Ryzyk-fizyk czyli sens niepoważnych eksperymentów naukowych - ebook

Poważny wstęp do niepoważnej książki

Poważny wstęp do niepoważnej książki

Trzymasz w ręku książkę pokazującą fizykę z bardzo nietypowej strony. Nie znajdziesz w niej historii o falach grawitacyjnych, bozonie Higgsa, ciemnej materii i odkryciach z pierwszych stron gazet. Zamiast tych medialnych i głośnych opowieści proponuję ci podróż po świecie, z którym spotykasz się na co dzień, a w którym wiele nieznanych naukowych lądów wciąż czeka na swoich odkrywców. Żeby dotknąć tych tajemnic, nie trzeba dużo. Wystarczy na chwilę odwiesić powagę na wieszaku i zacząć zadawać pozornie głupie pytania. Tak jak to robią tysiące fizyków na całym świecie.

Kiedy byłem na studiach, na piątym roku obowiązkowo musiałem zaliczyć seminarium, na którym co tydzień dwóch studentów omawiało przydzielone im problemy z fizyki współczesnej. Dzięki tym seminariom, oprócz zapoznania się z najnowszymi osiągnięciami nauki, można było także doszlifować umiejętności przygotowywania wystąpień publicznych oraz nauczyć się dyskusji na najświeższe tematy z górnej naukowej półki. Bardzo dobrze pamiętam te zajęcia, bo z listy przygotowanych przez profesora tematów został mi przydzielony najdziwniejszy: fizyka jazdy na rowerze. Co za porażka! Inni koledzy mieli za zadanie zapoznać się z najnowszymi artykułami dotyczącymi nadprzewodników i ekspansji Wszechświata, a ja musiałem omówić stare jak świat, błahe zagadnienie, o którym wspomina się na lekcjach już w liceum. Przecież w tym nie ma nic nowego! Stara fizyka z czasów Newtona i nic więcej. A na dodatek to takie niepoważne… Oczywiście niezawodni koledzy nie oszczędzili mi kilku szyderczych uśmiechów oraz ostrych jak szpila uwag, ale jedyne, co mi pozostało, to zagryźć wargi i wziąć się do przygotowania nudnej prezentacji o tym, dlaczego rower trzyma pion.

Zacząłem od przeglądu literatury i jakże wielkie było moje zdziwienie, kiedy się okazało, że fizycy na początku XXI wieku wciąż intensywnie zajmują się tym zagadnieniem i w zasadzie nikt do końca nie wie, jak to z tą równowagą roweru jest. Proste pytanie dotyczące prostego urządzenia, z którego korzystamy na co dzień, okazało się godne wielkich umysłów i lat wytężonych badań. Pamiętam, że kiedy nastała moja kolej, z nieukrywaną satysfakcją prezentowałem kolegom wyniki finezyjnych doświadczeń badających stabilność roweru razem z modelami teoretycznymi, których opis matematyczny był tak obszerny, że zmieszczenie ich na rozsądnej liczbie slajdów było niemożliwe. Pamiętam też, jak duże wrażenie zrobiła końcowa konkluzja, że pytanie o uniwersalny model wyjaśniający, dlaczego potrafimy utrzymać na rowerze pion, wciąż pozostaje otwarte.

Dziś o utrzymywaniu równowagi na rowerze wiemy już dużo więcej, choć cały czas wielu naukowców zajmuje się tym zagadnieniem i wciąż jeszcze kilka kwestii pozostało do rozwiązania. Trudno stwierdzić, czy ten temat przypadł mi losowo, czy też był to ukryty zamysł profesora, ale wiem na pewno, że to jedno seminarium otworzyło mi oczy na kilka kwestii, z których wcześniej nie zdawałem sobie sprawy lub których nie widziałem nazbyt wyraźnie.

Jedna z nich to nasza arogancja naukowa wobec świata. Nam, ludziom żyjącym w XXI wieku, wydaje się, że wiemy już bardzo dużo, a w szczególności że dobrze poznaliśmy najbliższe nam otoczenie, z którym stykamy się w domu i które widzimy za oknem. Żyjemy w przekonaniu, że jeżeli gdziekolwiek istnieje naukowa terra incognita, to należy jej szukać nie wokół siebie, ale daleko w kosmosie lub w niedostrzegalnym gołym okiem mikroświecie. Takie myślenie zauważam również wśród niektórych moich kolegów fizyków. To jednak ułuda i nieporozumienie.

Czasem zdarza mi się prowadzić zajęcia popularnonaukowe z fizyki dla najmłodszych. Bardzo lubię te spotkania, bo dzieci, zadając proste pytania o otaczającą nas rzeczywistość, nie zdają sobie sprawy, że dotykają zagadnień, nad którymi nikt wcześniej się nie pochylił albo które wciąż czekają na porządne zbadanie. Dlaczego skórka od banana jest śliska? Czy bańka mydlana może mieć dowolny kolor? Dlaczego śnieg różnie skrzypi podczas mrozów? Ile maksymalnie „kaczek” można puścić po wodzie? Miałem spory problem, żeby odpowiedzieć na niektóre z nich i łapałem się na tym, jak mało wiem o świecie, który mnie otacza. Niejednokrotnie też, po powrocie do domu i przeszukaniu Internetu, stwierdzałem, że nie tylko ja sam mało wiem, ale generalnie wiedza ludzka pełna jest dziur, które czają się w najmniej spodziewanych miejscach.

