Jadrový fyzik Branislav Sitár v rozhovore o zásadných objavoch fyziky, výskume v CERN-e aj o tom, že pravda je len jedna.
Profesor Branislav Sitár. Foto: Betty Burianová CVTI SR
Celá hmota je veľmi prázdna… Kvantová fyzika je úžasná, je to základ stability nášho sveta, hovorí jadrový fyzik Branislav Sitár, ktorý sa zaslúžil o vstup Slovenska v roku 1993 do CERN-u – Európskej organizácie pre jadrový výskum v Ženeve, najvýznamnejšieho svetového laboratória v oblasti výskumu elementárnych častíc a štruktúry hmoty. S profesorom Branislavom Sitárom sa zhovárala novinárka Tina Čorná.
Od deväťdesiatych rokov minulého storočia ste pracovali na experimentoch v CERN-e. Veda kladie veľké otázniky, no tušili ste už vtedy, aké vzrušujúce objavy vás čakajú?
Nie a práve to je úžasné. Preto ľudia radi experimentujú: vždy objavia niečo, čo nemohli ani tušiť. Keď som študoval jadrovú fyziku, predstava bola taká, že jadro by nemalo mať viac protónov ako neutrónov. No my sme potom objavili jadro 8B s takzvaným protónovým haló – a boli sme jedni z prvých na svete. Okrem toho, že toto jadro má päť protónov a len tri neutróny, objavili sme aj to, že to jadro je oveľa väčšie, ako by malo byť, lebo jeden protón je veľmi slabo viazaný a lieta ďalej, ako by podľa vtedy platnej teórie lietať mal.
Bol rok 1997 a ja si doteraz živo pamätám naše obrovské nadšenie, akoby to bolo včera. Zaujímavé je, že keď sa teraz rozprávam s kolegami jadrovými fyzikmi, protónové haló je už pre nich samozrejmá skutočnosť. No pred dvadsiatimi rokmi to bola senzácia.
Ďalšou skvelou udalosťou bolo, keď sme v roku 2011 objavili sférickú symetriu v exotickom jadre kyslíka 24O, ktoré je až trojnásobne magické, čo je úplný unikát.
Prezident Rady CERN profesor Eliezer Rabinovici ďakuje Branislavovi Sitárovi za tridsať rokov práce v Rade CERN na jej slávnostnom večere v decembri 2022. Zdroj: archív B. Sitár
V čom?
Stabilný kyslík okolo nás je kyslík 16O, má osem protónov a osem neutrónov. V kvantovej mechanike je osmička takzvané magické číslo. Inertné plyny sú veľmi stabilné, nereagujú, lebo majú uzavreté vrstvy v jadrách atómov. Magické čísla v jadrách – 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 a 126 – sú však iné ako pri elektrónoch. Preto má 16O mimoriadne stabilné jadro s dvomi osmičkami. A my sme našli jadro kyslíka 24O, ktoré má osem protónov, osem neutrónov a osem ďalších neutrónov, čiže tri magické čísla. Toto si takisto pamätám, akí sme boli nadšení a uveličení z toho, že niečo také je vôbec možné.
Presnými meraniami sme objavili aj to, že 16O tvorí kompaktné sférické jadro, akúsi guľôčku, a tých ďalších osem neutrónov lieta oveľa ďalej a vytvárajú neutrónovú kožu (neutron skin). Treba povedať, že tá koža existuje len milisekundu, potom sa rýchlo rozpadne. Keď sme prvý raz ukázali, že sme zachytili sférické jadro s neutrónovou kožou, ktorú tvorí až osem neutrónov, a že to celé drží spolu úplne inak, boli sme nadšení, že niečo podobné existuje. Boli to zásadné objavy pre fyziku.
Časopis Quark nesie názov medzinárodného označenia kvarkov – elementárnych častíc, z ktorých pozostáva hmota. Ako si spomínate na nečakané správanie kvarkov vo výskumoch v CERN-e, pri ktorých ste boli?
