Nauka dla Społeczeństwa

01.02.2023
PL EN
20.12.2022 aktualizacja 15.01.2023

Co robimy w ukryciu? Naukowy outsider bada samotników z obrzeży galaktyk

Wszystkie ilustracje do tekstu wygenerowane przez sztuczną inteligencję DALL-E Wszystkie ilustracje do tekstu wygenerowane przez sztuczną inteligencję DALL-E

Czy na obrzeżach galaktyk - tam, gdzie ciemno, pusto i zimno - cząsteczki pozbawione obserwatorów i wszelkich kontaktów z materią popadają w "kwantowe rozmycie", przez które jeszcze trudniej je zaobserwować? Na łamach "Scientific Reports" naukowy outsider proponuje, jak to zbadać. Czy jego praca zostanie dostrzeżona i naukowcy potwierdzą (lub obalą) jego hipotezy? I z jakimi problemami dręczącymi akademię taki badacz musi się po drodze zmierzyć?

Jakub Ratajczak postanowił przeanalizować, co może się dziać w superrzadkich gazach na obrzeżach galaktyk. Doszedł do wniosku, że nawet najzwyklejsze cząsteczki, np. złożone z atomów wodoru, jeśli przez bardzo długi czas nie oddziałują z niczym, to zgodnie z regułami mechaniki kwantowej mogą nabierać niezwykłych właściwości: jeszcze trudniej oddziałują z materią i stają się trudniejsze do obserwacji.

Jeśli tak rzeczywiście jest - wnioskuje Ratajczak - to taka samotna materia może mieć różną przejrzystość w zależności od tego, jak dużym detektorem się ją obserwuje.

DALL-E
Wszystkie ilustracje do tekstu wygenerowane przez sztuczną inteligencję DALL-E 

Gdyby hipotezy Ratajczaka się potwierdziły, być może dałoby się w nowy sposób wyjaśnić, czym może być ciemna materia (albo chociaż część z niej), a więc brakujące 84 proc. masy Wszechświata.

Ale zaraz, zaraz. Nie tak szybko. W nauce wszystko powinno się dziać po kolei. A tu jeszcze sporo kroków do pokonania.

Wszystkie ilustracje do tekstu wygenerowane przez sztuczną inteligencję DALL-E
DALL-E 

SAMOUK ZABIEGA O UZNANIE W NAUCE

Dużą przeszkodą jest choćby to, że Jakub Ratajczak to z wykształcenia informatyk. A chociaż jego badania z pogranicza mechaniki kwantowej i astrofizyki opublikowały dobre czasopisma naukowe - "Scientific Reports" oraz „Results in Physics”, to Ratajczak nie studiował tych kierunków na uczelni. Jest w tych dziedzinach samoukiem.

Fizyka na razie pochłania więc jego czas wolny. I oszczędności. Jako wolontariusz współpracuje z zespołem bioinformatyków prof. Joanny Sułkowskiej w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. Ma więc afiliację UW, ale nie ma tam etatu.

NAJPIERW TEORIA, POTEM - EKSPERYMENT

Ratajczak oczywiście wie, że aby rozwijać "prawdziwą" naukę, trzeba mówić językiem nauki: poddać swoją myśl recenzji ekspertów. Najpierw opublikował więc w "Results in Physics" https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103674 pracę teoretyczną, w której opisał hipotezę dotyczącą przejrzystości materii nie wystawionej na żadne oddziaływania.

Nikt jednak nie zainteresował się jego badaniami i nie odniósł się do jego hipotezy. Publikacja w dobrym czasopiśmie nie gwarantuje przecież cytowań. Badacz-hobbysta postanowił więc sam się przekonać, czy ma rację, i we własnym zakresie przeprowadzić eksperyment testujący jego hipotezy.

DALL-E
DALL-E 

TO NIE PRÓŻNOŚĆ, TYLKO PRÓŻNIA

"Miałem do wyboru albo kupić nowy samochód, albo przeprowadzić na własną rękę eksperyment. No to wiadomo, co wybrałem. Po co mi drugi samochód" - uśmiecha się Ratajczak. A wydatków trochę się uzbierało, bo potrzebna była m.in. duża komora próżniowa i laboratoryjne instrumenty do obserwacji rozrzedzonego gazu. Ratajczak komentuje, że wyniki tego eksperymentu - opisane w kolejnym artykule w 'Scientific Reports' - są "obiecujące", choć jeszcze nie przesądzają o prawdziwości jego hipotez.