Nikt nie potrafi tak trafnie pytać jak dzieci. Dlaczego dorośli tego nie robią? Czy utracili umiejętność zadawania pytań? A może krępuje ich własna pozycja i obawa przed śmiesznością? Przecież to takie niepoważne pytać o banana lub przyznać się, że interesują nas bańki mydlane. Chcemy wszak być osobami szanowanymi i odpowiedzialnymi, a takie tematy są dobre dla beztroskich dzieci. Dorosły potrzebuje zagadnień bardziej istotnych. Mało kto dostrzega, jak wiele tracimy przez takie podejście. Po pierwsze, zamykamy przed sobą fascynujący świat zjawisk, które są po prostu piękne i mogą nam dostarczyć wielu zachwytów. Po drugie, dobrowolnie odbieramy sobie możliwość autentycznej frajdy i radości, którą daje obcowanie ze światem. Po trzecie zaś, odwracając od nich oczy, wcale nie stajemy się bardziej szanowanymi i odpowiedzialnymi osobami, na czym tak bardzo nam zależy, a raczej hodujemy w sobie zgorzknienie.

W ramach swojej pracy zawodowej przeglądam i czytam dużo artykułów naukowych. Jest to niezbędne, by być na bieżąco i orientować się w tym, co się dzieje w najlepszych laboratoriach. Taka cotygodniowa naukowa prasówka jest jednak czymś zupełnie innym niż czytanie przy kawie ulubionego tygodnika lub książki. Artykuły w najlepszych periodykach naukowych mają zawsze ten sam schemat, zawarte w nich myśli ubrane są w suchy, zwięzły ton, a całość do szpiku kości przesycona jest precyzją. Jednak nawet wśród tego gąszczu formalizmu czasami można spotkać prace niestandardowe, pisane z fantazją i humorem, w których dziecięce, proste pytania odgrywają główną rolę i są motorem napędowym badań. Są one najlepszym dowodem, że wciąż jest wiele osób, również wśród naukowców, które mają w sobie na tyle odwagi, by pytać jak dzieci.

Takie niestandardowe publikacje oraz finezyjne podejście do nauki od 1991 roku nagradzane są Nagrodami Ig Nobla, które niesłusznie nazywane są antynoblami. Jest to bardzo medialne wyróżnienie, o którym corocznie donosi prasa, radio i telewizja. Zazwyczaj wszyscy traktują je jako ciekawostkę i mało kto się zastanawia, o co tak naprawdę chodzi. Czy faktycznie o to, żeby napiętnować i wyśmiać naukowców, którzy zajmują się bzdurami za pieniądze podatników? Otóż niekoniecznie.

Nagrody Ig Nobla przyznawane są za badania, które „najpierw śmieszą, a potem skłaniają do myślenia”. To zwięźle ujęte kryterium stało się dewizą przyświecającą dorocznej gali na Uniwersytecie Harvarda, podczas której nagrody wręczane są zwycięzcom przez prawdziwych laureatów Nagrody Nobla. Impreza ta, jak żadna inna, pokazuje, jak duży dystans mają naukowcy do siebie samych i do badań, którymi się zajmują. Często w społeczeństwie pokutuje stereotyp poważnego profesora, zajmującego się skomplikowanymi sprawami, który na co dzień próbuje zbawiać świat, urzędując w wielkim, niedostępnym gmachu z kości słoniowej zwanym NAUKĄ. Ig Noble pokazują, że to totalne nieporozumienie, a naukowcy to osoby z krwi i kości, z poczuciem humoru, potrafiące czasem wrzucić na luz. Ale luźna atmosfera i żarty to nie wszystko. Osiągnięć laureatów Nagrody Ig Nobla nie sposób wyrzucić do kosza, są znaczące naukowo, a ukazują się w dobrych, recenzowanych czasopismach. Z jednej strony humor i dystans, z drugiej porządna dawka nauki i myślenia. Właśnie takie podejście do fizyki chcę zaproponować w tej książce.

Zazwyczaj nie mamy sposobności śledzenia, jak powstaje nauka, jak rodzi się wiedza. Media informują nas jedynie o końcowym etapie w postaci odkrycia, wniosku czy stwierdzenia, które traktowane są jak prawda objawiona. Mogłoby się wydawać, że od czasu do czasu, w sposób zupełnie nieprzewidziany, zdarza się wielkie odkrycie, które naukowcy ogłaszają światu. Jak gdyby spadało ono na nich z nieba, było wygrane na loterii lub po prostu samo wyszło z eksperymentu. Media lubią informować o tym, CO zostało odkryte, tylko z rzadka skupiając się na tym, JAK naukowcy dochodzą do odkryć. Dużo na tym tracimy, bo to JAK jest często o wiele bardziej interesujące niż CO.

Tworzenie nauki to różnorodny, barwny proces, polegający na szukaniu rozwiązań, formułowaniu i weryfikowaniu hipotez, analizowaniu danych. To ciągłe udoskonalanie naszego pojmowania świata. To wielka dysputa, w której naukowcy inspirują się nawzajem i rozwijają swoje pomysły. W której jedno proste pytanie rodzi wiele hipotez i dylematów. W której, idąc jasną, prostą ścieżką, czasem dochodzimy do ślepej uliczki i musimy z niej zawrócić. W której pomysły sprzed 100 lat, porzucone na śmietniku idei, odżywają na nowo. Nauka to również niezliczone eksperymenty. Ile trzeba ich przeprowadzić, żeby dojść do tego jednego, który posunie nas do przodu? Ignoblowskie historie oraz opowieści z obszaru mniej poważnej fizyki pozwalają prześledzić, jak ten proces przebiega. I to wszystko bez uciekania się do skomplikowanych zagadnień z górnej naukowej półki.