Od roku 2010 sa v CERN-e robí predovšetkým fyzika kvarkov, teda experimenty na kvarkovej úrovni. Keby sme hovorili napríklad o presnostiach v meraní výskumov, CERN sa v rámci protónových zrážok dostáva na úroveň 10–19 až 10–20 m. Protón má rozmer 10–15 m, rozlíšenie na LHC (vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, pozn. red.) je stotisíckrát lepšie, ale aj tak nevidíme na rozmer kvarku. Vieme, že tam je, ako sa správa, vieme ho opisovať rovnicami, vieme všeličo. No nevidíme ho, pretože je ešte menší ako naša rozlišovacia schopnosť.
Je to tušenie kvarku?
Skôr istota. Fakt, že v protóne sú prítomné tri kvarky, je dokázaný. Keď zrážame protóny s protónmi, vieme, že zaujímavé sú takzvané eventy, keď sa zrazia dva kvarky. Protón je totiž veľmi prázdny. V podstate celá hmota je veľmi prázdna.
Protón je totiž veľmi prázdny. V podstate celá hmota je veľmi prázdna.
Prípad zrážky Pb-Pb pri energii 2,76 A.TeV zaregistrovaný detektorom ALICE TPC (Time-Projection Chamber). Stopy častíc vo vnútornej časti zobrazenia produktov interakcie sú zobrazené pomocou IROC komôr vyrobených na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského (FMFI UK) v Bratislave. Zdroj: archív B. Sitár
Ako sa dá také prázdno predstaviť?
Keď je rozmer protónu 10–15 a kvarkov menej ako 10–20, musíme si uvedomiť, že kvarky sú najmenej stotisíckrát menšie ako protón. Na porovnanie, keby mal kvark jeden meter, priemer protónu, v ktorom sa pohybuje, by musel mať vyše sto kilometrov. Znamená to, že sa pohyboval od Nitry po Bratislavu. Hmota je vlastne nepredstaviteľne prázdny priestor – prázdne atómy a ešte prázdnejšie protóny. No v protóne máme aj gluóny, o ktorých vieme ešte menej. Navyše tri kvarky tvoria len jedno percento hmoty; 99 percent hmoty protónu sa nachádza práve v gluónoch. Kvantová fyzika je úžasná, ako sa v nej všetko nečakane mení.
Napríklad?
Už len štúdium samotného protónu je osobitná kapitola, o ktorej sa dá dlho hovoriť. Keď je protón v pokoji v našej známej hmote, potichu si sedí a nerozpadne sa ani za celý vek vesmíru. Robili sa merania, či nájdeme rozpad protónu. Nenašli sme ho. Polčas rozpadu protónu je teraz na úrovni 1035 rokov, ale náš vesmír existuje len 1011 rokov, čiže protón je veľmi stabilný dynamický objekt.
Kvantová fyzika je úžasná, ako sa v nej všetko nečakane mení.
Keď však tento protón začneme urýchľovať, celkom sa zmení. Vytvoria sa v ňom iné častice, vzniknú nové objekty. Po jeho nabití energiou, keď odrazu nie je v pokoji, sa v ňom tvoria nové gluóny a z gluónov sa tvoria iné kvarky, nie tie základné u (up) a d (down), ale ťažké kvarky c (charm), s (strange), b (bottom) a t (top).
Prezidentská skupina CERN v zasadačke Wolfganga Pauliho v CERN-e v roku 2008, zľava profesori: Enrique Fernandez (Španielsko), Steinar Stapnes (Nórsko), Gregor Herten (Nemecko), Torsten Akesson (prezident rady, Švédsko) a Branislav Sitár (Slovensko). Zdroj: archív B. Sitár
Platí predstava, že mikrosvet zrkadlí makrosvet?
Určite nie. Keby neexistovala kvantová fyzika, neexistuje ani tento svet. Kvantová fyzika zabezpečuje, že sú možné len určité kvantové stavy. Treba si predstaviť, že elementárne častice, protóny alebo jadrá, sú dynamické útvary. Nie je to kompaktný kus niečoho, nejde o zrnko piesku. Kvarky sa v protóne neustále pohybujú a pohromade ich držia gluóny. No keď máte sto miliárd protónov, všetky sú absolútne rovnaké.
