Treba je počakati na učinke znanstvenega dosežka, tako da se šele retrospektivno pokaže izjemnost določenega dela. Včasih traja zelo dolgo, da se ugotovi, zakaj je to, kar počneš, izjemno pomembno.

A tega dne ste se kljub intenzivnemu medijskemu dogajanju in prejemanju čestitk odpravili na univerzo in izvedli redno predavanje. Kaj ste sporočili študentom?

Rekel se jim: lahko jo dobite tudi vi. Vedno obstajajo supergeniji, ki delajo fantastično, pa ni nujno, da jo bodo dobili. Nobelova nagrada v fiziki je namreč namenjena odkritjem, ki so ne le teoretsko, ampak tudi eksperimentalno potrjena, in to odkritjem, ki so nenadejana in nepričakovana. Tega, kar je nenadejano in nepričakovano, pa ni mogoče iskati. Raziskovalec mora imeti srečo, da naleti nanj, in prav zato so raziskave, ki temeljijo na radovednosti, tako izjemno pomembne. Za prepoznanje nečesa nenadejanega in nenavadnega mora znanstvenik seveda imeti ogromno znanja in biti temeljito pripravljen. V znanosti je tako pomembno oboje – pripravljenost in sreča, poleg tega mora biti znanstvenik raziskovanju strastno predan.

Kaj vam pomeni Nobelova nagrada?

Na osebni ravni gre za zavedanje o pomembnosti mojega odkritja, a obenem je najmanj toliko pomembna za moje področje, vključno s tem, da je lahko v navdih študentom in mladim raziskovalcem.