Taka „niepoważna fizyka” to bliskie nam historie, pełne prostych, czasem śmiesznych pytań, pokazujących, jak funkcjonuje organizm złożony z setek i tysięcy naukowych mózgów, które karmią się nawzajem ideami. Przyjrzenie się tym zależnościom przekonuje, że nigdy nie wiadomo, gdzie pojawi się iskierka, ten punkt zapalny, będący w stanie pociągnąć za sobą następne osoby i doprowadzić do rozwiązań, które w inny sposób nigdy nie przyszłyby do głowy – albo przyszłyby znacznie później. Być może będzie nim jedno z prostych dziecięcych pytań? Historia fizyki i życiorysy wielkich naukowców zdają się to potwierdzać. Richard Feynman, Andre Geim, John W.S. Rayleigh i wielu innych zadawało śmieszne pytania i zajmowało się pozornie błahymi sprawami, które doprowadzały ich do poważnych odkryć. Jeżeli oni podążali tą drogą, dlaczego my mielibyśmy się jej wstydzić?

Pod koniec studiów zainteresowałem się graniem na gitarze. Oprócz nauki chwytów (których nigdy porządnie się nie nauczyłem) próbowałem również robić z moim instrumentem proste eksperymenty fizyczne. Zacząłem od standardowych, takich jak obserwacja drgań powstających na strunach, ale z biegiem czasu zacząłem wymyślać coraz mniej klasyczne, na przykład polegające na wysypywaniu kaszy manny na pudło rezonansowe i obserwowaniu, jak jej ziarenka podskakują przy potrącaniu strun. W końcu zadałem sobie pytanie, czy za pomocą tego typu zwykłych domowych doświadczeń i pomiarów jesteśmy w stanie w mierzalny sposób określić jakość instrumentu i obiektywnie go wycenić. Wyniki moich prostych, w większości śmiesznych i niepoważnych eksperymentów zebrałem razem i zaprezentowałem podczas spotkania koła naukowego studentów fizyki na mojej macierzystej uczelni. O dziwo, moje pomysły spodobały się zarówno kolegom, jak i kadrze naukowej, a po paru perypetiach los sprawił, że miałem okazję przedstawiać je na różnych uczelniach, również poza granicami Polski. Przed takimi prezentacjami, dotyczącymi jakże bzdurnego tematu, zawsze czułem się nieswojo i intensywnie obmyślałem, jak wyjść z twarzą po odegraniu roli błazna. Okazało się jednak, że nie tylko nikt nigdy mnie nie wyśmiał, co początkowo przyjmowałem z ulgą i nieskrywanym zaskoczeniem, ale przeciwnie, całkiem spore grono słuchaczy podejmowało po referacie rzetelną, poważną dyskusję, podrzucając mi ciekawe uwagi i następne pomysły, wykraczające daleko poza proste domowe eksperymenty.

Pozwoliło mi to przekonać się, że niepoważne pomysły nie muszą prowadzić do niepoważnych wniosków, a szalone pytania nie oznaczają szaleństwa. Upewniłem się też, że aby zacząć zajmować się fizyką, nie zawsze potrzebne jest dobrze wyposażone laboratorium. Nauka to nie tylko drogi sprzęt oraz skomplikowane urządzenia, do których dostęp mają nieliczni. Każdy z nas może dokonywać odkryć i stać się częścią naukowego świata. Przy odrobinie fantazji można przeprowadzać w domu eksperymenty, których nikt wcześniej nie wykonał, zadawać pytania, które nigdy wcześniej nie padły, oraz próbować szukać na nie odpowiedzi. Takie możliwości daje właśnie „fizyka niepoważna”, która być może jest poważniejsza, niż nam wszystkim się wydaje.

Przypadki badań nagrodzonych Nagrodą Ig Nobla i historie wybitnych naukowców pokazują jeszcze jedno. Uprawianie fizyki, przeprowadzanie eksperymentów, stawianie własnych hipotez i próba ich domowej weryfikacji daje autentyczną frajdę i jest nietypową, niebanalną rozrywką. Niejednokrotnie znacznie lepszą niż wieczór spędzony przy komputerze z jakimś filmem lub serialem. Serio! W odróżnieniu od nich nie jest bowiem tylko czystym relaksem i odskocznią od codzienności, nie jest prostą próbą zabicia czasu, a rozwija nas, daje satysfakcję i jest świetnym wstępem do poważniejszych zagadnień naukowych. Od doświadczeń z lodem łatwo przejść do fizyki powierzchni i cienkich warstw, a obserwacja owadów może nam pomóc zrozumieć, czym jest światło i fale elektromagnetyczne – przekonasz się o tym, czytając następne rozdziały. Świecącą żarówkę, stygnięcie porannej kawy i świecenie odległych gwiazd, które możemy podziwiać na pogodnym nocnym niebie, opisują te same prawa. Dostrzeżenie tych zależności pozwala zrozumieć, jak działa świat, w którym żyjemy, dając również możliwość pełnego uczestnictwa w życiu współczesnego społeczeństwa, którego funkcjonowanie oparte jest na wiedzy. I, last but not least, „fizyka niepoważna” pozwala przekonać się, że nauka to nie jest wielki gmach zamknięty dla maluczkich, do którego trzeba podchodzić nabożnie i z pietyzmem, ale przygoda, w której może wziąć udział każdy z nas.Rozdział 1

Rozdział 1

Gdzie mucha siada, a gdzie nie?