Keby sme nemali kvantovo-mechanické stavy, bol by tu totálny chaos.
Keď to poviem metaforicky, je to, akoby ste chceli postaviť budovu. Musíte mať tehly, každá tehla je rovnaká, ale akú budovu dokážete z tých tehál postaviť? No akú chcete. Môže byť vysoká, široká, môže mať rôzne tvary, ale podstatné je, že vždy je tam tá tehla. Svet je zostavený tak, že tu máme základné tehličky – protón, neutrón, elektrón, ešte fotón a bodka. Samotných tehličiek je pomerne málo.
A keď sa od tých základných tehličiek dostanete na úroveň molekúl, zrazu zistíte, že tých molekúl sú milióny a sú rôzne. Organická chémia je obrovská variabilita miliónov molekúl. Z tehličiek dokážete postaviť celý svet, celú biológiu, všetko. Častice sú rovnaké a zároveň akoby živé, dynamické. Keby sme nemali kvantovo-mechanické stavy, keď sú všetky častice rovnaké, bol by tu totálny chaos.
Na experimente DELPHI sa vám v CERN-e podarilo dokázať, že existujú tri generácie kvarkov a leptónov. Ide o jednu zo základných zákonitostí, na ktorých je postavený systém opisujúci elementárne častice: štandardný model.
To bol tiež zásadný fyzikálny objav. Keď v súčasnosti hovoríme, že máme šesť kvarkov, je to základ štandardného modelu, lebo k tomu máme aj šesť leptónov: elektrón a pozitrón, ktoré reálne existujú, ale potom sú dokázané mión a tauón a ich neutrína. No špičkoví svetoví fyzici, ktorých mám možnosť stretnúť a vypočuť si ich referáty na Vedeckom výbore CERN-u, ktorého som súčasťou od začiatku svojho pôsobenia vo Švajčiarsku, najmenej posledných desať rokov opakovane kladú otázku: Čo je za štandardným modelom? My totiž vieme, čo je štandardný model, ktorý nám opisuje to, čo už vieme. Všetci si však myslíme, že je niečo za ním. Už dlho sa za ním črtá teória strún.
Znázornenie vzniku kvarkovo-gluónovej plazmy po zrážke jadier olova. Jadrá olova (biele) sa pri extrémne vysokej teplote „roztopia“ na kvarky a gluóny (farebné). Zdroj: archív B. Sitár
Prečo prevláda práve táto teória?
V súčasnosti sa teóriou strún zaoberá viac ako tritisíc teoretikov na svete. Idea je, že častice štandardného modelu sú nejakou konfiguráciou strún. To znamená, že sme ešte neprišli na úplný základ a každá častica je akousi konfiguráciou struny. Iná konfigurácia je pozitrón, iná elektrón, mión, tauón a tak ďalej.
Problémom je, že teória strún existuje ako idea už šesťdesiat rokov a zatiaľ ani jedna častica nebola opísaná týmto spôsobom. To znamená, že na tom pracuje výber tisícky tých najlepších svetových teoretikov a výsledok je, že nemáme ani jedinú časticu štandardného modelu opísanú ako strunu. Nedokázalo sa to.
Uvažujete nad inou teóriou?
Už približne pätnásť rokov sa zaoberám niečím, čo by mohli byť takzvané kvantové víry. Myslím si, že nie celkom rozumieme kvantovej mechanike. Kvantové víry by mohli byť jednou z jej možných interpretácií.
Jeden z najlepších fyzikov sveta William Thompson, známy pod menom lord Kelvin, sa v 19. storočí v Škótsku dvadsať rokov zaoberal tým, že atómy sú vlastne víry, kde elektróny krúžia okolo jadier. Vtedy však ešte nikto nepoznal kvantovú mechaniku. Rozdiel je v tom, že v atóme nemôžu existovať klasické newtonovské víry, lebo to nefunguje. Experimenty ukazujú niečo iné. Kvantové víry by mohli fungovať. Za tých sto rokov sme veľmi veľa pochopili.