Ostatnio opublikował kolejny z serii artykuł teoretyczny, również w "Scientific Reports". Tym razem opisał, że takie niespodziewane właściwości superrzadkiego gazu mogą również objawiać się w układach zamkniętych, czyli np. w centrach galaktyk lub właśnie w komorze próżniowej.

Ale co po kolejnych publikacjach naukowych, jeśli znów nikt się nimi nie zainteresuje? Ratajczak jest świadom, że kolejnym krokiem w drodze do sukcesu naukowego jest to, by jego pomysł zakiełkował jeszcze w umysłach innych naukowców. Aby ożyła naukowa dyskusja nad jego pomysłem.

Przygotował więc stronę internetową o swoich pomysłach (https://smearedgas.org/) i zabiega o to, by jego hipotezy potwierdził teraz - lub obalił - ktoś, kto fizyką kwantową lub astrofizyką zajmuje się na co dzień. Ktoś, kto jest wewnątrz systemu naukowego, ma autorytet i siłę przekonywania.

Na razie po swojej stronie Ratajczak ma badacza z zagranicy, prof. Arta Hobsona, emerytowanego profesora fizyki z University of Arkansas w Fayetteville i autora poczytnych książek o fizyce kwantowej. "Przyjrzałem się pracom Ratajczaka. Wydają mi się sensowne i poprawne, choć nie sprawdzałem dokładnie wszystkich jego obliczeń. Zakładam, że obliczenia te sprawdzili wcześniej recenzenci publikacji" - komentuje dla Nauki w Polsce. I dodaje, że według niego Ratajczak “na pewno sprawia wrażenie, jakby rozumiał, o czym mówi, i pokazuje w swoich pracach solidną porcję porządnej fizyki kwantowej". Prof. Art Hobson zdradza, że pisze właśnie książkę o podstawach mechaniki kwantowej. Prawdopodobnie znajdzie się w niej dyskusja dotycząca prac Ratajczaka.

DALL-E
DALL-E 

WIELKIE ODKRYCIE CZY WIELKA LIPA?

Serwis Nauka w Polsce poprosił o komentarz w sprawie tych publikacji dr. hab. Piotra Wasylczyka, profesora z Wydziału Fizyki UW, z którym Ratajczak konsultował się w sprawie badań.

"Prace Jakuba Ratajczaka - zarówno ta teoretyczna, jak i eksperymentalna - wydają się spójne, i według mnie, po pobieżnej analizie, nie widać w nich błędów" - ocenia prof. Wasylczyk. Zastrzega jednak, że w potwierdzenie lub obalenie hipotez Ratajczaka trzeba włożyć trochę pracy. Piotr Wasylczyk zaznacza, że nie zajmuje się mechaniką kwantową ani astrofizyką. Dlatego przekierował Jakuba Ratajczaka do kilku innych polskich badaczy, którzy byliby lepszymi ekspertami w tym zakresie.

Jakub Ratajczak podsumowuje, że chociaż szuka polskich naukowców do współpracy, to dotąd albo spotykał się tu z brakiem zainteresowania, albo dostawał od nich krytyczne, choć niezbyt merytoryczne komentarze na temat swojej pracy.

"Od jednego z badaczy, którego poprosiłem o konsultację, usłyszałem: 'Albo to wielkie odkrycie, albo wielka lipa'" - wspomina. I zaraz dodaje: "To i tak jedna z przychylniejszych uwag, z jakimi się spotkałem w polskim środowisku akademickim".

DALL-E
DALL-E 

KTO PRZECZYTA, KTO ZAPYTA?

Ratajczak zaznacza, że jest otwarty na dyskusję. "Mam świadomość, że gdzieś mogłem popełnić błąd - czy to w pracy teoretycznej, czy eksperymentalnej. Jeśli tak jest - chciałbym, żeby ktoś zwrócił mi na to uwagę. No bo jeśli nie mam racji, to po co mam tracić na te pomysły kolejne lata życia" - mówi.

"Brak zainteresowania jakąś pracą badawczą to akurat nic zaskakującego. Ja jestem autorem ok. 70 prac naukowych, z czego jedna trzecia nie ma żadnych lub prawie żadnych cytowań" - stwierdza prof. Wasylczyk z UW. I zwraca uwagę, że to norma. W środowisku akademickim powstaje bowiem bardzo wiele publikacji - choćby dlatego, że naukowców rozliczają z tego uczelnie. A jeśli do przeczytania jest wiele artykułów, to uwadze mogą umknąć prace nietypowe, wyjątkowe.