Widzimy świat inaczej niż zwierzęta. To banał. Już od dziecka wiemy przecież, że kot widzi lepiej w ciemności niż my. Każdy też zna powiedzenie o sokolim wzroku, które również nie wzięło się znikąd. Ostrość widzenia ptaków drapieżnych i umiejętność dostrzegania przez nie szczegółów z dużych odległości nie mają sobie równych. I nikogo to zbytnio nie dziwi. Biolodzy już dawno skrupulatnie pokroili na kawałeczki oko każdego gatunku zwierzęcia, zbadali je pod mikroskopem, dokładnie opisali i dostarczyli rozsądnych wyjaśnień, dlaczego różne gatunki patrzą na świat trochę inaczej. Dzięki nim wiemy, że zwierzęta mają różne pole widzenia, ostrość, czułość wzroku, jak również inną zdolność odbierania kolorów. Wiemy też, że zawdzięczamy to ewolucji, która każdy gatunek wyposażyła w to, co mu najbardziej potrzebne. W Internecie znaleźć można wiele zdjęć pokazujących, jak widzi świat nasz ukochany pies Azor, szczur Stefan czy karaluch Wacław (mój sąsiad z akademika hodował w słoiku karalucha, którego pieszczotliwie nazywał Wacio, ale to już chyba historia na zupełnie inną okazję) i wydaje się, że sprawa jest w zasadzie dobrze zbadana, a temat naukowo wyczerpany.

Pojawiło się jednak pytanie: a może zwierzęta widzą niewidzialne? I nie chodzi tu o duchy, pola witalne czy jakieś bzdurne emanacje, ale o dostrzeganie takich własności światła, których my, ludzie, zupełnie nie rejestrujemy. Na przykład nie jesteśmy w stanie odróżnić światła szybko migającego od światła świecącego w sposób ciągły. Jeżeli jego natężenie zmienia się częściej niż 20 razy na sekundę, zmiany te zlewają nam się w oczach i „mruganie” przestaje być widoczne. Tę własność wzroku wykorzystujemy zresztą skrzętnie w kinie, bo dzięki temu zjawisku ruch aktorów na dużym ekranie wydaje nam się płynny, choć w rzeczywistości składa się z wielu szybko następujących po sobie klatek zdjęciowych. Ale może niektóre zwierzęta widzą filmy inaczej niż my?

Takich własności ludzkiego wzroku i własności światła jest więcej. Dostrzegać promieniowania ultrafioletowego lub podczerwonego też nie potrafimy. Ale może zwierzęta potrafią? Takie pytania można mnożyć. Nie zawsze jednak pokrojenie oka i zbadanie go pod mikroskopem daje na nie odpowiedź. Czasem trzeba użyć bardziej wyrafinowanych metod. I tu zaczynają się schody. Nie posadzimy bowiem naszego psa w kinie i nie zadamy mu pytania: Ej, Azor, widzisz mruganie? To znaczy, oczywiście, można tak zrobić, ale rezultat będzie raczej mizerny. A z psem jeszcze nie jest tak najgorzej, bo jakąś komunikację można z nim przecież nawiązać. Ale jak dowiedzieć się na przykład, co i jak widzi mucha? Oto wyzwanie!

Z opowieścią o fizyce muszego widzenia warto zapoznać się przede wszystkim z dwóch względów. Po pierwsze, pokazuje ona, że prosty, niebagatelny pomysł na eksperyment jest często najważniejszy. Po drugie, podpowiada, jak naukowiec powinien radzić sobie w trudnych warunkach polowych. Zanim zaczniemy, pozostaje wyjaśnić jeszcze jedną kwestię: po co nam w ogóle wiedzieć, jak widzi mucha? Najprostsza odpowiedź brzmi: z czystej ciekawości. I to w zasadzie powinno wystarczyć, bo to ciekawość popycha naukowców do działania. Jeżeli jednak ta odpowiedź jest nieprzekonująca, dorzucę argument, że być może wiedza o widzeniu much pozwoli nam na skonstruowanie skutecznego optycznego odstraszacza much. A jeśli ktoś nadal wątpi w celowość takich badań, to może ostatecznie przekona go fakt, że można za nie dostać Nagrodę Nobla. Ig Nobla zresztą też.

Kiskunhalas to niewielkie, senne miasto w południowych Węgrzech. Zaciszne, wręcz sielankowe, z dala od wielkich metropolii. Taki nasz Wałcz, Kluczbork albo Gorlice. Stacja kolejowa, kilka zabytkowych kamieniczek, sklep wędkarski, pizzeria Dolce Vita, no i oczywiście, jak na każde porządne węgierskie miasto przystało, Szupermarket, Szuper Burger i Cipo Diszkont. Można powiedzieć: szpokojne, szwojszkie miaszteczko, typowe dla tej części Europy. I zapewne świat nigdy nie usłyszałby o Kiskunhalas, gdyby nie wiekopomny eksperyment przeprowadzony na tamtejszym cmentarzu.

Cmentarzyk ów niczym się nie wyróżnia oprócz tego, że upodobały go sobie chmary ważek. Taka ważka niby nie przeszkadza, ale jednak trzeba przyznać, że jest to spore latające bydlę i mocno rzuca się w oczy. Obecność ważek od zawsze wiązana była z pobliskimi stawami, będącymi niezłą wylęgarnią dla całego owadziego pospólstwa. Najdziwniejsze było jednak to, że owady obsiadały jedynie czarne grobowce i co gorsza, z lubością na nich kopulowały. Fakt ten szybko stał się miejscową atrakcją i lokalną ciekawostką. A że ciekawe wieści szybko się rozchodzą, to w końcu dotarły do Budapesztu, skąd na kiskunhalasański cmentarz ruszyła dzielna grupa biologów i fizyków pod wodzą Gábora Horvátha, którzy postanowili zjawisko zbadać i owadzią cmentarną lubieżność zrozumieć.