Profesor Sitár pred továrňou na antihmotu Antimatter Factory v CERN-e. Zdroj: archív B. Sitár
Vedci zrejme majú aj veľkú fantáziu. Tá môže byť jedným z pracovných nástrojov, keď pripúšťajú modely, ktoré pred nimi nikomu nezišli na um. Neponáša sa táto stratégia na umeleckú sféru? Napríklad taký fenomén čiernych dier: v poézii boli už pred stáročiami vykreslené čierne bezodné diery alebo studne, z ktorých nebolo návratu, keď svojou hustou energiou vťahovali pocestných.
Je to len analogická predstava vo forme pojmu. Čierna diera je čierna, lebo sa z nej nedostáva svetlo von. To znamená, že pohlcuje aj svetlo. Čo raz do nej padne, to tam zostane. Astronómovia našli obrovské čierne diery, ktoré sú také veľké ako naša slnečná sústava. Ide o niečo kolosálne a ohromne husté. Vieme, že do toho padá hmota, poznáme horizont udalostí, okraj čiernej diery. No absolútne nevieme, čo je vnútri. To je jedna z ďalších záhad, ktoré treba vysvetliť.
Aj na to sú už rôzne teórie.
Najčastejšie sa stretávam s teóriou, ktorá tvrdí, že v strede diery je singularita. No to je matematický pojem označujúci nekonečne malý bod. A teraz si predstavte, že čierne diery žerú všetku hmotu okolo seba, hviezdy, galaxie… Obrovské množstvo hmoty sa má stlačiť do jedného bodu, ale rozmer čiernej diery je porovnateľný s veľkosťou našej slnečnej sústavy. Čím je vyplnený priestor vnútri čiernej diery? To vôbec nevieme.
Ťažisko vašej práce bolo v experimentálnej fyzike. Ako rýchlo vaši kolegovia teoretickí fyzici dokázali reagovať na objavné zistenia?
Teória je potrebná, experiment ešte potrebnejší. Chápem to tak, že teórií je veľmi veľa. Odhadujem, že sa vymyslí desaťnásobne viac teórií, ako sa ich potom potvrdí. No v tom je tá paradigma: každý môže prísť s novým konceptom, ale to, či platí, potvrdí až experiment.
Pred sto až dvesto rokmi sme nemali ani poňatia, že existujú kvarky, protóny, neutróny či atómy. Boli to len filozofické pojmy. Častice tu však vždy boli, vytvárajú celý vesmír, len my sme o tom nevedeli. Sme niekto, kto sa snaží rozšifrovať, ako vyzerá tento svet, a pochopiť, ako funguje. A ten funguje absolútne nezávisle od nás. My sme akési mravčeky na jednej maličkej Zemi v obrovskom vesmíre a teraz sa tu naparujeme, čo všetko už vieme, no v skutočnosti veľmi veľa vecí nevieme. Len sa ich snažíme poznávať.
Schéma experimentu ALICE na Veľkom hadrónovom urýchľovači v CERN-e. Zdroj. archív B. Sitár
Naparujeme sa?
Ak si niekto vymyslel pred päťdesiatimi až šesťdesiatimi rokmi, že musia existovať kvarky, bola to iba teória. Dovtedy, kým sme tie kvarky nenašli. Najprv tri, neskôr šesť. Poznávame svet na tejto úrovni. Až keď to potvrdil experiment, stala sa z toho vedecká pravda.
Pravda je vždy jedna.
V tejto spoločnosti je to veľmi dôležité. Teraz sú bežné názory. Názor môžete mať, aký chcete, ale to neznamená, že to tak je. A na to, aby ste vedeli dokázať, že je niečo pravda, musíte pracovať veľmi seriózne. Súčasná veda je svetová, takže o tom, že poznáme šesť kvarkov, musia byť presvedčení všetci fyzici na tomto svete od Japonska po Spojené štáty americké. Vtedy si povieme, že sme sa na niečom zhodli a je to pravda, lebo prvý, druhý, tretí, siedmy či dvadsiaty experiment ukazujú to isté a potvrdzujú to. Vedecké poznanie nemôže byť v žiadnom prípade nahradené tým, že niekto z ulice príde a začne fantazírovať a presadzovať svoj názor. Mám teraz na mysli napríklad konšpirácie o ochorení COVID-19 a podobne. A to už nehovorím o politikoch, ktorí žonglujú s číslami hore-dole. Pravda je vždy jedna.