DALL-E
DALL-E 

NAUKA ROZMIENIONA NA DROBNE

Fizyk z UW zwraca uwagę, że podejście do badania obrzeży galaktyk, które proponuje Ratajczak, jest niestandardowe, dlatego może być trudno znaleźć eksperta, który by się tym zainteresował.

"Ja bym mógł się tym zająć, gdybym się cofnął do wiedzy, którą zdobywałem na początku mojej drogi naukowej. A teraz moja specjalizacja poszła w zupełnie innym kierunku" - mówi. I dodaje, że specjalizacja i rozdrobnienie to teraz element dla nauki bardzo charakterystyczny.

A z tego wynika problem: badacze są tak zagłębieni w swoje specjalizacje, że może być im trudno podjąć zupełnie świeżą myśl - z obrzeża galaktyki ich zainteresowań - która potencjalnie zanegować może sens wielu lat ich badań.

"A ja przyszedłem do fizyki z zewnątrz, więc nie bałem się postawić nietypowych hipotez" - uśmiecha się Ratajczak.

DALL-E
DALL-E 

NEGATYWNA RECENZJA SYSTEMU RECENZJI

Ratajczak proponuje nietypowe podejście. Cy wobec tego można ufać, że recenzenci z „Results in Physics” i "Scientific Reports", którzy ocenili prace naukowca bez doktoratu - mogli to zrobić, nie do końca rozumiejąc, o co w nich chodzi? - pytamy prof. Wasylczyka.

Zawsze istnieje taka ewentualność. To problem, który dotyczy właściwie każdej publikacji naukowej - komentuje naukowiec. I opowiada, że recenzenci w czasopismach naukowych (których aprobata jest konieczna, aby artykuł mógł się ukazać) dobierani są przez redakcję czasopisma. Są anonimowi, a za pracę nie otrzymują wynagrodzenia. I wspomina, że kiedy on otrzymuje recenzje swoich prac, zwykle widzi, że recenzent zna się na rzeczy i daje sensowne komentarze. Jednak zdarza się i taki recenzent, który zadaje niemerytoryczne pytania. "Mam wątpliwości, czy rozumie mój tekst" - ocenia Wasylczyk.

Badacz zwraca uwagę na kolejny problem z recenzjami. "System recenzencki dobrze spisywał się może sto lat temu, kiedy prac naukowych było mało, a naukowcy z danego obszaru wiedzy znali się i śledzili na bieżąco wszystkie publikacje. Grzecznościowa zgoda na napisanie recenzji raz na pół roku nie była problemem" - mówi. Dodaje, że w ostatnich dekadach nastąpiło jednak umasowienie nauki, a czasopism naukowych i badaczy z całego świata jest mnóstwo. "Prośby o recenzje dostaję kilka razy w miesiącu i sporo z nich muszę odrzucać" - mówi. Jego zdaniem może się więc zdarzać, że recenzentami jakiejś pracy zostaną osoby, które nie do końca powinny się na jakiś temat wypowiadać. Proces recenzji wcale nie gwarantuje, że praca nie zawiera błędów - przypomina Wasylczyk.

DALL-E
DALL-E 

TAK CIEMNO, PUSTO I ZIMNO, ŻE OSZALEĆ MOŻNA

Po tej dygresji dotyczącej krytyki systemu nauki wróćmy do opisu pomysłu Ratajczaka. Bo gdyby nie był to pomysł ciekawy - a w dodatku nie wiadomo, czy jest słuszny - to po co się nim zajmować.

Ratajczak opowiada, że zastanawiał się nad właściwościami superrzadkich gazów, jakie występują choćby na obrzeżach galaktyk.

Wylicza, że gdyby w tamtych obszarach była tak wysoka próżnia, że w centymetrze sześciennym byłby jeden atom wodoru to – przekładając na naszą skalę - gdyby był wielkości człowieka, najbliższego sąsiada miałby jak w pół drogi na Księżyc.

Całkiem możliwe więc, że takie samotne cząsteczki przez bardzo długi czas - setki, tysiące czy nawet może i miliony lat - mogą podróżować w ciemności przez Wszechświat, niezauważone przez nic i nikogo; nie zderzając się z innymi cząstkami.

DALL-E
DALL-E 

SAMOTNOŚĆ DŁUGODYSTANSOWCA

A tacy samotni podróżnicy - wynika z analiz badacza-hobbysty - mają mnóstwo czasu, żeby praktykować "kwantowe szaleństwo". "Podejrzewam, że ze względu na to, że cząstki gazu nie są tam wystawione na oddziaływania zewnętrzne, to istotne znaczenie zyskują nielokalne zjawiska mechaniki kwantowej" - ocenia Ratajczak.

