Postavljanje pitanja i radoznalost jako pospješuju znanstvene rezultate

Jesi li danas postavio koje pitanje u školi? To su roditelji, porijeklom iz Komiže, pitali svojeg sina Johna M. Martinisa, ovogodišnjeg sudobitnika Nobela iz fizike, na zajedničkim obiteljskim objedima. Postavljanje pitanja danas je u školama nekako u drugom planu, a jako je važno za oblikovanje djeteta u kognitivnom i karakternom smislu. U nižim razredima osnovne škole, dok su djeca još konkretni mislioci (ne mogu si zamisliti što znači nepoznanica x), najvažnije je poticati radoznalost jer ih kvantnu fiziku ne možete naučiti. Zbog toga je važno u školama stvoriti pozitivno ozračje kod postavljanja pitanja kakvo je u obitelji imao nobelovac Martinis.

Ovogodišnjeg Nobela za fiziku dobili su, osim Martinisa, John Clarke i Michel H. Devoret, za niz eksperimenata kojima su pokazali kako se neobična svojstva kvantnog svijeta mogu vidjeti u sustavu dovoljno velikom da se može držati u ruci. Njihov supravodljivi električni sustav mogao je tunelirati iz jednog stanja u drugo, kao da prolazi ravno kroz zid. Pokazali su također da sustav apsorbira i emitira energiju u dozama određenih veličina, baš kako je i predviđeno kvantnom mehanikom.

J. M. Martinis podijelio je Nobelovu nagradu
za fiziku 2025. s još dvojicom znanstvenika

Johna Martinisa odmah nakon vijesti o dobivanju nagrade intervjuirala je Tanja Rudež, a zanimljivo je bilo da su ga zvali iz Švedske u tri ujutro ne bi li mu rekli lijepu vijest. Na telefon se javila njegova supruga i nije ga htjela buditi do pola šest jer je znala kakav ga dan čeka. Novinari su navalili već u šest ujutro pa je pravo čudo da je imao vremena za intervju hrvatskim novinama. Osim što je bio profesor na Sveučilištu Santa Barbara u Kaliforniji, radio je i u Googleu na razvoju kvantnih računala, a sada radi u vlastitoj firmi QoLab. Rad u vlastitoj firmi omogućuje mu slobodu u radu i suradnju s izvrsnim stručnjacima po svome izboru. Konačni je cilj izgradnja kvantnog računala koje može riješiti neke stvarne praktične probleme mnogo brže od običnog računala. Sposobnost prolaska pojedinačnih čestica kroz potencijalnu barijeru („brdo“) nazivamo tuneliranje jer sama čestica nema dovoljnu energiju za prijelaz preko barijere. To nije uvijek moguće, ali postoji vjerojatnost za tuneliranje koja ovisi o visini i širini barijere pa ako dovoljno puta pokuša, čestica može proći u klasično gledano zabranjeno područje iza barijere. Godine 1928. fizičar George Gamow shvatio je da je tuneliranje razlog zašto neke teške atomske jezgre imaju tendenciju raspadanja na određeni način. Interakcija između sila u jezgri stvara barijeru oko nje, zadržavajući čestice koje sadrži. Međutim, unatoč tome, mali dio atomske jezgre ponekad se može odvojiti, pomaknuti izvan barijere i pobjeći – ostavljajući za sobom jezgru koja se transformirala u drugi element. Bez tuneliranja, ova vrsta nuklearnog raspada ne bi se mogla dogoditi.

Neke vrste atomskih jezgri imaju visoku i široku barijeru, pa može proći dugo vremena da se dio jezgre pojavi izvan nje, dok se druge vrste raspadaju lakše. Ako gledamo samo jedan atom, ne možemo predvidjeti kada će se to dogoditi, ali promatranjem raspada velikog broja jezgri iste vrste možemo izmjeriti očekivano vrijeme potrebno da dođe do tuneliranja. To je vrijeme onda povezano s konceptom vremena poluraspada što je vrijeme potrebno da se raspadne polovica jezgara koje smo imali na početku.

Fizičari su se brzo zapitali je li moguće istražiti vrstu tuneliranja koja uključuje više od jedne čestice istovremeno. Jedan pristup novim vrstama eksperimenata potekao je iz fenomena koji nastaje kada se neki materijali ekstremno ohlade.

U običnom vodljivom materijalu struja teče jer postoje elektroni koji se slobodno kreću kroz cijeli materijal, a na usmjereno gibanje ih potiče razlika potencijala. U nekim materijalima, pojedinačni elektroni koji se probijaju kroz vodič mogu se organizirati, tvoreći sinkronizirani ples koji teče bez ikakvog otpora. Takav materijal onda se naziva supravodič, a elektroni su spojeni u tzv. Cooperove parove.

Cooperovi parovi ponašaju se potpuno drugačije od običnih elektrona koji imaju veliki stupanj integriteta i vole ostati na udaljenosti jedan od drugoga. To možemo vidjeti, naprimjer, u atomu, gdje se elektroni dijele na različite energetske razine, nazvane ljuske. Međutim, kada se elektroni u supravodiču spoje kao parovi, oni gube dio svoje individualnosti; dok su dva odvojena elektrona uvijek različita, dva Cooperova para mogu biti potpuno ista. To znači da se Cooperovi parovi u supravodiču mogu opisati kao jedan kvantno-mehanički sustav, jedna valna funkcija, jedna čestica.

Budući da kvantna mehanika podrazumijeva element slučajnosti, laureati su proveli brojna mjerenja i prikazali svoje rezultate kao grafove, iz kojih su mogli iščitati trajanje stanja nultog napona. To je slično načinu na koji se mjerenja vremena poluraspada atomskih jezgri temelje na statistici brojnih slučajeva raspada.

Naš John M. Martinis napravio je kasnije eksperiment s kvantnim računalom, u kojem je koristio točno onu kvantizaciju energije koju su on i druga dva laureata demonstrirali. To je bio sklop s kvantiziranim stanjima kao jedinicama koje nose informacije – kvantni bit.

Zaključak ove priče je da postavljanje pitanja i radoznalost jako pospješuju znanstvene rezultate, ali to možemo gledati i šire jer iz istih razloga treba poticati postavljanje pitanja u tijelima javne vlasti, našim firmama i općenito svugdje gdje se očekuje neki rast i napredak.