„Naukowiec – teoretyk czy eksperymentator – formułuje zdania lub systemy zdań, które sprawdza krok po kroku. W szczególności na polu nauk empirycznych konstruuje on hipotezy, systemy teorii i sprawdza je doświadczalnie poprzez obserwację i eksperyment.” [1]
fot. freepik
Gdy w 1832 roku Michaela Faradaya (1791-1867), angielskiego fizyka doświadczalnego i chemika, w jego laboratorium odwiedził premier Wielkiej Brytanii i ujrzał w kącie urządzenie – dynamo wytwarzające prąd – zaciekawił się jego zastosowaniem. Na pytanie do czego można je wykorzystać Faraday miał odpowiedzieć: „Nie mam pojęcia, do czego może służyć. Ale założę się, że pana rząd nałoży kiedyś na to podatek”. Niecałe pół wieku później, w 1880 roku, w Wielkiej Brytanii wprowadzono podatek od produkowania elektryczności.
Ta krótka anegdota w wyjątkowo obrazowy sposób pokazuje dwie strony nauki – jej wymiar czysto badawczy, poznawczy, będący esencją nauki samej w sobie oraz aspekt praktycznego jej zastosowania.
Naukę można definiować na wiele sposobów. Jedna z wielu definicji encyklopedycznych określa ją m.in. jako autonomiczną część kultury, służącą wyjaśnieniu funkcjonowania świata, w którym żyje człowiek. Nauka to również zobiektywizowany (niezależny od postaw i poglądów badacza) sposób powiększania zasobu dostępnej wiedzy o różnych aspektach otaczającej rzeczywistości. Nauka jest funkcją ludzkiej ciekawości, która może, ale nie musi, mieć praktyczne zastosowanie. Realizacja nauki zakłada postawienie hipotez, ich weryfikację lub falsyfikację za pomocą właściwych dla danej dyscypliny naukowej narzędzi i metod, a następnie upublicznienie w celu poddania ocenie specjalistów w danej dziedzinie. Nauka nie posiada i nie tworzy prawd absolutnych – to co jest prawdziwe na pewnym etapie poznania, może być zanegowane na etapie późniejszym.
Jedną z istotnych kwestii odnoszących się do uprawiania nauki jest postawienie hipotezy badawczej, którą rozumieć można jako pomysł badacza na wyjaśnienie poczynionych obserwacji. Aby dana hipoteza naukowa stała się, przynajmniej na jakiś czas, swego rodzaju „naukową prawdą”, musi zostać zweryfikowana, czyli uprawdopodobniona przez prowadzone badania naukowe, których podstawowym celem jest wspomniana już wcześniej weryfikacja lub falsyfikacja hipotezy. Te dwa elementy stanowią podstawę naukowej metody opisywania rzeczywistości. Elementami metody naukowej są narzędzia naukowe i badania naukowe. Narzędzia naukowe to zespół materialnych i niematerialnych wytworów umysłu i rąk ludzkich, wytworzonych specyficznie w celu rozwiązania danego problemu naukowego lub w celu rozwiązywania grup pokrewnych problemów. Narzędzie naukowe jest często swoiste dla danej dyscypliny (np. ankiety dla nauk socjologicznych, równania i inne konstrukty matematyczne dla nauk ścisłych, technika barwienia bakterii w mikrobiologii), ale może być też uniwersalne (np. metody statystyczne można stosować do opisu zachowań atomów, komórek, ale i społeczności ludzkich). System prawdziwych i zweryfikowanych hipotez w danej dziedzinie nauki tworzy paradygmaty.
Nauka podstawowa to gałąź badań naukowych, która ma na celu poszerzenie wiedzy oraz zrozumienie podstawowych zasad i mechanizmów leżących u podstaw zjawisk naturalnych. Kieruje się przede wszystkim ciekawością naukową i dążeniem do wiedzy dla niej samej, a nie do natychmiastowych zastosowań praktycznych. Badacze zajmujący się naukami podstawowymi prowadzą badania eksploracyjne, często wykorzystując modele teoretyczne, przeprowadzając obserwację, czy też eksperymenty w celu dokonania nowych spostrzeżeń, odkrycia nowych zjawisk i zaproponowania modeli teoretycznych. Odkrycia nauk podstawowych kładą podwaliny pod przyszłe wynalazki i patenty, co bezpośrednio przekłada się na postęp w różnych dziedzinach.