Naukowcy zjawili się na miejscu w bezchmurny letni dzień, przycupnęli za nagrobną tablicą i po cichu, aby nie spłoszyć ważek, zaczęli pierwsze obserwacje. Bardzo szybko potwierdzili, że rzeczywiście ważki preferują czarne i ciemnoszare grobowce, a na jasnych i betonowych siadają jedynie na krótko i niechętnie. Dodatkowo okazało się, że większym powodzeniem cieszą się grobowce znajdujące się w pełnym słońcu. Mogłoby się zatem wydawać, że owady przyciąga wysoka temperatura rozgrzanego węgierskim słońcem czarnego kamienia. Był to jednak mylny trop. Dalsze obserwacje wskazały bowiem, że ważki wolą wypolerowane na glanc grobowce, skwapliwie omijając chropowate, pomimo że miały taki sam kolor i taką samą temperaturę. Materiał płyt też nie odgrywał żadnej roli, liczyły się jedynie mocne nasłonecznienie, ciemny odcień oraz wysoki połysk. Innymi słowy, im grobowiec bardziej błyszczał, tym był dla ważek atrakcyjniejszym miejscem do erotycznych poczynań. Co więc, u licha, ściągało te ważki? Względy estetyczne?

Na trop rozwiązania zagadki naprowadził fizyków wysoki połysk lastrika. Jeżeli coś jest wypolerowane, to znaczy, że dobrze odbija światło. Podobnie jak lustro, kawałek metalu czy tafla wody. No właśnie – woda! Jeziora to przecież środowisko naturalne ważek! Może zatem ciemne grobowce odbijają światło słoneczne tak jak tafla wody i po prostu wprowadzają owady w błąd?

Na pierwszy rzut oka to dosyć głupia hipoteza. Widzimy bowiem wyraźnie za pomocą naszych oczu, że grobowiec wygląda jednak ciut inaczej niż woda. Woda jest na przykład przezroczysta, a grobowiec nie. Grobowiec jest czarny i zazwyczaj się nie porusza, a woda faluje i z reguły nie jest czarna. Mają też trochę inne kształty. Trzeba być naprawdę niespełna rozumu, żeby pomylić grób z wodą. Albo… być ważką, dla której różnica pomiędzy grobem a wodą nie jest tak oczywista. Mając inaczej zbudowane oczy, być może widzi ona świat całkiem odmiennie niż my i wodę odróżnia nie po falowaniu czy przezroczystości, ale patrząc na to, co jej powierzchnia robi ze światłem.

I znów może się wydawać, że brniemy w ślepy zaułek. Cóż bowiem takiego ta woda ze światłem robi? Odbija i tyle. Kąt padania równa się kątowi odbicia i kropka. No właśnie nie… Na powierzchni wody dzieją się znacznie ciekawsze rzeczy niż tylko proste odbicie. Żeby zrozumieć jakie, trzeba sobie zdać sprawę, że światło to fala. Ale nie byle jaka. Fizycy mówią, że są to rozchodzące się zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego. Tak, wiem, trudno to sobie wyobrazić. Fizycy najczęściej wymyślają rzeczy, które trudno sobie wyobrazić. Na szczęście w Internecie można znaleźć sporo animacji pokazujących, czym jest ta fala świetlna (polecam pogooglować), ale na potrzeby historii o ważkach wystarczy, że wyobrazimy sobie swobodnie zwisający sznurek trzymany w palcach. Gdy poruszymy ręką, sznurek zacznie falować. Możemy się postarać i poruszać końcem naszego sznurka w taki sposób, aby wszystkie powstające na nim esy-floresy leżały w jednej płaszczyźnie. Bezładnie poruszając ręką, też wytworzymy na sznurku zafalowania, ale będą one znacznie mniej uporządkowane i zdecydowanie nie będą grzecznie układać się w rządku jedno po drugim.

Te zafalowania sznurka przypominają falę świetlną, która może występować w przeróżnych odmianach. Gdy wszystkie jej „górki” i „dołki” ułożone są w jednej płaszczyźnie, mówimy, że jest falą liniowo spolaryzowaną. Można powiedzieć, że światło spolaryzowane to bardzo grzeczna i ułożona fala. Jest to obraz dosyć prosty, ale daje pewne wyobrażenie, czym jest polaryzacja.

Światło nie lubi jednak być grzeczną, ułożoną falą i najczęściej nie jest spolaryzowane. Dobrymi przykładami są tutaj światło docierające do nas bezpośrednio ze słońca oraz światło żarówki. Ale taką krnąbrną, niegrzeczną falę możemy zmusić do polaryzacji poprzez odbicie jej od gładkiej powierzchni jakiegoś izolatora, np. wody. Gdy światło słoneczne padnie na taflę jeziora pod pewnym specyficznym kątem, zwanym kątem Brewstera (wynosi on około 53°), to odbity „zajączek” będzie całkowicie spolaryzowany. I co więcej, nie byle jak spolaryzowany, bo wszystkie górki i dołki fali będą leżały w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny odbicia. A co, jak światło padnie na wodę pod innym kątem? Nic nie szkodzi. Zjawisko zajdzie podobnie, z tą tylko różnicą, że fala odbita będzie tylko częściowo spolaryzowana. Oznacza to, że w odbitym promieniu znajdzie się też mała domieszka innych, niegrzecznych zafalowań, których górki i dołki umieszczone będą w innych płaszczyznach.