Jedno z najbardziej znanych doświadczeń, pokazujących taką właśnie nielokalność, to eksperyment Younga. Kiedy wystrzelona w stronę ekranu cząstka przez nikogo nie jest podglądana i ma możliwość przejścia przez dowolną z dwóch szczelin, zdaje się zachowywać raczej jak fala, niż jak "kulka" materii - zostawia na ekranie za szczelinami wzór interferencyjny - tak, jakby przeszła przez obie szczeliny jednocześnie. Kiedy jednak cząstka jest obserwowana i dokładnie wiadomo, przez którą ze szczelin przeszła - wzór na ekranie jest taki, jakby nie była falą, ale raczej maleńką kulką. Ten eksperyment uświadamia nam, że kwantowe szaleństwa ujawniają się już po ułamkach sekund "życia w ukryciu". A co, jeśli cząstek nikt nie obserwuje przez całe wieki, tysiące czy miliony lat? No właśnie to zaciekawiło Ratajczaka.

W opublikowanych pracach badacz-hobbysta uwzględnił zjawisko kwantowe - tzw. rozmycie funkcji falowej cząstek gazu (czyli właśnie ich nielokalność). Pokazał, że prowadzi ono do zwiększenia przezroczystości "chmury" takiego superrzadkiego gazu porównując do przewidywań klasycznych praw. Cząsteczki długo nie obserwowane przez nikogo stają się więc dla obserwatorów jeszcze bardziej przezroczyste - uważa.

Klasyczne prawa (tzw. prawo Beer-Lamberta) opisują bowiem model, gdzie cząstki gazu są uznawane za bardzo małe "kulki". Gaz taki nazywa się w literaturze gazem idealnym. "Zaproponowany przeze mnie model gazu można natomiast opisać jako 'rozmyty' (smeared gas)" - mówi. Zamiast kulek są to raczej gigantyczne pola prawdopodobieństwa, gdzie cząstka może z czymś zareagować.

DALL-E
DALL-E 

Prof. Art Hobson (który jest autorem dobrze cytowanej pracy sugerującej, że nie ma cząstek, a jedynie pola) streszcza, że badania Ratajczaka przedstawiają eksperymentalne wsparcie dla hipotezy, że kwantowa funkcja falowa jest realnym, fizycznym obiektem w przestrzeni.

Przewidywania te dopuszczają występowanie chmur gazu zwykłej materii (np. wodoru) w galaktykach - ale w taki sposób, że chmury te są niewidoczne, tj. przezroczyste dla obserwacji. "Jest to nadzwyczaj zgodne z wymaganiami stawianymi tzw. ciemnej materii: zagadkowej, niewidocznej formy materii odpowiedzialnej m.in. za stabilne utrzymywanie grawitacyjne galaktyk" - tłumaczy Ratajczak.

Według hipotezy Ratajczaka innym ciekawym zjawiskiem, które się z tym łączy, jest to, że przejrzystość takiej materii zależy od instrumentu, za pomocą którego się ją obserwuje. Im większa średnica detektora "wpatrzonego" w dany obszar, tym mniej przezroczysty powinien być gaz rozmyty. Czyli znów - jak w doświadczeniu Younga - właściwości materii zależą od obserwatora.

Pomysł Ratajczaka nie jest więc tylko filozofowaniem, co może się dziać na obrzeżach galaktyki. Jego teorie powinny dać się zbadać za pomocą eksperymentów. Mają więc cenną w nauce własność: są falsyfikowalne. To jednak jeszcze nie znaczy, że ktoś podejmie się próby ich falsyfikacji.

DALL-E
DALL-E 

TRZY OPOWIEŚCI

W zależności od tego, przez jaki pryzmat spojrzymy na casus Jakuba Ratajczaka, można w nim dojrzeć kilka opowieści. Po pierwsze może to być opowieść o cząsteczkach, które przez nikogo nie zauważone miałyby przemierzać Wszechświat, stając się coraz bardziej niewidoczne. Po drugie może być to też historia o człowieku, który zrozumiał, że nie chce, by jego idee przemykały przez świat zupełnie niezauważone - chce wejść w oddziaływanie z zupełnie nowym sobie otoczeniem. I po trzecie - może to być opowieść o otoczeniu, w którym wędrowcy chcą pozostać samotnymi - poruszają się w dawno ustalony sposób, unikając wszelkich sposobności, aby zmienić tor swojego ruchu. Nawet, jeśli te spotkania uczynić by ich miały bardziej dostrzegalnymi.

PAP Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2023