Za przykład niech posłuży jedna z najbardziej znanych teorii XX wieku, teoria względności Alberta Einsteina. Sformułowana w 1905 roku szczególna teoria względności zakłada, że prawa fizyki są wszędzie takie same oraz wyjaśnia działanie obiektów w czasie i w przestrzeni. Albert Einstein oparł swe rozumowanie na dwóch postulatach: po pierwsze, na zasadzie względności, która głosi, że prawa fizyki są jednakowe we wszystkich układach inercjalnych – musi obowiązywać dla wszystkich praw zarówno mechaniki, jak i elektrodynamiki oraz po drugie, na niezmienności prędkości światła, co oznacza, że prędkość światła w próżni jest taka sama dla wszystkich obserwatorów, taka sama we wszystkich kierunkach i nie zależy od prędkości źródła światła. Połączyła dwa pojęcia – przestrzeń i czas, wprowadzając pojęcie czasoprzestrzeni. Przewiduje również istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur. Ogólna teoria względności znalazła zastosowanie w najbardziej zaskakujących dziedzinach, np. w globalnym systemie nawigacji satelitarnej zwanym GPS (ang. Global Positioning System), wyjaśniła anomalie orbity Merkurego, pośrednio przyczyniła się do wykorzystania energii jądrowej w bombach i elektrowniach, budowy potężnych akceleratorów, a także do konstrukcji laserów.
Przykładem badań podstawowych są prace badawcze realizowane przez dr Annę Zdeb, fizyczkę z Instytutu Fizyki na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Badaczka zajmuje się analizą zjawisk związanych z fizyką jądrową, w szczególności kwestiami obejmującymi zagadnienia niestabilności jąder atomowych, czyli wszelkie te zjawiska, które prowadzą do rozpadu jądrowego i produkują dwa różne jądra, albo jądro i cząstkę, i emitują pewną energię. Jedynym z podstawowych praw przyrody jest dążenie każdego elementu do minimum energetycznego, czyli osiągniecie takiego stanu energii, stanu podstawowego, które określić możemy jako stabilne. Większość jąder atomowych jest niestabilnych, ale podlegają różnym procesom. Jądro atomowe zbudowane jest z protonów i neutronów (nukleonów). Najlżejsze jądro atomowe to jądro wodoru, które ma tylko jeden proton. Każde kolejne jest cięższe. Do pewnego momentu, jak dokładamy te poszczególne nukleony, one będą się chętnie wiązały i taki układ będzie coraz stabilniejszy (nukleosynteza). Ale osiągnięty może zostać taki krytyczny punkt energii wiązania, w okolicach jądra żelaza, gdzie od tego momentu dołączenie kolejnych nuklenów już nie jest takie proste, bo energia wiązania spada. Okazuje się to być coraz trudniejsze. Im bardziej oddalamy się od żelaza w stronę cięższych jąder, tym chętniej one by się podzieliły i stały się jądrami bardziej stabilnymi.
Doktor Anna Zdeb w swoich analizach badawczych zajmuje się głównie spontanicznymi rozpadami, czyli takimi, które zachodzą samoczynnie, bez żadnej ingerencji. Zjawisko rozszczepienia jest znane od ponad 80-ciu lat, ale nadal jest ono niepoznane do końca. Pomimo intensywnych badań fizycy jądrowi są ograniczeni możliwościami poznawczymi natury przez człowieka. Nukleony same w sobie nie są cząstkami elementarnymi, składają się z kwarków i gluonów, a pomiędzy mini zachodzą zjawiska, które jeszcze nie są do końca przez fizyków poznane i opisane. Nasza praca - jak mówi badaczka - polega na tym, że my staramy się zrozumieć, zastanowić się jakie te oddziaływania powinny być i czy one są takie, jak je sobie wyobraziliśmy.