Doszliśmy więc do ważnej rzeczy: woda nie tylko odbija światło, ale również je polaryzuje. Zjawisko to skwapliwie wykorzystują fotografowie, chcący pozbyć się niechcianych odbić od wody, szkła i innych powierzchni. Zakładają wtedy na obiektyw specjalny filtr polaryzacyjny, który jest w stanie wyciąć światło o jednej konkretnej polaryzacji. Można go na przykład obrócić tak, aby zatrzymał światło spolaryzowane pochodzące tylko od odbicia w wodzie. Wszystkie inne fale świetlne, np. niespolaryzowane światło słoneczne, przejdą przez filtr. Dzięki temu możemy na przykład zrobić świetne zdjęcie podczas spływu kajakowego, nie martwiąc się, że nieoczekiwane odbicie od wody prześwietli nam cały kadr.

No dobrze, ale jak bez specjalistycznego filtru rozróżnić, czy światło jest spolaryzowane, czy też nie jest? Okazuje się, że naszym ludzkim okiem jest to niemożliwe. No, trochę kłamię, bo czasem jest to możliwe, ale o tym później (patrz ramka „Domowe doświadczenie”: Bądź jak mucha! Zobacz polaryzację, s. 36). Generalnie jednak ewolucja nie wyposażyła nas w dobre narzędzie do rozpoznawania polaryzacji światła. Ale co innego z ważkami. One są w tym rewelacyjne.

Gdy ważka patrzy w niebo, to widzi, że coś dużego i jasnego nad nią wysyła światło niespolaryzowane. Widzi ten brak polaryzacji i myśli sobie wtedy: „Oho, niechybnie słońce”. Ale gdy znajdzie się nad płaską powierzchnią, która dobrze odbija światło całkowicie albo prawie całkowicie spolaryzowane, to rejestruje ten fakt i zapewne duma: „Cóż innego mogłoby mieć kąt Brewstera równy 53° i tak uroczo polaryzować falę świetlną?! Z pewnością to woda, mój naturalny habitat, gdzie znajdę partnera mojego życia”. A tu lipa, to znaczy grób. Cmentarne lastriko odbija bowiem światło tak samo dobrze jak tafla wody i jest izolatorem, czyli potrafi też całkiem nieźle je polaryzować, i to na dodatek pod podobnym kątem Brewstera. Co więcej, większość płyt nagrobnych jest pozioma, co dodatkowo wprowadza w błąd biedne ważki, sprawiając wrażenie tafli wody.

Mamy więc niezłą roboczą hipotezę, z którą można dalej pracować – ważki mylą grobowce z wodą, zwiedzione polaryzacją światła. Ale hipoteza to jeszcze za mało. Węgierscy naukowcy postanowili więc przeprowadzić eksperyment, który mógłby dostarczyć niezbitego dowodu, że rzeczywiście ważki orientują się za pomocą polaryzacji światła. W tym celu przytargali na cmentarz najczarniejszy z czarnych worków na śmieci, czarne niczym noc płótno całunu, blade jak śmierć prześcieradło, folię aluminiową, szeroką, solidną deskę i garść długich na 30 cm kijków. Udali się następnie w nasłonecznioną część cmentarza i rozpoczęli swój eksperyment, który miał przejść do historii biofizyki i fizyki niepoważnej.

Na początku rozłożyli każdy z materiałów na ziemi, wbili obok po jednym kijku, który miał służyć za przyjemną żerdkę dla strudzonych ważek, przysiedli nieopodal i czekali, bacznie obserwując. Każde pojawienie się ważki na jakimkolwiek z kijków skrzętnie odnotowywano. Każdy akt rozwiązłości seksualnej owadów również. Mierzono także sumaryczny czas okupowania każdej z żerdek, wyrażając go w ważkominutach albo, jak kto woli, w minutoważkach. Naukowcy rozumowali następująco: jeżeli ważki rzeczywiście wykrywają taflę wody po polaryzacji światła, to najbardziej nęcącą powierzchnią powinien być dla nich czarny plastikowy worek na śmieci, który znakomicie odbija światło i dodatkowo prawie całkowicie je polaryzuje, podobnie jak woda. Najmniej atrakcyjnymi powinny natomiast okazać się powierzchnie prześcieradła, całunu i deski, które są chropowate, a odbite od nich światło nie ma nawet śladów polaryzacji.

Badacze spędzili na cmentarzu dwa gorące tygodnie na przełomie czerwca i lipca, prowadząc swoje badania podczas najbardziej upalnych godzin. Pot się lał, ważki krążyły, działa się nauka. Tylko niewzruszone grobowce w ciszy przyglądały się doświadczeniom. Po dwóch tygodniach wszystko stało się jasne. Zgodnie z przewidywaniami najwięcej ważkominut zaliczył kijek wbity obok czarnego worka na śmieci. Najmniej przyciągającymi ważki okazały się całun i prześcieradło. Te same eksperymenty, powtórzone również w zacienionej części cmentarza, dostarczyły podobnych wyników. Jedyna różnica polegała na tym, że ze względu na mniejszą ilość światła efekt wpływu polaryzacji był mniej widoczny, co przełożyło się na ogólny spadek ważkominut. Ostatecznie potwierdziło to tezę o lgnięciu ważek do poziomych powierzchni mocno polaryzujących światło.