Nezdá sa vám, že vedecký svet sa čoraz viac odlišuje od sveta širšej verejnosti?
My vedci si v žiadnom prípade nemôžeme dovoliť nejakú blamáž. Boli prípady, keď sa prezentovali neoverené zistenia, no keď sa potom ukázalo, že to nie je pravda, ten človek bol vo vedeckom svete odpísaný.
Napríklad v experimente CERN-u ALICE je tisíc fyzikov z celého sveta a ja dostanem každý článok, ktorý sa bude publikovať, a môžem sa k nemu vyjadriť. Ak mám akúkoľvek pochybnosť, dokonca keď ide o slovíčko, či je v tom článku správne, alebo nesprávne, vždy sa medzi tými ľuďmi nájde niekto, kto si to všimne. Až keď článok prejde cez všetkých a oni ho schvália, potom sa publikuje. Ide o veľmi tvrdú kontrolu, ale je v našom záujme.
Branislav Sitár na experimente ALICE (2014 – 2016). Zdroj: archív B. Sitár
V záujme vedcov, vedy, spoločnosti?
Všetky výdobytky techniky boli pôvodne fyzikálnymi objavmi. Aby sme mohli objaviť elektrinu, potrebovali sme poznať fyziku za ňou. Až po objave polovodičov na úrovni fyziky sme ich mohli začať využívať. Obyčajne to trvá tridsať až štyridsať rokov medzi objavom a jeho aplikovaním do života. Objavili sme jadrá a jadrové reakcie, vybudovali sme jadrové elektrárne! Máme dostatok energie, čosi úžasné – toto robia vedci. No keď nastúpia politici, odrazu sú na svete jadrové zbrane. A za to už vedci nemôžu. Musíme dávať obrovský pozor na politikov, aby nezneužívali výdobytky vedy.
Ako vnímate cieľ Elona Muska kolonizovať Mars?
Túžba vyraziť na Mars je pre človeka prirodzená, ale jemu ide o preteky: Buďme prví! Ako v športe. Z pohľadu vedy to nie je prvoradé. Robiť prirýchle kroky – poďme na Mars za každú cenu – vôbec nie je dobrý nápad. Najprv sa treba naučiť žiť vo vzduchoprázdne. Na Marse je absolútne nepriateľské prostredie pre človeka. Celý otvorený vesmír je pre ľudí nepriateľský, nie je to nič dobré ani milé.
Spomínate športovú rivalitu, ale možno ide o vojenské strategické záujmy…
To mi ani nehovorte! Prenášať zbrane do kozmického priestoru považujem za neprípustnú drzosť! Vôbec si nemáme dovoľovať čo i len uvažovať o tom. Mali by sme byť šťastní, že vôbec žijeme, že žijeme na Zemi, jedinej planéte, o ktorej vieme, že je na nej možný civilizovaný život. Pred vesmírnym žiarením, chladom a nedostatkom vzduchu nás chráni len desať kilometrov atmosféry. Ak prekročíte desať kilometrov, už to neprežijete. Musíme si chrániť to, čo máme, lebo je to zázrak. A my teraz ideme rozprávať o zbraniach?! To je katastrofa. Predsa takto nemôžu uvažovať príčetní ľudia!
TPC detektory skupiny Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave na FRS (FRagment Separator) vo výskumnom centre GSI v nemeckom Darmstadte. Zdroj: archív B. Sitár
Čo si myslíte, dospeje umelá inteligencia k sebauvedomeniu alebo ostane algoritmom?
Zatiaľ je to stále iba algoritmus, ktorý v tejto fáze vkladajú do systému ľudia. A či sa v ďalšej fáze začne vyvíjať samostatne? Je to dosť pravdepodobné… Umelá inteligencia je fantastická vec, pokiaľ bude slúžiť všetkým tak, ako treba. Ak sa začne používať na výrobu klamstiev, bude to spoločnosti škodiť. Mali by sme čo najskôr vytvoriť pravidlá proti zneužitiu umelej inteligencie. Celé ľudstvo, civilizácia sa musí ubrániť proti tým, ktorí ju chcú zneužiť. Vždy sú to konkrétni nebezpeční jedinci. Dávajme si veľký pozor na ľudí, ktorí si myslia, že môžu všetko. Už sme tu takých mali pred osemdesiatimi rokmi. Takí, ktorí si tiež mysleli, že budú vládnuť celému svetu. Vieme, ako to dopadlo.