Zjawisko spontanicznego rozszczepienia jąder atomowych jest przedmiotem badawczym realizowanego przez dr Annę Zdeb projektu: Rola oddziaływań pairing w procesie spontanicznego rozszczepienia jąder atomowych – INSPaIRING (2021/43/P/ST2/03036). Działanie realizowane jest dzięki wsparciu finansowemu Komisji Europejskiej oraz Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu Marie Skłodowska-Curie COFUND programu Horyzont 2020 na podstawie umowy nr 945339.
W przedłożonym przez badaczkę opisie projektu czytamy:
Spontaniczne rozszczepienie jądra atomu jest procesem, w wyniku którego nukleony tworzące jądro dzielą się samoistnie, formując dwa lżejsze jądra. Ta niestabilność ciężkich jąder atomowych, jest konsekwencją jednego z podstawowych praw przyrody - pozwala przeprowadzić układ nukleonów w stan o minimalnej energii. Badania (doświadczalne i teoretyczne) nad zjawiskiem rozszczepienia prowadzone są nieprzerwanie od chwili pierwszej obserwacji tego zjawiska (rok 1938). Wciąż wiele aspektów procesu stanowi wyzwanie poznawcze. Opracowanie modelu teoretycznego, który w sposób spójny i dokładny odtwarzałby mierzalne charakterystyki spontanicznego rozszczepienia, jest szczególnie istotne w kontekście „mocy przewidywania” w obszarach niedostępnych eksperymentalnie. Do tych obszarów należy między innymi zjawisko nukleosyntezy zachodzące w gwiazdach, którego dokładny opis pozwoliłby wytłumaczyć rozpowszechnienie ciężkich pierwiastków w Układzie Słonecznym.
W projekcie tym zakłada się, że szczegółowy opis zjawiska rozszczepienia można otrzymać przy wykorzystaniu narzędzi właściwych dla opisu mikroświata - mechaniki kwantowej. Stan jądra jest jednoznacznie opisany przez funkcję falową, będącą sumą funkcji nukleonów tworzących jądro. Odpowiednio zdefiniowana funkcja falowa zawiera w sobie pełną informację o badanym izotopie, zarówno w jego stanie podstawowym, jak też na każdym etapie jego postępującej w czasie deformacji, prowadzącej do rozszczepienia. Korzystając z podstawowych narzędzi, których dostarcza mechanika kwantowa, można śledzić, jak ewoluuje w czasie kształt jądra, a także określić prawdopodobieństwo, z jakim jądro przyjmie konkretny, kształt poprzedzający rozszczepienie. Ponadto przyjmuje się, że rewizja i modyfikacja pewnych założeń istniejących mikroskopowych modeli opisu jądra, pozwoli na głębsze zrozumienie procesu rozszczepienia, a tym samym poprawi zgodność obliczeń teoretycznych z dostępnymi wartościami zmierzonymi w eksperymentach.
Tradycyjnie przebieg procesu rozszczepienia opisuje się jako ewolucję kształtu jądra od stanu podstawowego, w którym jądro zwykle jest w kształcie zbliżonym do sfery, aż do deformacji poprzedzającej rozerwanie, gdy jądro przybiera kształt molekularny, z wyraźnym przewężeniem. Zależność energii potencjalnej jądra odpowiadającej konkretnej deformacji otrzymuje się wówczas poprzez rozwiązanie równań przy uwzględnieniu różnych parametrów opisujących „geometrycznie” deformację jądra. W niniejszym projekcie postuluje się, by równania te rozwiązać uwzględniając, poza zmiennymi związanymi bezpośrednio z deformacją, także inne stopnie swobody, związane z wewnętrzną strukturą jądra i uporządkowaniem nukleonów.