Pozostaje jedynie wyjaśnić, dlaczego akurat czarne gładkie materiały odbijają światło o wysokim stopniu polaryzacji, podczas gdy równie gładkie, ale białe nie robią tego tak dobrze. Sprawa jest dosyć prosta. Na powierzchni każdego przedmiotu część światła się od niego odbija, a część wnika do środka. W przypadku czarnych, gładkich materiałów promień wnikający do środka jest prawie w całości pochłaniany i do naszych oczu dochodzi niemal wyłącznie światło odbite od powierzchni, które, jak już dobrze wiemy, jest całkiem nieźle spolaryzowane. Inaczej jest w przypadku przedmiotów białych. Światło wnikające do środka takich przedmiotów nie jest już tak mocno pochłaniane, ulega rozpraszaniu i po przejściu przez materiał może ponownie z niego wyjść. To rozproszone światło nie jest w ogóle spolaryzowane, ale „dodaje” się do światła odbitego, obniżając stopień polaryzacji promienia docierającego do naszych oczu. I to tłumaczy, dlaczego ważki szukające światła spolaryzowanego bardziej lubią grobowce czarne, a omijają białe.

Eksperyment, że mucha nie siada

Można w tym momencie zadać inne ważkie (sic!) pytanie. Jeżeli jeden z gatunków owadów ma tak dobrze rozwiniętą zdolność rozróżniania stopnia polaryzacji światła, to może tę umiejętność mają również inne zwierzęta? Aby to zbadać, grupa tych samych niestrudzonych naukowców udała się tym razem na północ Węgier, aż pod granicę słowacką, gdzie skusiły ich sielankowe obrazy rozległych pastwisk, dość szczelnie zapełnionych końmi i krowami. Jednak to nie węgierskie bydło stepowe skusiło naukowców, ale muchy. Wiadomo, gdzie krowy i konie, tam i stada much. W normalnych warunkach to szukaj muchy w polu, ale wystarczy się zbliżyć do jakiegoś pasącego się konika, a już będziemy mieć wokół siebie tabuny bzyczących obiektów badawczych, w szczególności tych dużych, z rodziny bąkowatych, które zwą się u nas również końskimi muchami, ślepakami albo po prostu bąkami. Są to stworzenia dosyć niewdzięczne, które już od maja zaczynają nękać bydło domowe, nacinając jego skórę i wysysając krew. Takie małe wampiry pastwisk. Wikipedia podaje, że preferują one zwierzęta ciemno ubarwione. Oho, i tu powinna zapalić nam się w głowie lampka. Ważki preferują czarne grobowce, bąki preferują czarne zwierzęta. Przypadek? Nie sądzę.

Naukowcy zaczęli od eksperymentów podobnych do tych cmentarnych. Rozłożyli na pastwisku kilka materiałów w różny sposób odbijających światło i liczyli, ile razy siądzie na nich mucha. Lecz tu pojawił się pierwszy problem. O ile bez kłopotu można było śledzić zachowanie takich dostojnie poruszających się owadów jak ważki, o tyle muchy to stworzenia raczej chyże i szybko się okazało, że trudno stwierdzić z całą pewnością, czy mucha siadła, czy nie. Aby rozwiać te wątpliwości, badacze postanowili lekko zmodyfikować eksperyment i pokryli każdą z powierzchni cienką warstwą kleju na myszy. Nie pytajcie mnie, co to jest ten klej na myszy, bo nie wiem. Mogę jedynie podać za węgierskim producentem, że jest bezzapachowy, niepalny i bezbarwny, można go dostać w tubkach po 135 gramów, łapie myszy nawet w wilgotnych warunkach i w ogóle jest to najlepszy klej na myszy w Europie. Dlaczego został użyty do eksperymentu właśnie ten produkt? Któż to wie? Moja hipoteza jest taka, że po prostu znaleziono go gdzieś w pobliskiej oborze i z braku lepszego pomysłu postanowiono z niego skorzystać.

Klej ów rzeczywiście okazał się wybornym rozwiązaniem. Gdy tylko mucha dotknęła materiału, zmuszona była zakończyć lot, co pozwoliło znacznie zmniejszyć niepewność pomiaru i bez żadnych już wątpliwości stwierdzić, że rzeczywiście siadła. Na wieczność. Po każdym akcie muszego przylgnięcia badacze postanowili odklejać owady, żeby nie odstraszały następnych chętnych. Ale tu pojawił się kolejny problem. Mysie lepiszcze działało za dobrze. Uwięzionej muchy nie dało się już odkleić i trzeba było ją z materiału wydrapywać. W zasadzie można było się tego spodziewać, bo przecież klej projektowany był pod myszy, które są nieco większe i silniejsze od much. W artykule podsumowującym pomiary zostało to skwitowane pięknym stwierdzeniem: „Usuwanie much wiązało się z uszkodzeniem ciał owadów, co spowodowało, że ich taksonomiczna (gatunkowa) identyfikacja okazała się niemożliwa”. Nieco dalej później badacze zarzekali się jednak, że z całą pewnością musiały to być bąki, no bo przecież widzieli, co wydrapują. Pomimo tych drobnych problemów badania zakończyły się sukcesem. Dowiedziono, że muchy chętniej odwiedzają powierzchnie, które odbijają światło spolaryzowane. Wynik ten wydawał się zgodny z cmentarnymi obserwacjami ważek.