Ste skúsený vysokoškolský pedagóg. Veríte, že sa dá docieliť to, na čom záleží najviac: udržať v krajine vynikajúcich vedcov a študentov?
Dlho som pracoval v rôznych krajinách, doslova na štyri strany – v Anglicku, Rusku, Nemecku a vo Švajčiarsku. Musím povedať, že v našej spoločnosti je vnímanie vedy na najnižšej možnej úrovni. Nikde inde som nič podobné nezažil. Na päťmiliónový národ máme, žiaľ, málo špičkových vedcov. Ak si pozriete mená Slovákov, ktorí dosahujú vysoký Hirschov index, veľmi rýchlo zistíte, že dve tretiny z nich pôsobia v zahraničí. Zrejme tu nefungujú veci tak, aby plánovali vrátiť sa pracovať domov.
Elektronická aparatúra k TPC detektorom na FRS v GSI v Darmstadte. Zdroj: archív B. Sitár
V čom vidíte hlavný problém?
Prvým je nízke finančné ohodnotenie, keď profesori na popredných slovenských univerzitách a vysokých školách zarábajú dvakrát menej ako profesori v Česku a tri- až päťkrát menej ako inde na Západe.
Zo špičkových slovenských vedcov pôsobí doma na Slovensku iba tretina.
Druhý dôvod, prečo dobrí vedci nechcú zostávať na Slovensku, je absolútny nezáujem spoločnosti o ich špičkové výkony. Keď sa takýto vedec predsa len vráti domov, môže sa ocitnúť v situácii, že ani pes po ňom neštekne. Zo špičkových slovenských vedcov pôsobí doma na Slovensku iba tretina. Aspoň túto menšiu časť našej vedeckej elity by mala verejnosť dobre poznať.
Počet novovytvorených častíc pri jedinej zrážke jadier olova pri najvyšších energiách Veľkého hadrónového urýchľovača môže byť až desaťtisíc. Zdroj: archív B. Sitár
Týka sa to mnohých aj z vašej generácie vrátane vás?
Poviem vám niečo o našej škole. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave je už dvadsať rokov najlepšia fakulta na Slovensku, spĺňa tie najvyššie parametre. Iba na našej katedre jadrovej fyziky a biofyziky sme boli piati profesori jadrovej fyziky, ktorí mali za sebou viac ako desaťročné pracovné pobyty na Západe. Naši študenti majú nastavenú latku prirodzene veľmi vysoko.
Vzdelaných a šikovných ľudí potrebujeme doma, ale na to treba vytvoriť podmienky.
Napríklad práce našich doktorandov, ktoré robia v CERN-e alebo v spolupráci s CERN-om, sú na skvelej úrovni. Je radosť vidieť, ako sa im darí. No títo mladí ľudia nám ujdú. Mne sa podarilo presvedčiť iba jediného môjho bývalého doktoranda, aby sa vrátil. Našťastie ma bude zastupovať. Už je docent a chcem, aby pokračoval v spolupráci s CERN-om, čo sa už aj deje.
Pokiaľ sa spoločnosť nezmení a nepochopí, že potrebuje týchto ľudí, bude upadať. Vzdelaných a šikovných ľudí potrebujeme doma, ale na to treba vytvoriť podmienky. Niekde treba začať.
Prof. RNDr. Branislav Sitár, DrSc., je profesor jadrovej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Zaoberá sa jadrovou a subjadrovou fyzikou. V rokoch 2007 až 2010 bol viceprezidentom Rady CERN, s ktorým úzko spolupracuje od roku 1993 doteraz. Je spoluautorom množstva zásadných fyzikálnych objavov.
Foto: archív Branislava Sitára; Betty Burianová
(zh)