W ramach projektu planowane jest przeprowadzenie obliczeń z uwzględnieniem wspomnianych założeń dla reprezentatywnej grupy izotopów. Zakłada się, że w ten sposób uda się odtworzyć z zadowalającą zgodnością istotne charakterystyki zjawiska rozszczepienia: rozkład mas fragmentów rozszczepienia i czas połowicznego zaniku. Wybór tych dwóch charakterystyk związany jest z faktem, że są to wielkości mierzalne w eksperymentach, toteż możliwe będzie porównanie otrzymanych wyników teoretycznych z doświadczalnymi w celu weryfikacji poprawności przyjętych założeń.
Czas połowicznego zaniku jest to czas, po którym z początkowej liczby jąder w próbce, nietrwałych ze względu na spontaniczne rozszczepienie, pozostanie połowa. Jest to wielkość, która charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych jak temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, czy stan skupienia.
Drugą badaną charakterystyką jest rozkład mas produktów powstających w wyniku rozszczepienia jądra macierzystego. Seria pomiarów mas produktów, pochodzących z próbki określonego izotopu rozszczepialnego, pozwala zarejestrować, ile razy dany podział nukleonów miał miejsce. Odłożenie wyników takiego eksperymentu na wykresie tworzy rozkład mas fragmentów rozszczepienia, będący graficznym przedstawieniem statystycznej natury zjawiska.
Rozkład mas fragmentów rozszczepienia jest więc czymś w rodzaju "linii papilarnych" izotopu, jedną z podstawowych charakterystyk jądra, a jego kształt pozwala pośrednio wnioskować o strukturze izotopu macierzystego. Obserwowane rozkłady mas świadczą o złożoności procesu rozszczepienia. Opracowanie pełnego opisu teoretycznego, pozwalającego na odtworzenie danych eksperymentalnych, byłoby istotnym krokiem na drodze do zrozumienia mechanizmów rządzących podziałem nukleonów pomiędzy fragmenty.
Spodziewa się, że przeprowadzenie rachunków w oparciu o przyjęte założenia pozwoli z dobrą zgodnością odtworzyć wartości zmierzone powyższych charakterystyk rozszczepienia, co pozwoli dokładniej zrozumieć mechanizmy rządzące procesem rozszczepienia. Dogłębne ich zrozumienie będzie przydatne na etapie planowania reakcji prowadzących do produkcji nowych jąder superciężkich. Pozwoli także na lepsze zarządzanie odpadami radioaktywnymi, pochodzącymi z elektrowni jądrowych.
Wybór tematu badawczego to efekt wieloletniej fascynacji zjawiskiem niestabilności jąder, ich rozszczepialności oraz wieloletniej współpracy z międzynarodowymi laboratoriami badawczymi specjalizującymi się w pokrewnych zagadnieniach. Głównym celem badaczki jest uzyskanie jak najwyższej dokładności odtwarzania wyników, znanych z eksperymentów, tak by opracowany model teoretyczny miał moc przewidywania, czyli sięgnięcia w takie obszary, które eksperymentalnie nie są znane.
I na koniec powracając do istoty i znaczenia badań podstawowych w nauce - żeby móc coś wykorzystać, „przekuć w użyteczność”, na samym początku jest konieczność wszechstronnego poznania i opisania danego zjawiska.
Anna Zdeb, doktor nauk fizycznych w Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej, stypendystka dwóch międzynarodowych staży doktoranckich: w Commissariat a l’Energie Atomique, Bruyeres-le-Chatel we Francji oraz Universidad Autonoma de Madrid w Hiszpanii. Swoją wiedzę zdobywała w takich międzynarodowych ośrodkach badawczo-naukowych jak: Rosja, Francja, Włochy i Hiszpania. Kierowniczka trzech grantów badawczych: NCN “Polonez Bis 1” (2022-2024), NCN „Etiuda” (2017 – 2018) oraz NCN „Preludium” (2015 – 2018). Autorka 14 publikacji w czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym takich jak: Physical Review C (140 pkt. MNiSW), European Physical Journal A (100 pkt. MNiSW), Physica Scripta (40 pkt. MNiSW), Acta Physica Polonica B (40 pkt. MNiSW) oraz artykułów popularyzatorskich.
Bibliografia:
Opracowanie: Izabela Łucjan