Po tych wstępnych badaniach przyszedł czas na prawdziwy test. Należało sprawdzić, jak konie polaryzują światło i czy rzeczywiście mucha siada na koniach o największej polaryzacyjnej sprawności. Czujemy jednak, że perspektywa biegania za koniem po pastwisku i liczenia much, które siądą mu na zadzie, nie wydaje się zbyt kusząca. Po pierwsze, koń jest trochę szybszy niż człowiek i może uciec (a wtedy niepewność pomiaru rośnie), po drugie, koń macha ogonem, wstrętnie zaburzając pomiar (i niepewność jeszcze bardziej rośnie), a po trzecie, taki koń może badacza kopnąć, co zaburzy pomiar w sposób dość zdecydowany i zasadniczy (i wprowadzi błąd gruby). Na takie ryzyko wyborni węgierscy fizycy nie mogli sobie pozwolić. Nabyli więc w sklepie z ogrodniczą tandetą trzy plastikowe rzeźby końskie o wymiarach 160 cm na 110 cm na 60 cm, pomalowane na biało, czarno i brązowo, czyli jak pisał klasyk „od sufitu, od dębu, od marchwi”, i postawili na pastwisku muchom na przynętę. Oczywiście łatwo zgadnąć, czym owe modele zostały pokryte. Zgadza się, klejem na myszy. A zatem jak mucha siadła, to na amen.

Eksperyment prowadzony był przez miesiąc, podczas którego do konia czarnego przykleiły się 562 muchy, do konia brązowego 334 muchy, a do konia białego tylko 22 muchy. Równocześnie prowadzone pomiary optyczne pokazały, że największy stopień polaryzacji miało światło odbite od konia czarnego, a najmniejszy od konia białego. Powód tej różnicy był taki sam jak w przypadku grobowców. Dodatkowo pomiary optyczne wykonano również na żywych zwierzętach, z podobnym wynikiem. Sierść karych koni mocniej polaryzowała światło niż sierść koni gniadych i siwych. Wygląda więc na to, że bąki (ślepaki, końskie muchy czy jak je tam zwał) reagują na polaryzację światła podobnie jak ważki.

Oczywiście pytanie o to, które jeszcze owady mają podobne zdolności, samo ciśnie się na usta. I rzeczywiście, powyższe, z pozoru niepoważne eksperymenty, stały się ważną inspiracją do następnych, podobnych pomiarów, przeprowadzanych na kolejnych gatunkach owadów oraz wśród innych typów i gromad zwierząt. Były również istotnym krokiem naprzód w określeniu roli polaryzacji światła w zachowaniu zwierząt. Nikt nigdy wcześniej w ten sposób badań nie wykonywał, co poskutkowało tym, że artykuły z opisem powyższych eksperymentów przeszły do klasyki dziedziny i obecnie mają dziesiątki cytowań. Poświęcenie zaś węgierskich badaczy, ich innowacyjne pomysły oraz oryginalny dobór miejsc eksperymentów zyskały uznanie środowiska naukowego, wyrażone przyznaniem Nagrody Ig Nobla z fizyki za rok 2016.

Śmierć w truskawkach

Zauważmy, że z pastwiskowych badań można wysnuć dalsze ciekawe wnioski. Weźmy na przykład taką popularną w Polsce krowę mleczną rasy holsztyno-fryzyjskiej. Dla mieszczuchów: to te urocze białe krówki w czarne łaty. Jeżeli muchy kierują się polaryzacją światła, to powinny kąsać krowy znacznie częściej w czarne łaty aniżeli w białą sierść. Obserwacja miejsca siadania muchy na czarno-białej krowie mogłaby być zatem ciekawym pastwiskowym projektem badawczym, który być może podparłby badania węgierskich naukowców. Co z takich eksperymentów może wyjść? Jak to zwykle bywa, nie wiadomo. Może okaże się, że żaden efekt nie występuje. A może czarno-biała sierść odstrasza muchy od całej krowy? Trudno stwierdzić. Z przeglądu literatury wynika, że dotychczas żadne systematyczne badania siadania much na pasących się krowach nie zostały przeprowadzone. Masz zatem, drogi czytelniku, niepowtarzalną okazję zapisać się w annałach nauki. Proponuję jednak nie smarować krowy klejem na myszy. Krowy chyba tego nie lubią.

Dosyć dokładnie przebadane zostały natomiast inne czarno-białe zwierzęta, a mianowicie zebry. Po obserwacjach much, zarówno w otoczeniu żywych zwierząt, jak i materiałów w czarno-białe paski, dało się wyraźnie zauważyć, że muchy nie lubią na nich siadać. Najbardziej nie lubią pasków o szerokości od 1 do 5 cm, co znakomicie odpowiada wzorom na ciele zebry. Tym samym zebry mają łatwiejsze życie i są rzadziej gryzione. Pojawiła się nawet hipoteza, że właśnie z tego powodu ewolucja obdarzyła zebry paskami, a artykuł opisujący ten mechanizm ukazał się nie byle gdzie, bo w prestiżowym czasopiśmie „Nature”. Jego autorzy stwierdzają, że najprawdopodobniej czarno-biały wzór zmniejsza kontrast pomiędzy otoczeniem a zebrą, co rozprasza muchy. Lądujące owady są dodatkowo dezorientowane regularnie powtarzającymi się odcieniami. Czy ma z tym coś wspólnego polaryzacja? Bardzo możliwe. Zostało bowiem stwierdzone, że już samo naprzemienne zestawienie ze sobą materiałów mocno i słabo polaryzujących światło działa odstraszająco na latające owady. Stąd płynie prosty wniosek: Nie lubisz much? Ubieraj się w paski. Albo zmodyfikuj swoje koszulki tak, żeby naprzemiennie polaryzowały i nie polaryzowały światła.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki