Wspomniano już wyżej, że podczas wojny i okupacji Niemcy rozgrabili lub zniszczyli prawie całą aparaturę naukową do badan optycznych, wielopryzmatowe spektrografy, interferometry i fotometry. Zniszczona została wspaniała siatka dyfrakcyjna wykonana przez Wooda na aparaturze Rowlanda. Dopiero w latach 50. udało się kupić nową wklęsłą siatkę o porównywalnych parametrach (promień krzywizny 6 m, 174 000 rys), wykonaną w Leningradzie. Umożliwilo to powrót do badań nad rozszerzeniem ciśnieniowym linii widmowych. Badania optyczne: zjawiska fluorescencji, szerokości linii widmowych i zjawiska Ramana były najpierw prowadzone w Katedrze Fizyki Doświadczalnej, kierowanej przez Pieńkowskiego. W skład zespołu optyków w pierwszych latach powojennych wchodzili między innymi: Stefan Czarnecki165, Zdzisław Małkowski166, Roman Mierzecki, Bronisława Moszyńska, Jerzy Rogaczewski167, Kazimierz Rosiński168 i Tadeusz Skaliński169.
Po śmierci Pieńkowskiego w 1953 roku dyrektorem Instytutu Fizyki Doświadczalnej i formalnym kierownikiem osieroconej przez niego Katedry został Jerzy Pniewski. Faktyczną opiekę nad zespołem optyków sprawował Tadeusz Skaliński. Był on absolwentem UW. Ukończył studia w 1938 roku pod kierunkiem Pieńkowskiego. Wojna przerwała jego karierę. Brał udział w kampanii wrześniowej, udało mu się uniknąć obozu jenieckiego, został jednak po pewnym czasie aresztowany i wywieziony do Oświęcimia, gdzie doczekał wyzwolenia. Po powrocie do Warszawy włączył się w odbudowę Zakładu Fizyki na Hożej. Uruchomił na nowo II Pracownię Fizyczną oraz opracował i uaktualnił dwa przedwojenne skrypty z wykładów Pieńkowskiego (Optyka oraz Mechanika, fizyka cząsteczkowa i ciepło), co miało istotne znaczenie dla dydaktyki.
Wkrótce Pieńkowski postanowił wysłać kilku swych młodych współpracowników do wiodących ośrodków zagranicznych, aby poznali najnowsze działy fizyki i przenieśli zdobyte doświadczenia na Hożą, rozszerzając zakres prowadzonych tu badań. Skaliński odbył staż naukowy w École Normale Supérieure w Paryżu, w laboratorium Alfreda Kastlera, gdzie zajmowano się pompowaniem optycznym i rezonansem magnetycznym. Po powrocie przeszczepił on tę tematykę do nowej Katedry Optyki, której formalnym kierownikiem został w 1961 roku.
Od utworzenia w 1953 roku IF PAN Skaliński był jednocześnie kierownikiem Katedry Optyki IFD UW i Zakładu Optyki Atomowej i Cząsteczkowej IF PAN. Liczba fizyków prowadzących badania w zakresie optyki i fizyce atomowej znacznie wzrosła. Część osób była zatrudniona w IF PAN, inni w UW, ale pracownie, tematy naukowe i kierownictwo były wspólne. W tym czasie prowadzono badania na temat spójności stanów atomowych, pompowania optycznego i relaksacji, przecinania się poziomów zeemanowskich i podwójnego rezonansu. Rozpoczęli wtedy pracę m.in. Maria Kraińska, Teresa Grycuk, Aleksandra Kopystyńska i Krzysztof Ernst.
Po skonstruowaniu w USA pierwszych laserów badania w dziedzinie spektroskopii atomowej i cząsteczkowej znacznie się rozszerzyły. Pierwszy laser (rubinowy) na Hożej uruchomili 24 XII 1964 roku mgr Ludwik Lis i Jerzy Krasiński (wówczas jeszcze student), uczniowie Stefana Czarneckiego. Dało to początek uprawianej do dziś z dużym powodzeniem fizyce laserów, którą rozwinął Krasiński, bardzo zdolny eksperymentator. Pod jego kierunkiem budowano lasery rubinowe, azotowe i barwnikowe. W 1988 roku uruchomiono w Zakładzie Optyki pierwszy w Polsce laser ekscymerowy (Czesław Radzewicz).
Po wprowadzeniu zakazu łączenia dwóch posad, Skaliński w 1970 roku zrezygnował z pracy w UW i przeszedł do IF PAN. W tym okresie w Zakładzie Optyki IFD UW nie było żadnego samodzielnego pracownika naukowego i na stanowisko p.o. kierownika Zakładu powołano dr. Krzysztofa Ernsta. Skaliński nadal roztaczał nad Zakładem formalną opiekę naukową. Współpraca naukowa między fizykami z IF PAN i UW pozostała żywa do dziś mimo rozdzielenia lokalowego. Na przykład, na Hożej w ramach takiej współpracy Maria Kraińska (UW) i Małgorzata Głódź (IF PAN) prowadziły badania struktury nadsubtelnej w alkaliach za pomocą metody dudnień kwantowych, a Włodzimierz Jastrzębski z IF PAN uczestniczył w badaniach widm dwuatomowych cząsteczek alkalicznych za pomocą metody bezdopplerowskiej spektroskopii polaryzacyjnej. Natomiast Paweł Kowalczyk (UW) uczestniczył w IF PAN w badaniu widm cząsteczkowych przy użyciu metody polaryzacyjnego znakowania poziomów.
W 1972 roku Ernst wyjechał na roczny staż naukowy do Ali Javana w Massachusetts Institute of Technology. Pełniącą obowiązki kierownika Zakładu Optyki została dr Aleksandra Kopystyńska, która właśnie wróciła ze stażu naukowego u Adriano Gozziniego w uniwersytecie w Pizie.
18. Krzysztof Ernst
Chcąc zapewnić odpowiedni rozwój naukowy młodych optyków na Hożej, ówczesny dyrektor IFD UW, Jerzy Pniewski, doprowadził w 1973 roku do przeniesienia z Politechniki Warszawskiej profesora Bohdana Karczewskiego (1930–1978)170. Ściągnął on do Zakładu Optyki swych współpracowników: Katarzynę Chałasińską-Macukow, Tomasza Szoplika i Jacka Chrostowskiego, i poszerzył tematykę badań o holografię i optykę nieliniową. Dzięki autorytetowi nowego kierownika Zakład uzyskał kilku bardzo zdolnych asystentów – Tadeusza Stacewicza (1976), Czesława Radzewicza (1977) i Pawła Kowalczyka (1978) – którzy wkrótce uzyskali habilitacje i tytuł profesora. Kowalczyk jest obecnie ekspertem o światowej renomie w dziedzinie spektroskopii cząsteczek dwuatomowych. Stacewicz zajmuje się uwięzieniem promieniowania w warunkach silnego wzbudzenia laserowego oraz niesprężystymi zderzeniami wzbudzonych atomów i elektronów. Radzewicz stał się autorytetem w fizyce laserów i optyce nieliniowej.
Po nagłej, przedwczesnej śmierci Karczewskiego, kierownikiem Zakładu Optyki został Jerzy Krasiński (habilitacja w 1977). Współpracownicy Karczewskiego, Chałasińska-Macukow i Szoplik, przeszli w 1980 roku do Instytutu Geofizyki UW. Z kolei Krasiński wyjechał na staż naukowy do Rochester w okresie stanu wojennego, skąd już nie powrócił i przestał być pracownikiem UW. Tematykę badań laserowych rozwinął wykształcony przez niego Czesław Radzewicz.
Przemiany społeczno-gospodarcze w Polsce miały znaczny wpływ na skład kadry naukowej Wydziału Fizyki. Z Zakładu Optyki odeszło, szczególnie po 1989 roku, wielu doskonałych fizyków, którzy po zdobytym w Polsce wykształceniu i odbytej u nas praktyce kontynuują (często z dużym sukcesem) pracę naukową poza granicami kraju. Część osób odeszła do lepiej płatnej pracy poza nauką.
Dzięki działalności naukowej profesora Krzysztofa Ernsta Zakład Optyki w 1995 roku pozyskał LIDAR (Light Detection and Ranging) – urządzenie umożliwiające sporządzanie map zanieczyszczenia powietrza nad dużymi obszarami.
W podsumowaniu171 powojennej działalności, opracowanym na 75-lecie fizyki na Hożej, na liście ważniejszych osiągnięć naukowych pracowników Zakładu Optyki znalazły się: współudział w odkryciu zjawiska przekazu energii w zderzeniu dwóch atomów wzbudzonych – tzw. energy pooling collision (Kopystyńska, 1976); zbudowanie unikatowego spektrometru z 6-metrową wklęsłą siatką dyfrakcyjną i cyfrowym zapisem widma (Grycuk, 1976); współudział w odkryciu fioletowego pasma rozmytego emitowanego przez cząsteczkę Na2, co dało początek poszukiwaniu i badaniu analogicznych pasm emitowanych przez tę i inne cząsteczki (Kopystyńska, 1977); eksperymentalne wykazanie wpływu statystyki światła na absorpcję dwufotonową (Radzewicz i in., 1978); odkrycie efektu „śniegu laserowego” w dwusiarczku węgla oraz wyjaśnienie procesów chemicznych i fizycznych odpowiedzialnych za jego powstawanie i ewolucję (Ernst i in., 1979); opracowanie teoretycznego modelu procesu przekazu energii wzbudzenia w termicznych zderzeniach wzbudzonych atomów metali alkalicznych (Kowalczyk, 1979); pierwsze eksperymentalne wykazanie, że przy wzbudzeniu alkaliów światłem spolaryzowanym liniowo (π) ze wzrostem przyłożonego pola magnetycznego uporządkowanie układu atomów zamienia się w orientację (Kramska, 1979); opracowanie metody rozwiązania odwrotnego zagadnienia spektralnego dla dwuatomowych cząsteczek van der waalsowskich (Grycuk, 1980); odkrycie i zbadanie własności około 100 barwników laserujących w obszarze widzialnym i w bliskiej podczerwieni (Stacewicz, Wojciech Skubiszak, Tomasz Kotowski i in., 1984); zaproponowanie metody spektroskopowej wykorzystującej nieliniowy efekt Hanlego do pomiarów cechujących się wysoką zdolnością rozdzielczą, przy użyciu światła lasera o szerokiej linii widmowej – tzw. światło białe (Ernst i in., 1985); pierwsze zastosowanie metody dudnień kwantowych z jednoczesnym wzbudzeniem dwufotonowym, co umożliwiło wyznaczenie struktury nadsubtelnej szeregu stanów D potasu i rubidu (Kraińska, 1985); budowa i uruchomienie pierwszego w Polsce lasera ekscymerowego (Radzewicz, 1988) oraz femtosekundowego lasera na krysztale szafiru domieszkowanego tytanem, o czasie trwania impulsów mniejszym niż 50 fs (Radzewicz i jego doktorant Piotr Wiewiór, 1994); wykazanie, że fluorescencja rozdzielona w czasie może służyć do obserwacji quasi-klasycznego ruchu jąder w cząsteczce dwuatomowej (Radzewicz i Kowalczyk, 1991); współudział w odkryciu zastosowania materiałów wysoce nieliniowych do samoistnej synchronizacji modów w laserach na ciele stałym (Radzewicz, 1992); opracowanie metody wyznaczania stałych zderzeń elektronów ze wzbudzonymi atomami (Stacewicz, 1992); wyjaśnienie mechanizmu zjawiska uwięzienia promieniowania w silnie pobudzonych ośrodkach optycznych (Stacewicz, 1993); zainicjowanie badań widm cząsteczek dwuatomowych metodami spektroskopii polaryzacyjnej i przez laserowe znakowanie poziomów oraz techniką polaryzacyjnej spektroskopii bezdopplerowskiej (Kowalczyk, 1993).
Od lata 1996 roku Zakładem Optyki kierował Krzysztof Ernst172, który do końca roku akademickiego 1995/1996 pełnił funkcję dziekana Wydziału Fizyki UW. W Zakładzie istniało wtedy sześć pracowni173:
1. Pracownia Kształtu Linii Spektralnej (słynna pracownia siatki dyfrakcyjnej) prowadzona przez Teresę Grycuk przy współudziale Pawła Kowalczyka. Metodami spektroskopii klasycznej i laserowej badano w niej potencjały oddziaływania metali z gazami szlachetnymi oraz strukturę energetyczną dwuatomowych cząsteczek alkalicznych. Do zespołu tego dołączyła później dr Elżbieta Czerwosz, która zajmowała się tematyką warstw fulerenowych.
2. Pracownia Fizyki Atomowej prowadzona przez Kraińską; badano tam strukturę nadsubtelną atomów alkalicznych metodą tzw. bitów kwantowych.
3. Pracownia Spektroskopii Nadsubtelnej, którą w tym okresie zaczęła organizować Kopystyńska w celu badania efektów izotopowych w sodzie za pomocą precyzyjnej spektroskopii laserowej.
4. Pracownia Procesów Ultraszybkich kierowana przez Radzewicza; konstruowano tam lasery z synchronizacją modów, wytwarzające impulsy o femtosekundowym czasie trwania, rozwijano metody pomiaru czasu trwania i kształtu tych impulsów, badano szybkie procesy zachodzące w fazie skondensowanej w femtosekundowej skali czasu, jak również problemy propagacji ultrakrótkich impulsów laserowych w materii i związane z nimi zjawiska nieliniowego przetwarzania częstości (supercontinuum).
5. Pracownia Spektroskopii Laserowej kierowana przez Stacewicza, gdzie badano wytwarzanie plazmy za pomocą rezonansowego promieniowania laserowego, a także nieliniową dyfuzję promieniowania.
6. Pracownia Lidarowa utworzona przez Ernsta i Stacewicza z udziałem dr. Wojciecha Skubiszaka i mgr. Stanisława Chudzyńskiego; rozwijano w niej nowe, optyczne techniki zdalnego monitoringu zanieczyszczeń w atmosferze.
Ponadto od 1997 roku w Zakładzie pracował dr Marek Trippenbach (obecnie profesor), który swymi pracami teoretycznymi z zakresu optyki nieliniowej wspomagał badania prowadzone w Pracowni Procesów Ultraszybkich, a jednocześnie rozwijał teorię kondensatu Bosego-Einsteina. Wyposażenie pracowni w Zakładzie było wtedy słabe w porównaniu z podobnymi laboratoriami na świecie. Z wyjątkiem elektronicznych urządzeń pomiarowych, najczęściej krajowej produkcji, znaczna część aparatury została zbudowana własnoręcznie przez fizyków i techników, choć w każdej pracowni można już było znaleźć pojedyncze aparaty z tzw. najwyższej półki, zakupione z wielkim trudem z funduszy przeznaczonych na projekty badawcze finansowane z Komitetu Badań Naukowych lub z dotacji inwestycyjnych. Do wyjątkowych należał uzyskany przez Ernsta grant o wysokości 2 mln marek niemieckich z Fundacji Współpracy Polsko-Niemieckiej pt. Przemieszczanie się zanieczyszczeń nad granicą polsko-niemiecką.
W 2000 roku powstało Krajowe Laboratorium Środowiskowe FAMO (Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej) z siedzibą w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. W organizacji FAMO aktywny udział brali profesorowie Ernst i Radzewicz, którzy weszli w skład Rady Naukowej FAMO. Radzewicz zaangażował się w budowę Laboratorium Mechaniki Kwantowej, inicjując utworzenie rozwijającego się do dziś kilkunastoosobowego zespołu młodych specjalistów z dziedziny procesów ultraszybkich i informatyki kwantowej.
W tym samym roku w Pracowni Lidarowej zrezygnowano z badań nad monitoringiem zanieczyszczeń w atmosferze, podjęto zaś prace nad rozwojem zdalnych metod charakteryzacji aerozolu atmosferycznego i badania eksperymentalne samego aerozolu. Tematyka ta jest uprawiana do dziś we współpracy z Zakładem Fizyki Atmosfery Instytutu Geofizyki UW.
Również od 2000 roku w Pracowni Spektroskopii Laserowej zaczęto rozwijać techniki badania dynamiki procesów przejściowych i wykrywania materii śladowej za pomocą spektroskopii strat we wnęce optycznej (Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS).
Skład osobowy Zakładu Optyki uległ znacznej zmianie po śmierci w 2003 roku Krzysztofa Ernsta oraz przejściu na emeryturę trójki samodzielnych pracowników naukowych: Marii Kraińskiej (2002), Aleksandry Kopystyńskiej i Teresy Grycuk174 (2008). Na emeryturę przeszli także Chudzyński i Skubiszak. W 2005 roku, po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego, Elżbieta Czerwosz przeniosła się do Politechniki Częstochowskiej. Z kolei Marek Trippenbach przeszedł do Instytutu Fizyki Teoretycznej UW.
W 2004 roku w Zakładzie Optyki na etacie adiunkta został zatrudniony dr Piotr Wasylczyk (habilitacja w roku 2010). Początkowo pracował w zespole profesora Radzewicza, a potem założył oddzielną Pracownię Nanostruktur Fotonicznych. W 2008 roku do zespołu Radzewicza dołączył dr Piotr Fita, który rozwija badania w zakresie ultraszybkich procesów w molekułach organicznych.
Istotne zmiany w wyposażeniu i działalności Zakładu Optyki nastąpiły w 2009 roku, gdy otworzyły się możliwości zdobywania funduszy ze strukturalnego programu „Gospodarka Innowacyjna”. Radzewicz uzyskał z tych funduszy dla swych programów znaczną sumę (ok. 14 mln zł) w ramach tematu „Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych” i dzięki temu znacznie unowocześnił wyposażenie Pracowni Procesów Ultraszybkich.
Z kolei Kowalczyk współuczestniczył w przygotowywaniu dla IFD projektu „Fizyka u Podstaw Nowych Technologii”. Przekształcił on Pracownię Spektroskopii Nadsubtelnej w Pracownię Spektroskopii Cząsteczek Dwuatomowych. W 2005 roku do jego zespołu dołączyła dr Anna Grochola, która z dwuletniego pobytu na stypendium Humboldta we Freiburgu „przywiozła” tematykę badań ultrazimnych cząsteczek. Wykorzystując fundusze z wymienionego wyżej programu, obydwoje przekształcają swe laboratorium w Pracownię Cząsteczek Ultrazimnych, nie zaniedbując badań w zakresie cząsteczek dwuatomowych.
W roku 2010 w Zakładzie Optyki zatrudniony został dr Wojciech Wasilewski, którego główne zainteresowania dotyczą informatyki kwantowej. Założył on Laboratorium Pamięci Kwantowych, w którym pracuje z grupą utalentowanych doktorantów i studentów nad atomowymi pamięciami kwantowymi.
W latach 2013–2014 w ramach projektu PhoQuS@UW, finansowanego przez Komisję Europejską, zatrudniono w Zakładzie Optyki kilku adiunktów naukowych tworzących nowe grupy badawcze: (1) „atto science” – dr hab. Yuriy Stepanenko (lider), dr Paweł Wnuk i dr Ziaul Hoque oraz (2) biofotonika – dr Andrzej Kaźmierczak (lider), dr Adrian Knyziak, dr Simeonika Rangełowa-Jankowska i dr Konstantin Rusakov.
Zakładem Optyki kierowali: Tadeusz Skaliński (1961–1970), Krzysztof Ernst (X 1970–X 1972), Aleksandra Kopystyńska (XI 1972–XI 1973), Bohdan Karczewski (XII 1973–XII 1978), Jerzy Krasiński (I 1979–V 1982), Teresa Grycuk (VI 1982–V 1985), Aleksandra Kopystyńska (VI 1985–VII 1996), Krzysztof Ernst (VII 1996–XII 2002), Tadeusz Stacewicz (I 2003–III 2013, Czesław Radzewicz, od III 2013).
* * *
Badania teoretyczne w dziedzinie optyki i fizyki atomowej rozwijały się w UW przeważnie niezależnie od badań eksperymentalnych.
Wspomniano już wyżej, że profesor Wojciech Rubinowicz po przybyciu do Warszawy w 1946 roku objął Zakład Mechaniki Teoretycznej. Jego pierwszymi asystentami byli Marian Günther i Jerzy Rayski, utalentowani teoretycy, wykształceni w czasie okupacji w ramach tajnego nauczania, a następnymi zostali w latach 1949–1950 Janusz Dąbrowski, Ryszard Gagla, Lidia Kępkowiczówna, Maciej Konopacki, Wojciech Królikowski i Jerzy Plebański (późniejszy współpracownik Leopolda Infelda). Wbrew nazwie Zakładu tematyka prowadzonych badań była bardzo rozległa. Doktoraty wykonane pod kierunkiem Rubinowicza obejmowały teorię promieniowania w układach atomowych lub jądrowych. W 1952 roku nastąpiła zmiana administracyjna: Rubinowicz objął kierownictwo Katedry Optyki i Mechaniki, do której przyjmowani byli kolejni młodzi teoretycy.
W roku akademickim 1956/1957 w Katedrze Optyki i Mechaniki poza Rubinowiczem było już czterech docentów ze stopniem doktora (Janusz Dąbrowski, Marian Günther, Wojciech Królikowski i Jerzy Plebański) i dwóch asystentów ze stopniem magistra (Grzegorz Białkowski i Andrzej Jurewicz)175. Dąbrowski interesował się teoretyczną fizyką jądrową, a Plebański współpracował już wtedy faktycznie z Infeldem. Królikowski zajmował się początkowo teorią promieniowania i elektrodynamiką kwantową, ale wkrótce zajął się teorią cząstek elementarnych. Potem w Katedrze tej pojawili się nowi asystenci – Bogdan Mielnik i Stanisław Rohoziński, ale po paru latach zajęli się, odpowiednio, fizyką matematyczną i teorią jądra.
Rubinowicz kierował Katedrą Mechaniki i Optyki do swego przejścia na emeryturę w i960 roku. Do końca życia twórczo pracował naukowo. W ostatnim dwudziestoleciu skupiał się na zagadnieniach teorii dyfrakcji i fizyki matematycznej, pisząc m.in. cenne monografie: Die Beugungswelle in der Kirchhoffsehen teorie der Beugung (PWN, 1957) i Sommerfeldsche Polynommethode (Springer und Polnischer Verlag der Wissenschaften, 1972). Wykształcił wtedy paru młodych, zdolnych fizyków, którzy wyspecjalizowali się w optyce teoretycznej, m.in. Bohdana Karczewskiego i Adama Kujawskiego (późniejszych profesorów na UW i PW).
W 1960 roku z inicjatywy Infelda i Rubinowicza z Katedry Optyki i Mechaniki wydzielono osobną Katedrę Teorii Cząstek Elementarnych, której kierownictwo objął Wojciech Królikowski (patrz rozdział 7.4).
W 1962 roku Katedrę Optyki i Mechaniki objął Iwo Białynicki-Birula, wybitny wychowanek Infelda, przeniesiony z Katedry Elektrodynamiki i Teorii Względności. Zainicjował on badania w kierunku optyki kwantowej. W niewielkiej wtedy Katedrze asystentami byli Stanisław Tatur, zajmujący się elektrodynamiką kwantową, i Jarosław Piasecki, który za namową Białynickiego-Biruli zajął się fizyką statystyczną.
Po wydarzeniach marcowych 1968 roku nastąpiło przemianowanie katedr na zakłady. Katedra Optyki i Mechaniki uległa likwidacji, a Białynicki-Birula został kierownikiem nowego Zakładu Teorii Pola. W 1970 roku z Katedry Optyki i Mechaniki odszedł profesor Janusz Dąbrowski, wybierając Instytut Badań Jądrowych jako miejsce pracy na jednym etacie.
W roku akademickim 1972/1973 w Zakładzie Teorii Pola pracowali176: Iwo Białynicki-Birula (kierownik), adiunkci Jarosław Piasecki, Kazimierz Rzążewski, Stanisław Tatur i Łukasz Turski, st. asystent Adam Bechler i asystent stażysta Bogdan Cichocki. Po powrocie Piaseckiego ze stażu podoktorskiego w Brukseli fizyka statystyczna stała się, obok elektrodynamiki kwantowej, optyki kwantowej i teorii pola, ważną dziedziną badawczą uprawianą w Zakładzie. Skład Zakładu, przemianowanego na Zakład Teorii Pola i Fizyki Statystycznej, ulegał zmianie177. Profesor Białynicki-Birula uzyskał urlop z UW i przeszedł do PAN, aby tworzyć tam Zakład Fizyki Teoretycznej. W 1980 roku kierownictwo objął Piasecki; odeszli Tatur i Turski178, pojawili się Marek Cieplak, Marek Napiórkowski, Krzysztof Wódkiewicz i stażysta Maciej Lewenstein.
W dziedzinie elektrodynamiki kwantowej z zastosowaniami do optyki kwantowej i fizyki atomowej pracowali Adam Bechler, Zbigniew Iwiński (Zakład Dydaktyki Fizyki) i Kazimierz Rzążewski. Kolejno do zespołu tego dołączyli Jerzy Brojan, Krzysztof Wódkiewicz, Jerzy Kamiński, Marek Kuś i Krzysztof Pachucki. Bechler przeszedł potem do Uniwersytetu Szczecińskiego, Brojan – do szkolnictwa, a Cieplak, Kuś i Rzążewski – do Zakładu Fizyki Teoretycznej PAN. Warto tu podkreślić opracowanie dwóch bardzo dobrych podręczników z tej dziedziny179.
Po zmianach organizacyjnych w Instytucie Fizyki Teoretycznej powstała Katedra Optyki Kwantowej i Fizyki Atomowej, której aktywność naukowa
„[...] koncentruje się wokół szeroko rozumianych problemów oddziaływania pola elektromagnetycznego z materią. W zagadnieniach tych wpływ pola elektromagnetycznego na procesy fizyczne może być zarówno niewielki, wówczas badane są subtelne sygnatury tego oddziaływania na wielkości obserwowalne, lub wysoce nieperturbacyjny, gdy oddziaływanie istotnie modyfikuje zjawiska fizyczne, lub wręcz prowadzi do pojawienia się nowych efektów nie obserwowanych w jego nieobecności. W ogólności badania te można podzielić na cztery grupy tematyczne: a) zjawiska kwantowe modyfikowane lub stymulowane zewnętrznym silnym polem elektromagnetycznym; b) nieliniowa fizyka atomów i fotonów; c) optyka kwantowa i fotonika znajdujące zastosowania w estymacji różnych charakterystyk stanów kwantowych i w telekomunikacji z wykorzystaniem kwantowych stanów światła; d) bardzo precyzyjne rachunki dotyczące właściwości stanów związanych atomów i cząsteczek wieloelektronowych”180.
19. Krzysztof Wódkiewicz
Pierwszym kierownikiem Katedry Optyki Kwantowej i Fizyki Atomowej został Krzysztof Wódkiewicz (1949–2008), jeden z pionierów optyki kwantowej w Polsce. Jego zainteresowania naukowe koncentrowały się również na podstawach mechaniki kwantowej i informacji kwantowej oraz na zastosowaniach procesów stochastycznych w fizyce.
Kariera naukowa Wódkiewicza rozpoczęła się od współpracy z Josephem H. Eberlym z Rochester University. Trwałe miejsce w historii fizyki zapewniły mu prace dotyczące teorii zależnego od czasu widma promieniowania, stanów ściśniętych, teorii lasera dwufotonowego, operacyjnej metody pomiaru funkcji Wignera i testowania nielokalności kwantowej w przestrzeni fazowej, operacyjnej teorii pomiarów kwantowych, nierówności Bella. Prace Wódkiewicza181 weszły do klasyki w optyce kwantowej i były już cytowane po kilkaset razy182.
Oryginalny nurt badań w Katedrze dotyczył elektrodynamiki kwantowej i wpływu zewnętrznego pola elektromagnetycznego na materię (Jerzy Kamiński). Początkowo tematyka obejmowała rozpraszanie elektronów na potencjale kulombowskim oraz wpływ zewnętrznego stałego, jednorodnego pola elektromagnetycznego na kreację par cząstka–antycząstka z wykorzystaniem metody grupy renormalizacji. Analiza efektów temperaturowych i gęstościowych doprowadziła do wniosku, że przy użyciu efektywnego lagrangianu elektrodynamiki kwantowej można zdefiniować fundamentalne funkcje stałej sprzężenia: funkcję Gell–Manna–Lowa i funkcję Johnsona–Bakera–Willeya. Ich miejsca zerowe określają asymptotyczne zachowanie się procesów opisanych elektrodynamiką kwantową zarówno w granicy wysokich energii, jak i w granicach wysokiego natężenia pola elektromagnetycznego, wysokiej temperatury lub wysokiej gęstości par cząstka-antycząstka.
Jerzy Kamiński i Mihai Gavrilă z Amsterdamu badali procesy rozproszeniowe w obecności silnej wiązki laserowej oraz wielofotonową jonizację atomów. Jednym z ich istotnych osiągnięć było sformułowanie tzw. rozwinięcia wysokoczęstościowego wraz z dokładną analizą stosowalności tego rozwinięcia. W szczególności przewidzieli, że w granicy wysokiej częstości i dużego natężenia pola laserowego materia atomowa zamiast szybko się jonizować, zaczyna stabilizować się, ale już w postaci znacznie zmodyfikowanej przez pole laserowe. Ten wynik teoretyczny183 wzbudził wiele kontrowersji, ale po wielu latach intensywnych badań został potwierdzony eksperymentalnie184.
Inny kierunek prac stanowi analiza numeryczna równań dynamicznych (zwłaszcza równania Schrödingera). W prowadzonych badaniach wzięto pod uwagę, iż wielkie natężenia osiąga się przez znaczne skrócenie czasu trwania impulsu laserowego (obecnie czas ten jest rzędu femtosekund). W takich sytuacjach przybliżenie fali monochromatycznej przestaje obowiązywać i efekty włączeniowe i wyłączeniowe impulsu laserowego zaczynają odgrywać bardzo ważną rolę. Problem ten badano w kontekście generacji wyższych harmonik pola laserowego, wzbudzania selektywnego stanów własnych oraz tzw. chaosu kwantowego.
Pozostałe kierunki prac to: analiza wpływu monochromatycznej fali elektromagnetycznej na pasmową strukturę kryształów i półprzewodnikowych supersieci, analiza generacji wyższych harmonik pola laserowego przez układy o czasowej i przestrzennej okresowości, wpływ bichromatycznego pola laserowego na procesy rezonansowe i jonizację. Badania naukowe w powyższych dziedzinach są prowadzone we współpracy z ośrodkami zagranicznymi (w szczególności z uniwersytetami w Bielefeld i Innsbrucku). Z udziałem Katarzyny Krajewskiej są badane fundamentalne procesy elektrodynamiki kwantowej (np. efekt Comptona lub procesy Breita–Wheelera i Bethego–Heitlera) modyfikowane lub indukowane bardzo krótkimi i intensywnymi impulsami laserowymi.
Krzysztof Pachucki badał wpływ struktury i wzbudzeń jąder atomowych na widma atomowe. Wzbudzenia jądra modyfikują poziomy energii elektronów. Efekt ten jest najlepiej widoczny w przesunięciach izotopowych, np. między wodorem i deuterem. Pomiary tego przesunięcia wykonuje się obecnie z bardzo dużą dokładnością. Precyzyjne obliczenia Pachuckiego we współpracy z Teodorem Wolfgangiem Hänschem (laureatem Nagrody Nobla z 2005 roku) umożliwiły dokładne wyznaczenie rozmiarów deuteronu i zapoczątkowały rozwój spektroskopowych metod wyznaczania rozmiarów lekkich jąder atomowych185. Pachuckiemu udało się także wyjaśnić kilkudziesięcioletnią rozbieżność między wynikami eksperymentalnymi dotyczącymi radiacyjnego wychwytu elektronów186. Za swe bardzo istotne wyniki badań otrzymał on w 2011 roku prestiżową Nagrodę im. Marii Skłodowskiej-Curie, przyznawaną przez Polską Akademię Nauk. Jest on obecnie jednym z najlepszych w świecie ekspertów w dziedzinie elektrodynamiki kwantowej. W okresie 2007–2010 miał prestiżowy Precision Measurement Grant (PMG) „High-precision calculations of transition frequencies in three-electron atoms versus nuclear structure” amerykańskiej instytucji rządowej National Institute of Standards and Technology. Granty PMG są niezwykle rzadko przyznawane obcokrajowcom (poza Pachuckim grant taki miał tylko jeden Kanadyjczyk i jeden Australijczyk).
W ostatnich dwóch dekadach fizycy z Katedry Optyki Kwantowej i Fizyki Atomowej uczestniczyli w badaniu nowych zagadnień z zakresu optyki i informatyki kwantowej. W połowie lat 90. dużo uwagi poświęcono zagadnieniu rekonstrukcji pełnego stanu kwantowego prostych układów fizycznych. Temat ten stał się bardzo atrakcyjny dzięki rozwojowi technik doświadczalnych, które były w stanie dostarczyć kompletnych danych do odtworzenia pełnego stanu kwantowego mierzonego układu. W 1993 roku grupa Michaela G. Raymera z University of Oregon zrealizowała przełomowe doświadczenie, w którym udało się zrekonstruować skład układu fizycznego, przetwarzając tomograficznie wyniki odpowiednio bogatego zestawu pomiarów. W 1996 roku Krzysztof Wódkiewicz i Konrad Banaszek zaproponowali187 bardzo elementarną metodę bezpośredniej rekonstrukcji ze statystyk fotonowych funkcji Wignera, która pozwala przedstawiać stan kwantowy w postaci analogicznej do rozkładu prawdopodobieństwa dla położenia i pędu, lecz ma cechy nieklasyczne, gdyż może przyjmować wartości ujemne. Ten artykuł wywołał duże zainteresowanie i zebrał już ponad 300 cytowań. Kilka lat później zrealizowano wspomnianą metodę bezpośredniego pomiaru funkcji Wignera pojedynczego modu światła we wspólnej pracy188 z eksperymentatorami z Zakładu Optyki IFD. W dalszych badaniach nad reprezentacjami stanu kwantowego światła w przestrzeni fazowej zademonstrowano struktury sub-planckowskie w przestrzeni fazowej przy użyciu ultrakrótkich impulsów światła.
Marek Trippenbach bierze aktywny udział w badaniach zimnych atomów (kondensatów Bosego–Einsteina). Należy do prekursorów tzw. nieliniowej optyki atomów, przewidując m.in. mieszanie czterech fal dla koherentnych fal atomowych, a następnie współpracując przy wykonaniu eksperymentu potwierdzającego te przewidywania w grupie laureata Nagrody Nobla Williama Phillipsa. Jest współautorem dużego artykułu w prestiżowym periodyku189.
W ostatnich latach pojawił się nowy temat: metrologia wspomagana kwantowo. Powszechnie wiadomo, że standardowe schematy pomiarowe, np. fazy bądź częstości, są ograniczone przez tzw. szum śrutowy wynikający z losowego zachowania się indywidualnych układów kwantowych. Przygotowanie stanów kolektywnych pozwala zejść poniżej szumu śrutowego do tzw. granicy Heisenberga, jednakże skutkiem tego jest zwiększenie podatności na dekoherencję. Wykazano, że uwzględnienie dekoherencji przy projektowaniu stanów kolektywnych pozwala na przełamanie bariery szumu śrutowego, nawet przy występowaniu niekontrolowanego oddziaływania z otoczeniem, i określono fundamentalne ograniczenia wpływające na precyzję w takich przypadkach. Liderem badań w tej dziedzinie stał się Rafał Demkowicz-Dobrzański. Drugim nowym kierunkiem badań jest relatywistyczna informatyka kwantowa, uprawiana z powodzeniem przez Andrzeja Dragana.
W ostatnich latach w Katedrze Optyki Kwantowej i Fizyki Atomowej były realizowane dwa duże projekty badawcze z zakresu optyki i informatyki kwantowej: projekt „Optical Implementations of Quantum-enhanced Technologies” w ramach programu TEAM – Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, finansowanego ze środków Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007–2013, oraz projekt „Q-ESSENCE: Quantum Interfaces, Sensors, and Communication based on Entanglement” finansowany ze środków 7. PR Unii Europejskiej. Projekt drugi, obejmujący 23 partnerów z 11 krajów, w tym dwóch partnerów przemysłowych, był w całości koordynowany przez Konrada Banaszka. Fizycy z Katedry brali też udział w projekcie QUDEDIS – „Quantum Degenerate Dilute Systems” – jest to międzynarodowy program Europejskiej Fundacji Nauki oraz Cold Quantum Matter (EuroQUAM).
Już w okresie międzywojennym, nieco na marginesie badań świecenia atomów i cząsteczek, prowadzono na Hożej badania struktury drewna, minerałów i cienkich warstw metali. Było to jedno z zainteresowań Pieńkowskiego i jego współpracowników (Stanisława Dembicka, Zofia Dębińska, Zofia Kuleszanka, Leopold Jurkiewicz, Irena Manteuffel, Zofia Mizgierówna, Barbara Schmidt, Aleksander Weryha). Wyniki przeprowadzonych badań strukturalnych przy wykorzystaniu promieni X opublikowano wówczas w kilkunastu artykułach. To była prehistoria.
Po wojnie Pieńkowski powrócił do tej tematyki. Prowadzono badania drewna (Janina Wilhelmi), węgli kopalnych i kauczuku (Julian Auleytner), parafiny (Barbara Wojtowicz-Natanson), minerałów (głównie apatytów), a także uporządkowania grafitów sztucznych w związku z ich zastosowaniem w reaktorach jądrowych (Maria Lefeld, Julian Auleytner).
Właściwy rozwój fizyki materii skondensowanej nastąpił jednak na Hożej dzięki Leonardowi Sosnowskiemu190. Jak już podano wyżej, po powrocie z Anglii w 1947 roku Sosnowski nie był zdecydowany, czy kontynuować badania w fizyce jądrowej, w której specjalizował się przed wojną, czy też zająć się fizyką ciała stałego, z którą zetknął się w Anglii. Wspominał potem, że ostateczną decyzję podjął w 1949 roku:
„Tę datę 1949 trochę wymusiły warunki. Pamiętajmy, że wszelka praca doświadczalna w Polsce to było wtedy coś niewyobrażalnie trudnego. Nie było żadnej aparatury. Żeby zrobić zwykły potencjometr, nawijało się własnoręcznie oporniki. Naprawdę coś porządnego można było zacząć gdzieś w 1952 roku. Pierwsze pięć lat to rozruch dydaktyki, organizacja Uniwersytetu”191.
Do pierwszych współpracowników Sosnowskiego należeli Julian Auleytner192, Bronisław Buras, Halina Chęcińska193, Ignacy Filiński, Janusz Ostrowski, Tadeusz Piwkowski, Henryk Rzewuski, Wiesław Wardzyński194, Aniela Wolska195 i Andrzej Zaręba. Wspólnie ze swoim mistrzem kontynuowali oni prace rozpoczęte przez Sosnowskiego w Anglii, tzn. badania zjawisk fotowoltaicznych w warstwach soli ołowiu i pochodnych. Mimo trudności eksperymentalnych, braku aparatury pomiarowej oraz zaawansowanej aparatury technologicznej, opublikowano kilkanaście prac poświęconych problematyce związków ołowiu, luminescencji związków typu ZnS, cienkich warstw oraz badań rentgenowskich196.
Kiedy w 1953 roku został utworzony Instytut Fizyki PAN, znaczna część jego pracowni mieściła się początkowo na Hożej 69. Zespoły z UW i IF PAN ściśle współpracowały ze względu na wspólne zainteresowania i liczne więzy personalne. Sosnowski kierował zarówno uniwersytecką Katedrą Elektroniki i Radiologii (przemianowaną potem na Katedrę Fizyki Ciała Stałego), jak i IF PAN.
Właśnie z inspiracji Sosnowskiego podjęto prace badawcze w fizyce ciała stałego w IF PAN (Zbigniew Dziuba, Tadeusz Figielski, Robert Gałązka, Jerzy Kołodziejczak, Janusz Ostrowski, Wanda Szymańska, Andrzej Zaręba, Włodzimierz Zawadzki i in.) oraz w Instytucie Materiałów Elektronicznych – zapleczu materiałowym dla elektroniki półprzewodnikowej w Polsce. Stworzenie podstaw organizacyjnych oraz wykształcenie dużej grupy pracowników (kilkadziesiąt doktoratów), którzy następnie podjęli badania w fizyce półprzewodników, było doniosłym dokonaniem Sosnowskiego, niezależnie od jego osobistego, bardzo istotnego wkładu merytorycznego do tej dziedziny.
Przykładem współpracy między instytucjami było utworzenie w ramach wspólnego laboratorium IF PAN (Witold Giriat) i UW (Wiesław Wardzyński) pracowni krystalizacji materiałów półprzewodnikowych. Otworzyło to nowe, szerokie pole badań. Początkowo wytwarzano materiały III–V (InSb), a następnie rozwinięto technologię kryształów grupy II–VI, głównie CdTe, CdSe, HgTe, oraz związków mieszanych tych półprzewodników. Można było także rozwinąć badania wpływu różnego rodzaju domieszkowania oraz badanie prostych struktur o właściwościach fotowoltaicznych.
W końcu lat 50. i w latach 60. istotnym ograniczeniem w rozwoju naukowym Katedry, wówczas już Katedry Fizyki Ciała Stałego, był brak dostępu do cieczy kriogenicznych. Uniemożliwiało to badania w niskich temperaturach, co dla fizyki półprzewodników było sprawą kluczową. Dzięki współpracy z IF PAN, na początku lat 60. fizycy z UW uzyskali skromny dostęp do ciekłego helu w budynku PAST-y przy ulicy Zielnej (Jerzy Raułuszkiewicz – IF PAN). Badania spektroskopowe prowadził tam Wardzyński, który po powrocie z 15-miesięcznego stypendium w Cavendish Laboratory w Cambridge poświęcił się, z liczną grupą współpracowników, badaniom dwójłomności naturalnej i wymuszonej ciśnieniem jednoosiowym oraz ich związku ze strukturą energetyczną i właściwościami przejść ekscytonowych w półprzewodnikach grup II–VI i II–V. Badał także właściwości optyczne silnie domieszkowanych kryształów selenku kadmu, ich widma ekscytonowe, fotoprzewodnictwo i luminescencję. W latach 70. kierował przez kilka lat specjalnie dla niego utworzonym Zakładem Spektroskopii Półprzewodników. Po przejściu Wardzyńskiego do IF PAN w 1974 roku Zakład ten przestał istnieć jako odrębna jednostka.
W połowie lat 60. uruchomiono na Hożej duży (5000 l) zbiornik ciekłego azotu, co umożliwiło dalszy rozwój kriogeniki. Budynek „opleciono” instalacją odzysku gazowego helu i rozpoczęto pomiary helowe ze skraplanym w IF PAN helem. Otworzyło to nowe możliwości badawcze. Pojawiły się pierwsze magnesy nadprzewodzące i tematyka badań szybko zaczęła przybliżać się do poziomu europejskiego. Rozpoczęto badania optyczne z użyciem zewnętrznych pól, takich jak jednoosiowe naprężenia (Wardzyński, Marian Grynberg, Michał Nawrocki) i pola magnetyczne (Jan Gaj i Nawrocki). Badania te przyczyniły się do rozszyfrowania szczegółów struktury pasmowej półprzewodników II–VI.
W 1957 roku Sosnowski ogłosił dwie ważne prace koncepcyjno-teoretyczne197 o nośnikach prądu w półprzewodnikach. Przyniosły mu one uznanie jako jednej z czołowych postaci dynamicznie rozwijającej się wówczas fizyki półprzewodników. Zdawał sobie jednak sprawę z tego, że w ówczesnych warunkach w Polsce nie można było marzyć o konkurowaniu z bogatymi laboratoriami zagranicznymi w głównym nurcie badań światowych (zwłaszcza badań krzemu), warto natomiast znaleźć nisze, w których osiągnięcie przełomowych wyników będzie możliwe.
* * *
Fizyka teoretyczna ciała stałego powstała na Hożej z inicjatywy Infelda, który – jak już wspomniano wyżej – chciał stworzyć duży Instytut Fizyki Teoretycznej, gdzie będą prowadzone badania teoretyczne we wszystkich aktualnych działach fizyki. Jan Blinowski198 jako datę narodzin tej nowej specjalności traktuje rok 1955, kiedy Maciej Suffczyński opublikował w „Nuovo Cimento” artykuł o całkach dwucentrowych w żelazie. Drugą osobą, obok Suffczyńskiego, namówioną przez Infelda do zmiany tematyki była Maria Miąsek, która w 1957 roku zaczęła publikować prace o strukturze pasmowej kryształów.
Infeld kierował także Zakładem Fizyki Teoretycznej w IF PAN. Zakład początkowo mieścił się na Hożej 69, a jego pracownicy siedzieli z kolegami z UW w tych samych pomieszczeniach i często przy tych samych biurkach. Nowych asystentów i doktorantów przyjmowano do UW lub do IF PAN, zależnie od aktualnych możliwości etatowych. Dzięki tej symbiozie podejmowano często wspólne tematy badawcze.
W 1961 roku w Instytucie Fizyki Teoretycznej UW powstała Katedra Teorii Ciała Stałego, której kierownictwo objął Suffczyński199. Interesował się on m.in. badaniami spektroskopowymi, które prowadził Wardzyński. Istotny wkład teoretyczny Suffczyńskiego dotyczył głównie właściwości ekscytonów w materiałach szerokoprzerwowych. Do dziś są cytowane prace na temat tzw. ekscytonów związanych i kompleksów ekscytonowych.
Ten harmonijny rozwój zmienił się istotnie w 1968 roku, kiedy zabroniono samodzielnym pracownikom naukowym pracy na więcej niż jednym etacie. Suffczyński wybrał pracę w IF PAN, gdzie po śmierci Infelda objął kierownictwo Zakładu Fizyki Teoretycznej. Natomiast Jerzy Mycielski200 przeniósł się do UW i objął kierownictwo Zakładu Teorii Ciała Stałego w IFT. Na Uniwersytet przeniósł się w 1968 roku także Jan Blinowski. W tym początkowym okresie rozwoju teorii ciała stałego na Hożej tematyka prac naukowych koncentrowała się na rozwijaniu aparatu obliczeniowego struktur pasmowych – głównie metody ciasnego wiązania, oraz teorii reprezentacji grup przestrzennych. Niektóre ówczesne prace, zwłaszcza na temat metody ciasnego wiązania w strukturach heksagonalnych i reprezentacji grupy przestrzennej białej cyny, znalazły trwałe miejsce w monografiach poświęconych obliczeniom struktur pasmowych.
20. Jerzy Mycielski
Mycielski kierował szerokim programem badawczym zjawisk hoppingu w półprzewodnikach domieszkowanych (badania przewodnictwa i absorpcji w dalekiej podczerwieni w germanie i krzemie oraz wpływu na te materiały czynników zewnętrznych – pola magnetycznego, ciśnienia jednoosiowego, gradientu koncentracji domieszek). Przewidziane teoretycznie widmo absorpcji międzydomieszkowej zostało potwierdzone eksperymentalnie w różnych ośrodkach. Potem zajmowano się teorią magnetooptyki w materiałach o niestandardowej strukturze pasmowej, teorią oddziaływania elektron-fonon, teorią absorpcji promieniowania z generacją plazmonów i teorią funkcji dielektrycznej w półprzewodnikach o wąskiej i zerowej przerwie energetycznej. W latach 90. tematyka badań w Zakładzie objęła teorię stopów półmagnetycznych, teorię półprzewodnikowych struktur kwantowych o obniżonej wymiarowości i teorię układów z silną korelacją elektronową – ciężkofermionowych i nadprzewodzących.
* * *
Z perspektywy czasu okazało się, że filozofia nisz tematycznych, którą przyjął Leonard Sosnowski, pozwoliła polskim fizykom uzyskać znaczące miejsce w światowej fizyce półprzewodników. Dotyczy to zwłaszcza osiągnięć w trzech grupach tematycznych: fizyki półprzewodników z wąską przerwą energetyczną, fizyki półprzewodników półmagnetycznych oraz fizyki defektów w półprzewodnikach.
W pierwszej z tych trzech grup Sosnowski miał największy bezpośredni wkład. Był autorem lub współautorem kilku plenarnych referatów na najważniejszych konferencjach fizyki półprzewodników. Ten wybór był naturalny po wcześniejszych pracach Sosnowskiego nad związkami ołowiu i pochodnymi, które są klasycznymi półprzewodnikami tzw. wąskoprzerwowymi, ale o dość skomplikowanej strukturze pasmowej i właściwościach. Dynamiczny rozwój tej tematyki był możliwy dzięki kolejnej generacji fizyków – w większości uczniów i bezpośrednich współpracowników Sosnowskiego.
W owym czasie gwałtownie poszukiwano półprzewodników alternatywnych do Si i Ge, zwłaszcza do zastosowań w elektronice mikrofalowej, a przede wszystkim w konstrukcji diod elektroluminescencyjnych. Szybko okazało się, że związki III–V (zwłaszcza arsenek galu GaAs), dzięki prostszej strukturze pasmowej niż w Ge czy Si, otwierają zupełnie nowe możliwości zarówno w badaniach podstawowych, jak i w konstrukcji przyrządów elektronicznych. Impulsem do włączenia się grupy warszawskiej do tej nowej tematyki było zwrócenie uwagi przez Kołodziejczaka na unikatowe właściwości antymonku indu (InSb), półprzewodnika o sześciokrotnie mniejszej przerwie energetycznej niż w GaAs, a zwłaszcza niespodziewanych właściwości elektrycznych tego materiału (bardzo mała masa efektywna elektronów pasmowych, ogromne ruchliwości nośników, gigantyczne efekty magnetooptyczne w podczerwieni).
Po pojawieniu się w 1957 roku serii prac (Evan O. Kane i in.), w których modelowano strukturę pasmową w zupełnie nowy sposób, Jerzy Kołodziejczak, Włodzimierz Zawadzki, Jerzy Mycielski, Leonard Sosnowski i inni wykorzystali i rozwinęli to nowe narzędzie teoretyczne. Wykazali, że uwzględnienie nieparaboliczności i niesferyczności pasm półprzewodnika prowadzi do zupełnie nowych zjawisk fizycznych. Opracowanie teorii zjawisk transportu elektronowego w materiałach wąskoprzerwowych było bardzo ważnym wynikiem.
Od tych prac201, często cytowanych w tamtym okresie, rozpoczął się nowy etap w rozwoju fizyki półprzewodników w Polsce i powstanie wręcz pierwszej znaczącej międzynarodowo specjalności naukowej w tej grupie, a mianowicie eksperymentalnej fizyki półprzewodników z wąską przerwą energetyczną. Dzięki rozwijaniu unikatowej technologii półprzewodnikowych związków rtęci o bardzo małej, a nawet zerowej przerwie energetycznej, przez Witolda Giriata, a później także Zbigniewa Dziubę, Roberta Gałązkę, Annę Pajączkowską i Andrzeja Mycielskiego, Polska stała się bardzo znaczącym graczem na arenie międzynarodowej. Stało się to po udowodnieniu eksperymentalnym tzw. odwróconej struktury pasmowej w tellurku rtęci (HgTe)202.
Kolejnym rezultatem było udowodnienie otwierania się przerwy energetycznej z przejściem przez zakres przerwy zerowej, dla której pasma przewodnictwa i walencyjne mają kształt liniowy w funkcji wektora falowego. Zachodzi to w kryształach mieszanych CdHgTe i te prace należy wiązać głównie z osobą Gałązki (Sosnowski był współautorem wszystkich pionierskich prac na ten temat). Jacek Baranowski i Andrzej Mycielski skonstruowali jeden z pierwszych detektorów chłodzonych z CdHgTe. Detektory z tej rodziny są obecnie wytwarzane komercyjnie przez grupę Józefa Piotrowskiego i współpracowników w firmie VIGO. Ważnym rezultatem naukowym była też praca Mariana Grynberga na temat funkcji dielektrycznej w tych materiałach (eksperyment oraz teoria) wykonana w laboratorium Minko Balkanskiego w Paryżu. Zagadnieniami wkładu różnych wzbudzeń do funkcji dielektrycznej zajmowali się również Jan Blinowski i Jerzy Mycielski ze współpracownikami (teoria) oraz Andrzej Mycielski (eksperyment).
W połowie lat 70., głównie z inspiracji Gałązki (IF PAN), rozwinęła się w Warszawie tematyka tzw. półprzewodników półmagnetycznych (w literaturze zachodniej zwanych też rozcieńczonymi półprzewodnikami magnetycznymi). Pierwsze kryształy półprzewodników półmagnetycznych były wykonane przez Giriata (głównie jako tzw. półprzewodniki II–VI silnie domieszkowane metalami przejściowymi). Gałązka odegrał wiodącą rolę w rozwoju tej tematyki jako próbie dodania nowego wymiaru właściwościom półprzewodników dzięki istnieniu „wewnętrznego pola magnetycznego” pochodzącego od zlokalizowanych spinów jonów manganu (Mn), które są składnikiem stopów CdMnTe, a później i innych związków II–VI i IV–VI z Mn i Fe.
Do czasu pojawienia się prac polskich fizyków opublikowano na świecie wiele prac na temat tzw. półprzewodników magnetycznych (np. EuTe, CdCr2Se4). Dotyczyły one jednak normalnych materiałów magnetycznych z właściwoścami półprzewodnikowymi. Natomiast półprzewodniki półmagnetyczne stanowią nową jakościowo klasę zarówno półprzewodników, jak i magnetyków. Historię tych badań i ocenę wkładu wielu osób z nimi związanych bardzo elegancko i w sposób wyważony przedstawił Jan Gaj w artykule zamieszczonym w „Postępach Fizyki”203 (1994). Obok Roberta Gałązki (IF PAN) najbardziej znaczący wkład w tę tematykę wnieśli Jan Gaj, Jerzy Ginter i Michał Nawrocki z Zakładu Fizyki Ciała Stałego IFD UW, a następnie z IF PAN: Andrzej Mycielski, Tomasz Dietl, Jacek Kossut w zakresie eksperymentu i Jerzy Mycielski, Tomasz Dietl, Józef Spałek (UJ) oraz Jan Blinowski (IFT UW) w zakresie teorii. Wyniki tych badań są uznawane za jeden z największych polskich wkładów do fizyki półprzewodników. Sosnowski nie był współautorem żadnej oryginalnej pracy w tej tematyce, miał jednak istotny wpływ intelektualny na jej rozwój204.
Gaj, Gałązka i Ginter zaproponowali model205 (zwany czasem modelem 3G od nazwisk autorów), który wyjaśniał wyniki doświadczalne z zakresu magnetooptyki przez analizę wpływu pola magnetycznego na strukturę pasmową. Gaj, Gałązka i Nawrocki opisali anomalnie wielki efekt Faradaya w CdMnTe206. W pracy Gaja z Richardem Planelem i Guy Fishmanem podano207 w 1979 roku funkcję opisującą zależność namagnesowania półprzewodników półmagnetycznych od temperatury (ten wynik jest powszechnie wykorzystywany, a wymieniony artykuł zebrał już prawie 800 cytowań i nadal ma ok. 20 cytowań rocznie).
21. Jan Gaj
Następnie Gaj rozwinął badania układów niskowymiarowych (2D) oraz kropek kwantowych zawierających jony magnetyczne. Współpraca jego grupy z ośrodkiem w Grenoble doprowadziła do odkrycia ferromagnetyzmu w studniach kwantowych CdMnTe. Artykuł tej grupy208 do dziś ma kilkanaście cytowań rocznie. Dzięki zastosowaniu unikatowego mikroskopu immersyjnego rozszerzono badania magnetooptyczne na pojedyncze kropki kwantowe. Z inicjatywy profesora Piotra Kossackiego opracowano metodę zapisu i odczytu informacji na spinie pojedynczego jonu manganu wbudowanego w pojedynczą kropkę kwantową209.
Niestety profesor Jan Gaj, niekwestionowany autorytet światowy w badaniach półprzewodników półmagnetycznych, zmarł przedwcześnie po niespodziewanej chorobie210. Wspólnie z profesorem Jackiem Kossutem (IF PAN) zdążył jeszcze wydać ważną monografię Introduction to the Physics of Diluted Magnetic Semiconductors (Springer, 2010).
Kolejną tematyką rozwijaną w warszawskiej grupie półprzewodnikowej od lat 60. było badanie defektów. Dzięki defektom i wprowadzonym przez nie dodatkowym stanom energetycznym w półprzewodnikach można zmieniać zarówno typ, jak i koncentrację nośników, a także czas życia nośników mniejszościowych. Pierwsze istotne prace badawcze w tej tematyce dotyczyły teorii stanów domieszkowych (Jan Blinowski, Jerzy Mycielski, Jarosław Trylski), a zwłaszcza tzw. zjawiska hoppingu. Znaczące były badania eksperymentalne prowadzone przez Tadeusza Figielskiego z IF PAN, dotyczące struktury elektronowej dyslokacji oraz procesów rekombinacji, zwłaszcza zależnych od spinu. Prace na temat fizyki tzw. zlokalizowanych defektów (domieszek), były kluczowymi dokonaniami w tej dziedzinie i przyczyniły się w sposób istotny do uznania tematyki „defektowej” za jedną z polskich specjalności.
Jacek Baranowski zainicjowal w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego UW badania metodami optycznymi silnie zlokalizowanych stanów domieszek metali przejściowych w kryształach II–VI z szeroką przerwą energetyczną oraz w wybranych kryształach III–V. Te badania doprowadziły do lepszego zrozumienia struktury energetycznej tzw. głębokich domieszek i ich sprzężenia z siecią krystaliczną. Baranowski z Langerem wykazali, że w wielu przypadkach stany wzbudzone tych domieszek są stanami rezonansowymi, zdegenerowanymi z pasmem przewodnictwa i mimo to nadal zachowują większość cech stanów zlokalizowanych. Badania takie rozwijano również w dwóch innych grupach badawczych: IF PAN (Langer i współpracownicy) oraz UNIPRESS (Sylwester Porowski i współpracownicy). W tematyce związanej z domieszkami (historycznie najpóźniejszej) Leonard Sosnowski był głównie pomocnym krytykiem, a w mniejszym stopniu twórcą.
Warto dodać, że Sosnowski przyczynił się także do zorganizowania Zakładu, a obecnie Centrum Wysokich Ciśnień, kierowanego od początku przez Porowskiego. Za przykładem UNIPRESSu technikę wysokich ciśnień hydrostatycznych zaczęto stosować również na Hożej, początkowo tylko do pomiarów galwanomagnetycznych (Jolanta Stankiewicz), a następnie fotoprzewodnictwa i innych pomiarów optycznych, prowadzonych już przez Michała Baja. Rozpoczęto też badania struktury elektronowej metodami optycznymi i magnetooptycznymi w dalekiej podczerwieni (Marian Grynberg, Andrzej Witowski).
Badania silnie zlokalizowanych domieszek, prowadzone m.in. w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego, przyniosły kilka spektakularnych odkryć. Jednym z nich było rozszyfrowanie struktury podstawowego defektu warunkującego otrzymywanie półizolacyjnych kryształów GaAs (tzw. defekt EL2). Model zaproponowany przez Marię Kamińską (1985) na podstawie badań piezooptycznych zyskał – po latach kontestacji – akceptację w środowisku fizyków zajmujących się półprzewodnikami. Równie cenne były prace doświadczalne i teoretyczne nowej klasy defektów wykazujących zjawiska metastabilności, tzw. centra DX (Langer w IFD UW, a później w IF PAN, Kamińska, Baj oraz Porowski ze współpracownikami w UNIPRESS). Doprowadziły one m.in. do udowodnienia, że źródłem tego zdumiewającego zjawiska jest bardzo silne sprzężenie zlokalizowanych domieszek z siecią krystaliczną, występujące w półprzewodnikach silnie jonowych oraz silnie kowalencyjnych. Co więcej, w takich stanach występuje efektywne sparowanie związanych elektronów, analogicznie jak w zjawisku nadprzewodnictwa (pary Coopera) (Langer ze współpracownikami).
W połowie lat 80., wspólnie z Zakładem Wysokich Ciśnień oraz przy przychylności IF PAN, powstało w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów. Przy ulicy Przyokopowej, w starej elektrowni tramwajowej (gdzie obecnie mieści się Muzeum Powstania Warszawskiego), zbudowano laboratorium z wysokociśnieniowym układem do uzyskiwania monokryształów związków III–V metodą Czochralskiego (z myślą o podłożach dla epitaksji) oraz układem MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition). Ogromnym wysiłkiem finansowym i ludzkim (Wojciech Kuszko, a następnie Roman Stępniewski) powstało laboratorium, w którym można było wytwarzać materiały i struktury o obniżonej wymiarowości. W okresie tworzenia tego laboratorium Uniwersytet Warszawski nie mógł sam zrealizować tego ambitnego projektu, powołano więc spółkę „Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów”, której celem było stworzenie od podstaw laboratorium technologicznego. Jest to prawdopodobnie najpoważniejsze przedsięwzięcie organizacyjne w historii Zakładu. Potem przeniesiono to laboratorium do nowej siedziby prz ulicy Pasteura. W 2010 roku, także na Pasteura, w dawnych warsztatach IFD UW, nastąpiło powiększenie zaplecza technologicznego o aparaturę do epitaksji z wiązek molekularnych (Molecular Beam Epitaxy, MBE), mikroskopy skaningowe i urządzenie do trawienia zogniskowaną wiązką jonów (Focused Ion Beam, FIB).
W 1992 roku powstała firma spin-off AMMONO, która wykorzystuje technologię wzrostu azotku galu metodą amonotermalną, opracowaną w grupie profesor Marii Kamińskiej.
Pojawienie się struktur i materiałów nowej generacji wymusiło znaczną rozbudowę instalacji kriogenicznej. Zaawansowane eksperymenty i pomiary charakterystyk otrzymanych materiałów wymagały znacznej ilości ciekłego helu. Nie wystarczało już sprowadzanie helu z wytwórni w Odolanowie w 1000-litrowym zbiorniku zakupionym w końcu lat 70. Zakupiono więc skraplarkę helu, która ruszyła w 1995 roku.
Badania półprzewodników półmagnetycznych doprowadziły do pojawienia się zagadnienia oddziaływań pomiędzy zlokalizowanymi „spinami”, prowadzących do właściwości magnetycznych. Zakup niezwykle czułego magnetometru SQUID pozwolił rozszerzyć badania na właściwości magnetyczne (Andrzej Twardowski). Czułość metod stosowanych pozwala obecnie badać już nie tylko lite kryształy półmagnetyczne, ale również studnie kwantowe (magnetyczne i niemagnetyczne) z barierami magnetycznymi. Struktury wytwarzane są metodami MBE w IF PAN (Kossut).
W badaniach magnetycznych – początkowo półprzewodników półmagnetycznych, a następnie nadprzewodników wysokotemperaturowych, wykorzystywano również precesję spinu mionów (Andrzej Golnik). Część doświadczalną prac wykonywano w „fabryce” mionów w Villigen w Szwajcarii.
Poniżej przedstawiono kilka ważnych wyników badań z ostatnich lat.
W grupie profesora Twardowskiego i profesor Kamińskiej zbadano własności optyczne i magnetyczne nowego systemu półmagnetycznego, azotku galu z manganem. Wyniki211 wzbudziły znaczne zainteresowanie.
Dr hab. Jerzy Łusakowski współpracuje z grupą profesora Wojciecha Knapa z Montpellier nad rozwojem metod generacji i detekcji promieniowania terahercowego za pomocą nanostruktur półprzewodnikowych. Praca212 tego zespołu zebrała już ponad 150 cytowań.
W grupie profesora Andrzeja Wysmołka są badane widma ramanowskie i charakterystyki grafenu osadzanego na kryształach węgliku krzemu metodą opracowaną w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych. Artykuł213 przedstawiający te wyniki uzyskał wiele cytowań.
W wyniku uruchomienia technologii epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) było możliwe wytworzenie przez grupę kierowaną przez dr. Wojciecha Pacuskiego kropek kwantowych z pojedynczymi jonami kobaltu i wykazanie, że otwiera to nowe perspektywy użycia spinu innych pojedynczych jonów do zapisu informacji kwantowej. Ten wynik został opublikowany w prestiżowym „Nature Communications” (2014).
* * *
Przejdźmy teraz do prac prowadzonych obok głównego nurtu badań półprzewodników.
Już w 1965 roku utworzono nową Katedrę Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego. Jej organizatorem i pierwszym kierownikiem został profesor Bronisław Buras214, który kierował także jednym z Zakładów w Instytucie Badań Jądrowych.
Buras studiował fizykę na UW, ale wybuch wojny nie pozwolił mu uzyskać stopnia magistra. Stopień ten uzyskał we Lwowie, kiedy uciekając przez Niemcami znalazł się na ukraińskim już Uniwersytecie im. Iwana Franki. Był nauczycielem w szkole w Brodach, potem pracował w fabryce kompresorów w Warszawie. Po wojnie zgłosił się na Hożą i został jednym z pierwszych asystentów Pieńkowskiego, pomagając przy odbudowie fizyki uniwersyteckiej. Prowadził również wykłady na Politechnice Warszawskiej i kierował Katedrą Fizyki w SGGW. W 1954 roku został docentem, a w roku 1963 – profesorem nadzwyczajnym UW. Był świetnym wykładowcą, a także współautorem (głównie z Janem Ehrenfeuchtem) podręczników fizyki dla szkół (kilkadziesiąt wydań w latach 1950–1970).
Tematyka prac Burasa i współpracowników obejmowała badania fazy skondensowanej materii metodą rozpraszania neutronów termicznych oraz zjawiska Mossbauera215. Zajmowano się również badaniami uszkodzeń radiacyjnych w kryształach. Wykorzystywano do badań kanały poziome reaktora „Ewa” w Świerku.
22. Bronisław Buras
Dzięki zastosowaniu nowej, unikatowej metody czasu przelotu neutronów (Time-of-flight, TOF) można było prowadzić badania strukturalne z ekstremalną zdolnością rozdzielczą. Metodę TOF zaproponował Buras i w latach 60. opracował216 wraz z Izabelą Sosnowską z Katedry oraz grupą pracowników IBJ, ZIBJ i Ośrodka Badań Jądrowych w Riso w Danii. Dzięki zastosowaniu tej nowej metody można było prowadzić badania strukturalne z ekstremalną zdolnością rozdzielczą. Metodę tę, pozwalającą wykorzystywać neutrony o długościach fal do 1 nm, stosuje się obecnie w badaniach strukturalnych przy wszystkich źródłach spallacyjnych neutronów w renomowanych światowych ośrodkach badawczych.
W 1968 roku, podczas nagonki antysemickiej brutalnie usunięto Burasa z pracy w IBJ, z dnia na dzień uniemożliwiając mu i jego zespołowi z UW dostęp do aparatury zainstalowanej przy reaktorze. Nadal mógł być pracownikiem Uniwersytetu Warszawskiego, ale po roku, wobec braku możliwości kontynuacji badań, zdecydował się na emigrację do Danii. Zakład Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego, składający się wtedy z samych asystentów i adiunktów, miał więc najpierw kuratora. Dopiero w 1971 roku kierownictwo Zakładu objęła Izabela Sosnowska. Dzięki staraniom profesora Pniewskiego pracownicy Zakładu uzyskali ponownie dostęp do kanału reaktora „Ewa” w Świerku. Przy kanale tym zbudowano nowoczesny spektrometr neutronów termicznych TKSN-420 (własność UW); był on wyposażony w specjalny piec, kriostat helowy i magnes. Prowadzono tam badania relacji dyspersji fononów w materiale półprzewodnikowym HgTe, a także badania struktury materiałów z wykorzystaniem analizy energii neutronów.
Metodę kwazi-elastycznego rozpraszania neutronów zastosowała Sosnowska (wraz z Gustawem Kistnerem i Robertem Rubinem z Centrum Euratomu w Ispra, Varese, Włochy) do badania procesu dyfuzji. Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie217. Wykryto zjawisko anizotropii dyfuzji wodoru w niobie oraz rozwinięto (Ryszard Kutner, Izabela Sosnowska) mikroskopowy model tego zjawiska.
Od 1966 roku w Katedrze Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego istniała Pracownia Efektu Mössbauera (Michał Kopcewicz, Andrzej Kotlicki i in.). Po zakupie w 1973 roku spektrometru firmy Nokia i kriostatu helowego (Oxford Instruments) można było tam rozwinąć badania efektów radiacyjnych wywołanych naświetlaniem związków żelaza wiązką protonów. Badano uszkodzenia radiacyjne oraz rozkład chemiczny substancji przy naświetlaniu protonami o energii 1–2 MeV. Ponadto, we współpracy z Instytutem Geofizyki PAN, rozpoczęto badania właściwości aerozoli atmosferycznych. Wyznaczono sezonowe zmiany koncentracji żelaza, określono postać chemiczną żelaza zawartego w powietrzu oraz wyznaczono wielkość cząstek zawierających żelazo. Można było na tej podstawie wysunąć hipotezy na temat pochodzenia żelaza w atmosferze. Prace te stanowiły unikatowe zastosowanie efektu Mössbauera w fizyce atmosfery.
W 1973 roku rozpoczęto badania wpływu pól magnetycznych wysokiej częstości na właściwości magnetyczne substancji. Dzięki wykorzystaniu zjawisk wywołanych przez pole magnetyczne wysokiej częstości, można było określać lokalne uporządkowanie atomowe w wielu strukturach amorficznych oraz badać ich właściwości magnetyczne.
W 1981 roku nastąpiły zmiany organizacyjne. Zakład Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego został przekształcony w Pracownię Struktury i Dynamiki Sieci Krystalicznej kierowaną przez Izabelę Sosnowską. Część pracowników z Pracowni Neutronografii przeszła do Zakładu Rentgenowskich Badań Strukturalnych, który przekształcono w Zakład Badań Strukturalnych. Pracownię Efektu Mössbauera włączono do Zakładu Fizyki Ciała Stałego IFD UW. Do tego Zakładu przeszedł także Wacław Nazarewicz, który zajmował się badaniem drgań własnych domieszek w sieci krystalicznej półprzewodników metodą spektroskopii w dalekiej podczerwieni. Nazarewicz własnymi siłami zbudował próżniowy spektrometr dalekiej podczerwieni o bardzo dobrych parametrach i nowoczesnych rozwiązaniach technicznych. Później starał się rozszerzyć tę tematykę przez zastosowanie techniki Ramana. W Zakładzie został zbudowany dwusiatkowy spektrometr ramanowski, jednakże okres największego rozkwitu tej tematyki przypadł na połowę lat 70.
Na początku lat 60. Izabela Sosnowska zainicjowała badania struktury magnetycznej związków tlenowych BiFeO3 typu multiferroików. W tej dziedzinie najważniejszym osiągnięciem było odkrycie przez Sosnowską, wraz z zespołem w Garching (Niemcy), spiralnego uporządkowania momentów magnetycznych o wyjątkowo dużej długości spirali (62 nm) w żelazianie bizmutu (BiFeO3). Artykuł218 opisujący wyniki prac tego zespołu wzbudził znaczne zainteresowanie – ma ponad 750 cytowań, z czego w ostatnich czterech latach ponad 80 cytowań rocznie. Z innych wyników trzeba wymienić zbadanie wpływu jonów manganu na strukturę krystaliczną i magnetyczną BiFeO3 (współpraca z Wolfgangiem Schäferem z Uniwersytetu w Bonn i Winfriedem Kockelmannem z Rutherford Appleton Laboratory).
W końcu lat 90. Radosław Przeniosło zaproponował równoległe badania struktury krystalicznej i magnetycznej związków tlenowych manganu prowadzone dwiema technikami: metodą dyfrakcji promieniowania synchrotronowego oraz metodą dyfrakcji neutronów. Badania te zostały podjęte we współpracy z European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) w Grenoble oraz z Institut Laue Langevin (ILL) w Grenoble. Ważnym nowym wynikiem uzyskanym wraz z Izabelą Sosnowską i Wojciechem Sławińskim było opisanie219 modulacji położeń atomów oraz modulacji kierunków momentów magnetycznych w multiferroiku CaMn7O12.
Innym kierunkiem były badania dyfuzji atomów (jonów) w sieci metodą symulacji Monte Carlo właściwości bozonowego gazu sieciowego. Zaproponowano oryginalny, efektywny algorytm, który dodatkowo umożliwił wizualizację zjawiska kondensacji Bosego-Einsteina. Prace nad modelowaniem procesów transportu prowadzono wspólnie z grupami z Jülich i Uniwersytetu w Konstancji. Na uwagę zasługują także badania zdarzeń ekstremalnych i ich roli w procesach stochastycznych. Opracowano algorytmizację tych procesów, które znajdują dziś zastosowania w różnych działach tradycyjnie rozumianej fizyki, a także w ekonofizyce i socjofizyce. Wspomniane badania stanowiły merytoryczną podstawę utworzenia w roku 2006 nowej specjalności ekonofizycznej na Wydziale Fizyki UW. Jej opiekunem został Ryszard Kutner.
Badano także strukturę krystaliczną materiałów pochodzenia syntetycznego, geologicznego oraz biogenicznego, zbudowanych z dwóch odmian CaCO3 – aragonitu i kalcytu (szkielety koralowców współczesnych i kopalnych). W tych interdyscyplinarnych badaniach udział brali także Jarosław Stolarski (Instytut Paleobiologii PAN), Maciej Mazur (Wydział Chemii UW) oraz Anders Meibom (Musée Nationale d’Histoire Naturelle, Paryż). W badaniach wykorzystano metodę dyfrakcji promieniowania synchrotronowego ze źródła w Grenoble. Wykazano, że wtrącenia organiczne w biogenicznym CaCO3 istotnie wpływają na charakter rozszerzalności termicznej materiału oraz na przebieg przejścia fazowego aragonit-kalcyt w temperaturze ok. 450°C. Tę samą metodę zastosowano do badań struktury krystalicznej szkieletów koralowców kopalnych z epoki kredy (70 mln lat temu). Badany szkielet był zbudowany z kalcytu, a nie z aragonitu (dwie różne fazy CaCO3), jak to się obserwuje u wszystkich znanych współczesnych koralowców sześciopromiennych. Stanowi to istotny fakt w paleobiologii. Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Science”220.
W roku 2009 Zakład Struktury i Dynamiki Sieci oraz Zakład Badań Strukturalnych weszły w skład nowo powstałego Zakładu Struktury Materii Skondensowanej, którego kierownikiem został profesor Radosław Przeniosło.
* * *
Innym zespołem wyodrębnionym w Katedrze Fizyki Ciała Stałego była grupa współpracowników Juliana Auleytnera221. W końcu lat 50. rozpoczął on badania niedoskonałości sieci krystalicznej monokryształów, opracowując oryginalną metodę oscylującego kryształu z oscylującą kliszą. Nieco później rozpoczęto także badania defektów sieci krystalicznej metodą Langa – topografii transmisyjnej. Zbudowano pierwszą w Polsce kamerę dyfrakcyjną do zdjęć topograficznych typu Langa (Maria Lefeld-Sosnowska).
Rozwój technologii hodowli monokryształów pozwolił uzyskiwać kryształy krzemu (Si) o dużym stopniu doskonałości. Dzięki temu można było rozwijać badania zjawisk dyfrakcyjnych w idealnych monokryształach, przewidywanych przez dynamiczną teorię dyfrakcji promieni X. Badane były zjawiska anomalnej absorpcji oraz krzywe odbić i transmisji dla Si w przypadku Lauego (Lefeld-Sosnowska) i w przypadku Bragga (Elżbieta Zielińska-Rohozińska) oraz zjawisko interferencji pól falowych. Dużym osiągnięciem było zaobserwowanie periodycznych oscylacji w krzywych odbić i transmisji wywołanych zjawiskiem oddziaływania fal przechodzącej lub ugiętej, należących do dwóch pól falowych wzbudzanych w monokrysztale Si (zjawisko Pendellösung). Dokonano tego we współpracy z Laboratorium Mineralogii i Krystalografii Uniwersytetu Marii i Piotra Curie (Paris VI) (Maria Lefeld-Sosnowska i Cécile Malgrange).
Rozwój procesów technologicznych stosowanych w produkcji półprzewodnikowych materiałów elektronicznych spowodował wzrost zainteresowania badaniami defektów sieci krystalicznej i deformacji dalekozasięgowej kryształów, tworzących się w tych procesach. Badania prowadzone w latach 1972–1975 dotyczyły defektów tworzących się w monokryształach krzemu po pokryciu go warstwą tlenku.
Istotnym osiągnięciem była obserwacja (metodą topografii translacyjnej transmisyjnej) układu pętli dyslokacyjnych tworzących się wokół wydzieleń w procesie utleniania monokryształu krzemu przez działanie mechanizmu Franka-Reada oraz obserwacja kontrastu dyfrakcyjnego w fali płaskiej (w przypadku odbić Bragga) dla tego układu dyslokacji, odzwierciedlającego rozkład naprężeń pochodzących od tych defektów (Lefeld-Sosnowska, Rohozińska i Jerzy Gronkowski).
W 1974 roku Pracownia Rentgenowska została wydzielona z Zakładu Fizyki Ciała Stałego i przekształcona w samodzielny Zakład Rentgenowskich Badań Strukturalnych, którego kierownikiem została Lefeld-Sosnowska. Auleytner przeniósł się do IF PAN.
Wkrótce zbudowano kilka dyfrakcyjnych kamer topograficznych: do topografii translacyjnej i do topografii przekrojowej. Wykorzystując doświadczenie pracowników Zakładu, skonstruowano model uniwersalnej kamery dyfrakcyjnej typu Langa do zdjęć transmisyjnych i odbiciowych.
* * *
W końcu lat 80. na warszawską fizykę ciała stałego spadły ciosy. W 1986 roku w pełni sił twórczych zmarł Jerzy Mycielski, a rok później – Leonard Sosnowski.
Mycielski był jednym z głównych twórców fizyki półprzewodników i wychowawcą młodego pokolenia teoretyków w Polsce. Zajmował się głównie teorią procesów elektronowych w półprzewodnikach półmagnetycznych, teorią stanów zlokalizowanych i ich zależności od pola magnetycznego oraz ich wpływu na właściwości optyczne i transportowe. Cechą charakterystyczną jego działalności naukowej było utrzymywanie ścisłego związku z doświadczeniem. Zagadnienia formalne traktował jako drogę do uzyskania wyników, które można było sprawdzać w eksperymentach. Nie stronił też od badań bardziej abstrakcyjnych, czego dowodem jest np. bardzo ceniona i często cytowana praca222 o nieliniowej mechanice falowej. Cieszył się wielkim autorytetem w Polsce i zagranicą. Był dziekanem Wydziału Fizyki w latach 1984–1986. Warto dodać, że miał w swym dorobku również kilkadziesiąt bardzo cenionych prac z ekonomii matematycznej.
Kierownictwo Zakładu Teorii Ciała Stałego objął po nim Jan Blinowski223, który kontynuował politykę współpracy z eksperymentatorami. Z jego osiągnięć warto przytoczyć istotne wyniki dotyczące struktur typu grafenu. Na przykład artykuł224 współautorstwa Blinowskiego, w którym zaproponowano dwuwymiarowy model struktury pasmowej związków grafitu, zyskuje na popularności w związku z rosnącym zainteresowaniem grafenem. Po śmierci Blinowskiego kierownikiem Zakładu został Witold Bardyszewski.
Śmierć profesora Sosnowskiego była wielkim wstrząsem nie tylko dla fizyki ciała stałego, lecz dla całego środowiska fizyki w Polsce. Do wszystkich wymienionych już jego zasług trzeba jeszcze dodać, że wyrazem jego ogromnego autorytetu w świecie było powierzenie mu funkcji wiceprezydenta (1972–1978) i prezydenta (1978–1981) Międzynarodowej Unii Fizyki Czystej i Stosowanej (IUPAP). Był członkiem Polskiej Akademii Nauk i jej wiceprezesem (1981–1983). Na UW będzie pamiętany jako mądry dziekan, który przeprowadził Wydział Fizyki przez koszmar wydarzeń 1968 roku.
Kierownictwo Zakładu Fizyki Ciała Stałego po Sosnowskim sprawowali profesorowie Jacek Baranowski (1981–1984), Marian Grynberg (1984–2003), Michał Baj (2003–2006), Roman Stępniewski (2006–2009), Michał Nawrocki (2009–2013). Od początku 2014 roku kierownikiem jest profesor Andrzej Golnik.
* * *
W czerwcu 2004 roku w teorii materii skondensowanej zaszły znaczne zmiany organizacyjne. W wyniku połączenia Zakładu Teorii Ciała Stałego oraz Zakładu Teorii Pola i Fizyki Statystycznej powstała Katedra Fizyki Materii Skondensowanej. Połączenie to było umotywowane zbieżnymi zainteresowaniami obu grup i komplementarnością stosowanych metod badawczych. Jako przykład ważnego wyniku uzyskanego jeszcze w Zakładzie Teorii Pola i Fizyki Statystycznej przytoczmy tu unikatowy model oddziaływania hydrodynamicznego w zawiesinach225, który opracował profesor Bogdan Cichocki wraz ze współpracownikami.
Kierownikiem Katedry Fizyki Materii Skondensowanej jest obecnie profesor Witold Bardyszewski. Badania prowadzone w Katedrze dotyczą zarówno klasycznej, jak i kwantowej fizyki materii skondensowanej226. Można wyróżnić cztery grupy tematyczne:
1. Materia miękka, procesy nierównowagowe: zawiesiny, polimery, materia biologiczna (białka, membrany, kanały jonowe), procesy zwilżania, materia ziarnista, samoorganizacja, procesy niestabilnego wzrostu, teoria kinetyczna, ruchy Browna i procesy stochastyczne.
2. Teoria przemian fazowych: zjawiska krytyczne, metody grupy renormalizacji.
3. Mechanika kwantowa wielu ciał: silnie skorelowane elektrony, struktura elektronowa ciał stałych, nadprzewodnictwo, nadpłynność, kondensaty Bosego-Einsteina, magnetyzm, efekty wywołane nieporządkiem, lokalizacja Andersona.
4. Teoria i modelowanie nanostruktur: teoria transportu kwantowego w nanostrukturach, obliczenia ab initio nanostruktur, nanospintronika, ferromagnetyzm w nanostrukturach.
W Katedrze są badane układy o obniżonej wymiarowości, jak kropki kwantowe, studnie kwantowe, druty kwantowe czy grafen. W takich strukturach obniżenie wymiarowości prowadzi do pojawienia się kwazicząstek nowego typu, które mogą przesądzać o nowych możliwościach zastosowań. Przykłady to: badania nad tranzystorem na grafenie i wieloskalowe modelowanie nanorurek węglowych funkcjonalizowanych molekułami. W przypadku nanospintroniki są badane możliwości tworzenia struktur pozwalających na wykorzystanie spinu elektronów do przetwarzania sygnałów elektrycznych lub optycznych, co może mieć znaczenie dla rozwoju informatyki kwantowej. Nanotechnologia jest jednym z najszybciej rozwijających się obszarów zastosowań fizyki materii skondensowanej w ostatnich latach.
Z ciekawych wyników uzyskanych w Katedrze w ostatnich latach warto wymienić pracę227, w której dzięki zastosowaniu metody obliczeń typu ab initio w zakresie teorii funkcjonału gęstości udało się rozwikłać nurtujący problem anizotropii magnetycznej w stopach GaMnAs. Obliczenia te przeprowadzili Magdalena Birowska, Cezary Śliwa, Jacek Majewski i Tomasz Dietl.
Piotr Szymczak i Anthony J.C. Ladd opracowali interesujący model matematyczny, wykazując, że korytarze krasowe mogą powstawać o wiele szybciej, niż zakładały to poprzednie modele. Ten wynik ma znaczenie nie tylko w konstruowaniu modeli speleogenezy, ale też w określaniu bezpieczeństwa podziemnych rezerwuarów substancji toksycznych lub stabilności struktur hydraulicznych. Omawiany artykuł228 wywołał tak duże zainteresowanie, że znalazł się w wyborze Editor’s Choice czasopisma „Science” w styczniu 2011 roku (N.S. Wigginton, Caves in 2D, „Science” 331, s. 265 (2011)). Napisała o nim również Aleksandra Witze w artykule Dissolving a Puzzle, który ukazał się w „Science News” 179 (1), 8 (2011).
Po śmierci profesora Andrzeja Sołtana w 1959 roku najbardziej doświadczonym fizykiem jądrowym w UW był Zdzisław Wilhelmi (1921–2013). Był on absolwentem Politechniki Łódzkiej (1948), w której wykonał pracę dyplomową pod kierunkiem Sołtana, wówczas kierownika Katedry Fizyki Technicznej na tamtejszym Wydziale Elektrycznym. Pod jego wpływem przeniósł się do Warszawy i został zatrudniony w Katedrze Atomistyki; jednocześnie ukończył studia fizyki na UW (1952). Przy dokonanym wtedy podziale Katedry Atomistyki na dwie części Wilhelmi objął kierownictwo Katedry Fizyki Jądra Atomowego, a Katedrę Fizyki Cząstek Elementarnych – Jerzy Pniewski.
23. Zdzisław Wilhelmi
Wilhelmi stał się wychowawcą wielu pokoleń fizyków jądrowych. Miał również duże zasługi dla Polskiego Towarzystwa Fizycznego, którego był prezesem w latach 1974–1981, a od 1985 roku – członkiem honorowym.
W swym eseju opracowanym na 75-lecie fizyki na Hożej Wilhelmi podkreślił, że przez całe dziesięciolecia okresu powojennego niemal jedyną drogą do uzyskania urządzeń potrzebnych do pracy badawczej w fizyce jądrowej była ich budowa własnymi siłami. W iście spartańskich warunkach budowano pierwszą w Polsce aparaturę jądrową: przeliczniki, zasilacze, wzmacniacze impulsów (Tadeusz Domański), komory jonizacyjne (Andrzej Sołtan) i źródła neutronowe (Marian Danysz i Zdzisław Wilhelmi).
Były również zakupy. Wspomniano już, że w 1950 roku został uruchomiony w Hali Atomowej na Hożej zakupiony w Szwajcarii akcelerator kaskadowy umożliwiający przyspieszanie cząstek różnicą potencjałów 1 miliona woltów. Można było wtedy rozpocząć badania eksperymentalne nad modelem statystycznym jądra. Polegały one na pomiarach przekrojów czynnych na reakcje typu (n, p) i ich konfrontacji z przewidywaniami teorii statystycznej.
Trochę później, w 1961 roku, został uruchomiony „Lech” – akcelerator elektrostatyczny typu Van de Graaffa na 5 miliony woltów. Zbudowano go własnymi siłami, mimo bardzo szczupłych kadr i mizernych środków finansowych. Akcelerator był wykorzystywany przez fizyków z Katedry Fizyki Jądra Atomowego oraz Zakładu IA Instytutu Badań Jądrowych. Dzięki niemu ośrodek warszawski wybił się na jedno z czołowych w Europie miejsc w fizyce neutronów prędkich.
Osiągnięciem technicznym Katedry Fizyki Jądra Atomowego był unikatowy przyrząd – bezżelazowy toroidalny spektrometr beta o wielkiej świetlności i niezłej zdolności rozdzielczej. Został on zbudowany z inicjatywy Sławomira Chojnackiego. W 1968 roku ustawiono go przy cyklotronie ciężkich jonów U-300 w Dubnej. Był to jeden z pierwszych w świecie spektrometrów elektronów pracujących na wiązce akceleratora ciężkich jonów230.
24. Sławomir Chojnacki
Z użyciem tego spektrometru można było wykonać m.in. pionierskie badania231 struktur neutrono-deficytowych izotopów z tzw. nowego obszaru deformacji (tj. izotopów o liczbie protonów i neutronów 50 < Z, N < 82) (Chrystian Droste, Sławomir Chojnacki, Tomasz Morek, Zdzisław Wilhelmi); badano również strukturę izotopów polonu (Morek i in.). W jądrach z tego obszaru ujawniają się tzw. deformacje gamma, to jest odstępstwa od kształtu osiowo-symetrycznego.
W Katedrze Fizyki Jądra Atomowego zbudowano także magnetyczny separator izotopów UWIS (Sławomir Chojnacki, Andrzej Wojtasiewicz i in., 1972). Służył on fizykom różnych specjalności do produkcji tarcz jądrowych i do implantacji jonowej.
W pierwszym okresie badano reakcje jądrowe wywołane przez neutrony, ponieważ nie było w Warszawie akceleratorów cząstek naładowanych o energii większej od 2–3 MeV, natomiast można było za pomocą posiadanych urządzeń wytwarzać wiązki neutronów prędkich o regulowanej energii; był też w IBJ w Świerku reaktor – wydajne i wygodne źródło neutronów o małej energii. Uzyskano bardzo wiele danych na temat zależności od energii przekrojów reakcji (n, p), (n, γ), (n, 2n) i (n, α) i o widmach energii ich produktów. Badania pozwoliły wyjaśnić rolę tzw. stosunków izomerycznych (to jest stosunków przekrojów reakcji wiodących do różnych stanów jądra końcowego) jako narzędzia badania mechanizmu reakcji neutronowych, ujawniły duży udział oddziaływań bezpośrednich w badanych reakcjach (n, p) i (n, α), wykazały ważność konkurencji gamma-neutron w przebiegu reakcji (n, 2n) i przyczyniły się do rozwoju teorii statystycznej reakcji jądrowych przez stworzenie i eksperymentalną weryfikację nowego modelu gęstości poziomów jądrowych – tzw. bezparametrycznego modelu nadprzewodnikowego. W badaniach tych wykazano również, że reakcje (n, α) mogą służyć do badania warstw powierzchniowych jąder atomowych232.
Prowadzono także badania mechanizmu reakcji wywołanych przez protony i deuterony przy niskich energiach. Głównym wynikiem badań reakcji deuteronowych było wyznaczenie, na podstawie rozkładów kątowych oraz bezwzględnych przekrojów czynnych, podkulombowskiego strippingu (d, p), tzw. średnich promieni kwadratowych orbit neutronowych szeregu jąder średnio ciężkich (Andrzej Saganek, Marek Siemiński, Edmund Wesołowski, Zdzisław Wilhelmi).
* * *
Zgodnie ze światowym trendem do wykorzystania energii jądrowej, polskie władze traktowały priorytetowo fizykę, a zwłaszcza badania jądrowe. Po utworzeniu w czerwcu 1955 roku Instytutu Badań Jądrowych PAN, ogłoszono, że Instytut ten „otrzyma dostarczony przez Związek Radziecki stos atomowy i duży cyklotron. Stos atomowy będzie zbudowany w okolicy Warszawy, a cyklotron zostanie zainstalowany w Zakładzie Fizyki Jądra Atomowego w Krakowie”233. Okazało się wkrótce, że za ten przymusowy dar od wielkiego sąsiada Polska musi jednak słono zapłacić. Dla rozwoju fizyki jądrowej, zwłaszcza wysokich energii, wspomniane urządzenia nie wystarczały. Reaktor badawczy, który uzyskał ośrodek warszawski, był wtedy zapewne przyrządem bardziej prestiżowym, ale mniej przydatnym do badań podstawowych w fizyce jądrowej niż cyklotron U-120 zainstalowany w Krakowie.
Warszawscy fizycy jądrowi widzieli wyraźnie potrzebę korzystania z dużego, jak na polską skalę, akceleratora. Kiedy stało się oczywiste, że w istniejących uwarunkowaniach finansowych i politycznych zakup takiego urządzenia na Zachodzie nie ma żadnych szans, zwrócono się w stronę ośrodków w ZSRR. Na początku lat 70. był to zresztą wybór realistyczny nie tylko ze względów pozamerytorycznych, ale również dlatego, że działające wtedy w ZIBJ w Dubnej cyklotrony ciężkich jonów miały zdecydowanie najlepsze na świecie natężenia wiązek przy stosunkowo prostych rozwiązaniach technicznych. Fizyka ciężkich jonów, bardzo obiecująca i nowa dziedzina fizyki jądrowej, stawiała dopiero swe pierwsze kroki, a ośrodek w Dubnej był jednym z wiodących na świecie.
Z inicjatywą budowy w Warszawie podobnego cyklotronu wystąpił Sławomir Chojnacki234, w latach 1970–1975 wicedyrektor Laboratorium Reakcji Jądrowych w ZIBJ, później zastępca dyrektora IFD UW do spraw cyklotronu. Ówczesny dyrektor IFD UW, Jerzy Pniewski, poparł gorąco ideę zainstalowania w Warszawie izochronicznego, dwumetrowego (średnica nabiegunników) cyklotronu ciężkich jonów, którego pierwowzór pracował od kilku lat w Dubnej. Idea ta została jednoznacznie poparta podczas sympozjum zorganizowanego w Jabłonnie (1972) przy współudziale wielu wybitnych polskich i zagranicznych fizyków niskich i wysokich energii235.
Już w 1971 roku polskie władze podjęły decyzję o rozpoczęciu inwestycji budowy akceleratora ciężkich jonów opartej na dostawach z ZIBJ. W Dubnej rozpoczęła się budowa cyklotronu dla Warszawy, z wykorzystaniem istniejącego tam rdzenia elektromagnesu. Budowę tę, przy współpracy ze specjalistami dubieńskimi, prowadzili głównie pracownicy polscy z IBJ i IFD UW (gdzie tymczasem powołano małą, kilkuosobową pracownię cyklotronu). Wśród nich byli m.in. Czesław Weychert, Józef Sura i Jerzy Dworski. Wkład grupy polskiej obrazuje np. to, iż opracowanie projektu technicznego warszawskiego cyklotronu stanowiło podstawę pracy habilitacyjnej Józefa Sury, komorę cyklotronu projektował Czesław Weychert, a w Świerku w IBJ zaprojektowano rezonatory cyklotronu. Powołano Radę Programową cyklotronu pod przewodnictwem Zdzisława Szymańskiego. Na początku roku 1974 zawarto ostateczne porozumienie między IFD UW a ZIBJ, dotyczące zbudowania wspólnym wysiłkiem w Warszawie akceleratora typu U-200. Uzgodniono, iż sprawy techniczne wspólnego przedsięwzięcia ze strony polskiej będzie prowadzić Zakład XXV IBJ pod kierunkiem Stanisława Kulińskiego, współpracujący z IFD UW na mocy zawartej umowy.
W roku 1976 elektromagnes cyklotronu, komora próżniowa, magnes rozdzielający i prototyp źródła jonów zostały przewiezione z Dubnej do Warszawy. Niestety nie było wtedy nawet prowizorycznego pomieszczenia do ich złożenia. Dopiero w roku 1978 ministerialne biuro inwestycyjne (Bepron), będące od 1975 roku tzw. inwestorem zastępczym (za UW), przekazało specjalnie w tym celu zbudowaną halę blaszaną, w której można było złożyć i prowizorycznie montować części cyklotronu (o uruchomieniu tam cyklotronu nie mogło oczywiście być mowy)236.
W roku 1978 zastępcą dyrektora IFD do spraw cyklotronu został Tomasz Hofmokl. Doprowadził on w czasie swej kadencji do utworzenia Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów (ŚLCJ), którego został pierwszym dyrektorem. Utworzenie ŚLCJ przy Uniwersytecie Warszawskim nastąpiło 11 VI 1979 roku w wyniku porozumienia między trzema agendami rządowymi: Ministerstwem Edukacji Narodowej, Państwową Agencją Atomistyki i Polską Akademią Nauk. Porozumienie to dało podstawy prawne do utworzenia na Uniwersytecie Warszawskim nowej, międzywydziałowej jednostki organizacyjnej, której statutowymi zadaniami było m.in. uruchomienie, a potem eksploatacja warszawskiego cyklotronu dla użytkowników zewnętrznych, prowadzenie własnych badań w zakresie fizyki ciężkich jonów, kształcenie kadry na poziomie prac magisterskich, doktorskich i habilitacyjnych. Jednostka taka nie mogłaby oczywiście powstać bez inspirującej roli Wydziału Fizyki UW i ścisłej z nim współpracy. Powołano Środowiskową Radę Laboratorium, której pierwszym przewodniczącym został Wilhelmi. Prace budowlane rozpoczęły się w roku 1979 od wmurowania kamienia węgielnego budynku. Stosunkowo prędko zakończono grubą płytę fundamentową i ściany boczne piwnic. Potem jednak narastający kryzys ekonomiczny i chroniczne braki mocy przerobowych głównego wykonawcy, Betonstalu, praktycznie zatrzymały budowę budynku. Kryzys pociągnął za sobą sukcesywne zatrzymania inwestycji, które jednak Hofmoklowi i jego następcy, Brunonowi Sikorze, udało się „odblokować”.
Początek kadencji Sikory (1983) jako p.o. dyrektora ŚLCJ zbiegł się z pierwszymi latami stanu wojennego i „rewolucją kulturalną” w IBJ. W jej wyniku spadkobierca IBJ – Instytut Problemów Jądrowych przez kilka lat poważnie ograniczał współpracę z Laboratorium. Dopiero cztery lata po rozpoczęciu ustawiania magnesu w jego ostatecznej konfiguracji, 22 XI 1993 roku przeprowadzono pierwszą wiązkę ciężkich jonów (20N++) od źródła jonów do promienia ekstrakcji. Kilka miesięcy później, w marcu 1994 roku, wiązka 14N++ została doprowadzona do stanowiska pomiarowego. W maju tego roku nastąpiła uroczysta inauguracja cyklotronu, której dokonał rektor UW Włodzimierz Siwiński. W latach 1984–1995 dyrektorem ŚLCJ był profesor Jerzy Jastrzębski. W czerwcu 1994 roku funkcję dyrektora Laboratorium objął Jan Kownacki.
Uruchomienie cyklotronu nastąpiło dopiero w 1994 roku, a potem długo jeszcze trwały prace w celu osiągnięcia założonych parametrów wiązek. Bardzo istotny wkład w uruchomienie cyklotronu U-200P, a potem w jego modernizację wniósł Lucjan Zemło237, koordynator budowy maszyny od 1985 roku.
* * *
W związku z inicjatywą budowy w Warszawie laboratorium cyklotronowego profesor Jan Żylicz, pracownik Instytutu Badań Jądrowych w Świerku, został w 1972 roku zaproszony do podjęcia pracy w Uniwersytecie Warszawskim i utworzenia Zakładu Spektroskopii Jądrowej. Nowy Zakład, powołany oficjalnie w 1973 roku, miał przygotować tematykę badań przyszłego laboratorium cyklotronowego oraz szkolić kadrę i budować aparaturę pomiarową, w uzupełnieniu planów i działań innych zespołów polskich, m.in. Zakładu Fizyki Jądra Atomowego IFD. Wśród pierwszych zatrudnionych w Zakładzie fizyków byli Wiktor Kurcewicz i Andrzej Płochocki, którzy wnieśli ważny wkład do tworzenia od podstaw i rozwoju nowego zespołu.
Od 1973 roku istniały zatem w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW dwa zakłady, których pracownicy zajmowali się eksperymentalną fizyką jądra atomowego. Tematyka badań w tych zakładach była różna.
W badaniach prowadzonych w Zakładzie Fizyki Jądra Atomowego dotyczących reakcji wywołanych przez protony wyznaczano tzw. radiacyjną funkcję mocy, to jest zredukowane prawdopodobieństwo emisji fotonów gamma (Zygmunt Szefliński, Grażyna Szeflińska, Zdzisław Wilhelmi). Zebrano pokaźny materiał eksperymentalny w obszarze jąder średnio ciężkich, dotyczący zależności funkcji mocy od energii przejścia. Opracowano nową, oryginalną metodę wyznaczania gęstości poziomów jądrowych na podstawie statystycznej analizy fluktuacji obserwowanych w krzywych wzbudzenia reakcji radiacyjnego wychwytu protonu. Metoda ta znalazła zastosowanie akurat w obszarze energii wzbudzenia, gdzie używanie dotychczasowych metod było trudne lub niemożliwe.
W innych badaniach mierzono i analizowano, posługując się tzw. modelem direct-semidirect, różniczkowe przekroje radiacyjnego wychwytu protonu niskiej energii w jądrach lekkich, takich jak 27Al lub 23Na (Piotr Decowski, Marta Kicińska-Habior i in.). Celem było uzyskanie informacji o mechanizmie reakcji i o strukturze jąder lekkich238. W celu opisu krzywej wzbudzenia radiacyjnego wychwytu protonu zaproponowano nowy model potencjału efektywnego (Jan Toke, Tomasz Matulewicz), umożliwiający spójny opis procesu direct-semidirect oraz rezonansów kształtu. Wykazano, że wirtualne wzbudzenie odległego w energii gigantycznego rezonansu dipolowego (GDR) istotnie wpływa na przebieg reakcji. Prowadzone pomiary i analizy miały także znaczenie przy ocenie szybkości zachodzenia reakcji radiacyjnego wychwytu protonu w gwiazdach239.
Tematyka dipolowych rezonansów gigantycznych, zbudowanych na stanach wzbudzonych, bardzo się rozrosła dzięki współpracy międzynarodowej otwierającej lepsze warunki eksperymentalne. Po raz pierwszy zaobserwowano tzw. niskoenergetyczne izoskalarne drgania dipolowe (Decowski i in.), przewidywane teoretycznie i wytłumaczone jako wynik dipolowych oscylacji warstwy powierzchniowej jądra. Zostały one wykryte w niesprężystym rozpraszaniu cząstek alfa. Badania izowektorowego rezonansu dipolowego opartego na wysokowzbudzonych stanach w jądrach gorących i szybko rotujących prowadziła Marta Kicińska-Habior we współpracy z grupą Kurta Snovera z University of Washington w Seattle. Rezonans taki jest wzbudzany w reakcji fuzji ciężkich jonów i obserwowany na drodze rozpadu z emisją wysokoenergetycznego kwantu gamma. W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano informacje o kształcie jąder gorących i szybko rotujących, ewolucji kształtu jąder przy wzroście całkowitego momentu pędu i temperatury, zmieszaniu izospinowym poziomów jądrowych oraz zaniku efektów powłokowych w jądrach przy wzroście temperatury.
Badania dipolowych rezonansów gigantycznych zbudowanych na wysoko wzbudzonych stanach w gorących i szybko rotujących jądrach produkowanych w ciężkojonowych reakcjach fuzji zostały rozwinięte w Warszawie dzięki budowie układu pomiarowego JANOSIK i uruchomieniu go w SLCJ na wiązkach ciężkich jonów z warszawskiego cyklotronu (Kicińska-Habior). Badano współistnienie statystycznej i dynamicznej (bremsatrahlung) emisji kwantów gamma. Wyznaczono współczynniki zmieszania izospinowego poziomów dla szeregu jąder. Uzyskane wyniki potwierdziły przewidywania teoretyczne, które sugerowały przywrócenie symetrii izospinowej w jądrach przy wysokich energiach wzbudzenia.
W badaniach (z udziałem Teresy Rzący-Urban i Waldemara Urbana) jądrowych stanów superzdeformowanych, w warunkach najszybszych obserwowanych w przyrodzie obrotów obiektów kwantowych, zaobserwowano superdeformację w jądrze gadolinu 146Gd. Po raz pierwszy zostało odkryte przecięcie pasm o różnych konfiguracjach w stanach superzdeformowanych (przypadek jądra 146Gd) oraz podwójne przecięcie takich pasm (przypadek jądra 145Gd). Obserwacje te są ważne dla zrozumienia oddziaływań resztkowych w stosunku do średniego samouzgodnionego pola kwantowego wielu nukleonów. Ważne i pionierskie prace doświadczalne prowadzono na temat powstania deformacji oktupolowej240 w obszarze jąder o liczbach masowych A około 150.
W Zakładzie Spektroskopii Jądrowej jako podstawową tematykę wybrano badania struktury i promieniotwórczości nuklidów bardzo odległych od ścieżki stabilności beta. O tym wyborze decydowały względy poznawcze – możliwość weryfikowania modeli jądrowych w warunkach ekstremalnych i uzyskiwania danych niezbędnych do analizy procesów nukleosyntezy w gwiazdach. Istotne były również przewidywane właściwości cyklotronu – duże natężenia wiązek, mające zasadnicze znaczenie dla wytwarzania egzotycznych nuklidów w reakcjach o bardzo małych przekrojach czynnych. Natomiast duża emitancja i niski współczynnik wypełnienia czasowego wiązki, niekorzystne dla innych badań, odgrywają tu mniejszą rolę. Badania nuklidów dalekich od ścieżki stabilności były przez długi czas głównym, lecz nie jedynym nurtem badań prowadzonych przez fizyków z Zakładu Spektroskopii Jądrowej.
Czas oczekiwania na cyklotron wykorzystano na prowadzenie badań w tych ośrodkach zagranicznych, które miały nowoczesne akceleratory i odpowiednią aparaturę do badania nuklidów dalekich od stabilności, zwłaszcza separatory izotopów i separatory produktów reakcji fragmentacji. Z biegiem czasu nastąpiło pewne rozszerzenie tematyki na badania stanów jądrowych o wysokim spinie i mechanizmu reakcji ciężkojonowych. Współpraca obejmowała instytuty międzynarodowe: ZIBJ i CERN (zespół ISOLDE), ośrodki badań ciężkojonowych: GSI w Darmstadt, GANIL w Caen i LBL w Berkeley, oraz uniwersytety w Bordeaux, Getyndze, Grenoble, Jyvaskyla, Kopenhadze, Leuven, Orsay, Oslo, Strasburgu i Uppsali. Badania prowadzono we współpracy z reprezentantami tych ośrodków, ale inicjatywa naukowa bardzo często była po stronie polskiej, co przejawiało się m.in. w przedstawianiu przez Polaków projektów eksperymentów przed komitetami naukowymi laboratoriów.
W Zakładzie były również rozwijane różnorodne badania radioaktywności, niewymagające akceleratora na miejscu (korzystano z preparatów wyprodukowanych za granicą). Ponadto – we współpracy z Instytutem Badań Jądrowych, potem Instytutem Problemów Jądrowych – prowadzono eksperymenty na wiązce akceleratora liniowego w Świerku (rozszczepienie toru pod wpływem protonów) i akceleratora Van de Graaffa w Warszawie (badania jonizacji powłoki K atomu przez cząstki naładowane).
Prowadzenie doświadczalnych badań w ośrodku warszawskim, mimo trudnych warunków, było konieczne w celu szkolenia studentów i młodych pracowników. Jednak wykonywanie części badań w ośrodkach zagranicznych (ZIBJ, CERN i uniwersytetach w Aarhus, Erlangen, Jyvaskyla, Moguncji) również było ważne, gdyż umożliwiało pełniejszą realizację programu badań.
W Zakładzie Spektroskopii Jądrowej badano przede wszystkim właściwości jąder atomowych leżących bardzo daleko od ścieżki stabilności oraz poszukiwano nowych obszarów jąder magicznych i nowych obszarów egzotycznych deformacji. Fizycy z tego Zakładu zostali współodkrywcami 200 nowych izotopów i kilkudziesięciu izomerów, dla których znaleziono czasy życia i sposoby rozpadu. Liczbę atomową Z i masową A ustalano z zastosowaniem separatora fragmentów. Badania te wnoszą wkład m.in. do ustalenia przebiegu linii oderwania protonu (proton drip line) lub zbliżających się do linii oderwania neutronu, a także analizy procesów nukleosyntezy: dróg wychwytu protonu (proces rp) lub neutronu (proces r) w gwiazdach.
Znaczna część działalności badawczej koncentrowała się wokół 100Sn – tzw. podwójnie magicznego jądra cyny o niedoborze ponad 18 neutronów w stosunku do „środka ciężkości” trwałych izotopów cyny. Badania, prowadzone ze strony polskiej (w różnych okresach i różnych zespołach) przez Zenona Janasa, Wiktora Kurcewicza, Andrzeja Płochockiego, Krzysztofa Rykaczewskiego, Jerzego Szerypo i Jana Żylicza oraz ówczesnych doktorantów – Roberta Grzywacza i Marka Karnego, przyniosły bogate informacje o przemianach jąder z tego obszaru. Był to poważny wkład w badania przejść beta typu Gamowa–Tellera i renormalizacji pseudowektorowej stałej sprzężenia w stosunku do wartości dla swobodnego neutronu.
Wiele nowych i cennych informacji o wysokospinowych stanach jąder bliskich 100Sn wniosły prace „na wiązce”, zainicjowane przez Jana Kownackiego (od 1994 roku dyrektora ŚLCJ). W eksperymencie w GANIL (1994), którego projekt przedstawił komitetowi naukowemu Rykaczewski (1993), udało się zidentyfikować 24 jony 100Sn wśród produktów fragmentacji 112Sn. Parę tygodni wcześniej izotop ten po raz pierwszy został zaobserwowany przez zespół niemiecki w GSI (identyfikacja 9 jonów wśród produktów fragmentacji 124Xe). Obie prace zostały zaliczone przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne do „eksperymentów 1994 roku”241. Przy okazji eksperymentu w GANIL opracowano metodę badania mikrosekundowych izomerów (Grzywacz i in.) o bardzo dużym znaczeniu, m.in. dla wykrywania nowych stanów izomerycznych w jądrach bardzo dalekich od stabilności oraz dla identyfikacji egzotycznych nuklidów242. Przegląd wyników dotyczących przejść Gamowa-Tellera i struktury jąder z obszaru 100 Sn został zawarty w rozprawie habilitacyjnej Rykaczewskiego (1995). Wyniki te analizowali teoretycy z kilkunastu ośrodków (od Aten, Berlina, Chalk River po Tybingę i Warszawę).
Wczesne prace naukowe w Zakładzie Spektroskopii Jądrowej dotyczyły rozpadu alfa i beta aktynowców i były kontynuacją badań prowadzonych w IBJ. Wniosły one istotny wkład do ustalenia obszaru statycznej deformacji oktupolowej jąder. Wyniki tych badań, przedstawione m.in. w referacie Żylicza na konferencji w Dubrowniku (1986)243, przyczyniły się w latach 80. do wzrostu zainteresowania tematyką oktupolową w Polsce (pierwszym badaczem był Adam Sobiczewski) i za granicą. Wielokrotnie je cytowano, a o ich znaczeniu może świadczyć stwierdzenie, że postęp w rozumieniu anomalnych własności jąder lekkich aktynowców stał się możliwy „only after a series of detailed and precise experiments by Kurcewicz and collaborators [dopiero po serii szczególowych i dokładnych eksperymentów wykonanych przez Kurcewicza i współpracowników – przyp. aut.]244. Wśród późniejszych prac były m.in. badania prowadzone metodami spektroskopii gamma „na wiązce”; wykazano w nich stabilizowanie się deformacji oktupolowej w miarę wzrostu częstości obrotu jądra (Anna Celler i in.).
Badania przemiany beta na drodze radiacyjnego wychwytu elektronu (Marek Pfützner, Andrzej Płochocki i in.) przyniosły odkrycie roli wirtualnych przejść okrężnych dla przemian wzbronionych, m.in. 41Ca (doktoraty: Pfützner 1989, Łukasz Kalinowski 1992) oraz interpretację tych przejść w świetle modelu powłokowego (Żylicz i in.). Analogiczne badania dla 55Fe wykazały, wbrew wcześniejszym doniesieniom z Berkeley, że nie ma tu podstaw do twierdzenia o emisji hipotetycznego neutrina o masie 17 keV (Kurcewicz i in.).
Badania jonizacji powłoki K ciężkich atomów przez cząstki naładowane przyniosły opracowanie oryginalnej metody mierzenia przekroju czynnego (Celler, doktorat 1980). We współpracy z zespołem profesora Mariana Jaskóły z IPJ wykonano dokładne pomiary dla szeregu tarcz, a wyniki zostały wykorzystane do weryfikacji teoretycznych modeli procesu jonizacji (Zbigniew Żelazny, doktorat 1985).
Prace poświęcone reakcjom jądrowym dotyczyły badania oddziaływania protonów z jądrami 232Ł (Szerypo, doktorat 1987), wzbudzania izomerów w reakcjach ciężkojonowych (Izabela Zychor, doktorat 1983), gigantycznych rezonansów dipolowych w kontekście fuzji ciężkojonowej (Żelazny) i pierwszej obserwacji kulombowskiego rozszczepienia jąder w reakcjach o energiach pośrednich (Ernest Piasecki i in.).
Wiktor Kurcewicz i Krzysztof Gulda współuczestniczyli w zainicjowanych przez Jerzego Jastrzębskiego (ŚLCJ) badaniach z zastosowaniem wiązki antyprotonów w CERN. Uzyskano w nich nowe, ważne informacje o „stratosferze” neutronowej jąder ciężkich.
Eksperymentatorzy z Zakładu Fizyki Jądra Atomowego stopniowo włączali się w popularny obecnie nurt badań reakcji ciężkojonowych zachodzących przy znacznie wyższych energiach. Tak więc w końcu lat 80. rozpoczęto badania w dużym zespole międzynarodowym FOPI. Celem eksperymentów jest badanie właściwości materii jądrowej w stanach o wysokiej temperaturze i w szerokim zakresie gęstości oraz badanie dynamiki tego typu procesów. Zespół warszawski skonstruował ważną część unikatowego dużego urządzenia spektrometrycznego – detektora FOPI ustawionego na wiązce ciężkich jonów przyspieszanych do energii 1–2 A GeV w akceleratorze SIS w GSI w Darmstadt. Jest to „baryłka plastykowa” złożona z około 200 detektorów plastykowych tworzących walec o długości 2,5 m i średnicy 2,3 m (Brunon Sikora, Tomasz Matulewicz, Zdzisław Wilhelmi, Marek Kirejczyk, Krzysztof Piasecki, Krystyna Siwek-Wilczyńska, Krzysztof Wiśniewski i in.). W eksperymencie brali udział także doktoranci z Warszawy. Zespół warszawski odpowiadał za uruchomienie, kalibrację i ciągłość pracy tego urządzenia i zajmował się interpretacją uzyskanych wyników eksperymentalnych245.
Badania zespołu FOPI dotyczyły takich zjawisk, jak kolektywne pływy nukleonów i mezonów, stopień mieszania, termalizacja kinetyczna i chemiczna, transparentność materii jądrowej oraz wpływ ośrodka na właściwości cząstek wytwarzanych w okolicy progu energetycznego na ich produkcję. Szczególne zainteresowanie budzi tu wytwarzanie cząstek dziwnych, zwłaszcza ze względu na średnią drogę swobodną mezonu K+, ponieważ jest ona wielokrotnie większa niż dla pozostałych cząstek w tym zakresie energii. Przewidywano istotną zmianę masy efektywnej mezonów K+/- w materii oraz zmianę przekroju czynnego na ich produkcję względem procesów elementarnych. To pierwsze zjawisko zyskało pośrednie potwierdzenie246, dzięki analizie stosunku produkcji K-/K+. Zmianę wartości przekroju czynnego zaobserwowano w pomiarach produkcji dziwności wykorzystującej wiązkę ujemnych mezonów π. W dalszych badaniach określono wpływ, jaki produkcja mezonów φ(1020) rozpadających się w połowie przypadków na parę K+K- wywiera na obserwowane widma mezonów K (Piotr Gasik, Krzysztof Piasecki).
Pracownicy Zakładu Fizyki Jądra Atomowego (Adam Turowiecki, Zdzisław Wilhelmi, Józef Złomańczuk i in.) przystąpili także do Współpracy PROMISE-WASA wykorzystującej akcelerator CELSIUS w Uppsali i zajmującej się badaniem mechanizmu procesów rozpraszania proton-proton i proton-deuteron przy energiach bliskich energii progowej na produkcję mezonów π i η i ich rzadkich rozpadów. Fizycy z Hożej skonstruowali tzw. detektor przedni (forward detector) służący do identyfikacji cząstek naładowanych lecących „ku przodowi” i do pomiaru ich energii i kierunku247. Budowa detektora WASA (Wide Angle Shower Apparatus) została zakończona w 1999 roku. Detektor ten obejmuje pełny kąt bryłowy (tzw. geometria 4π) i umożliwia rejestrację cząstek naładowanych i produktów rozpadu neutralnych mezonów i innych cząstek.
Dzięki zastosowaniu elektronowo-chłodzonych wiązek akceleratora CELSIUS i tarcz z zamrożonych kropelek rozdzielonych izotopów wodoru, detektor WASA pozwolił osiągnąć niespotykaną dotąd precyzję pomiarów rozpraszania proton-proton i proton-deuteron. Jednym z tematów badań jest poszukiwanie stanów dibarionowych w reakcjach d(p,n)pp.
W drugiej połowie lat 80. Matulewicz włączył się do badań zderzeń jądro-jądro przy energiach pośrednich – badań prowadzonych poprzez rejestrację emisji wysokoenergetycznych fotonów oraz skalarnych mezonów neutralnych. Uczestniczył w budowie spektrometru wysokoenergetycznych fotonów TAPS, wykonując podstawowe obliczenia symulacyjne oraz testy prototypów na wiązce monoenergetycznych fotonów248. Spektrometr TAPS, złożony z 400 modułów scyntylacyjnych BaF2, zbudowano w ramach europejskiej współpracy o tej nazwie i eksploatowano podczas wielu sesji pomiarowych w GSI Darmstadt, GANIL Caen, KVI Groningen, MAMI Mainz i SPS CERN. Do najciekawszych wyników dotyczących badania emisji wysokoenergetycznych fotonów należy precyzyjny pomiar widma fotonów aż do energii dziesięciokrotnie przewyższającej limit dla oddziaływań elementarnych nukleon-nukleon, a także przewidywania wynikające z uwzględnienia ruchu Fermiego nukleonów w jądrze. Interpretacja tych wyników wymagała uwzględnienia nieznanego wcześniej mechanizmu radiacyjnego wychwytu mezonu π wytworzonego w materii jądrowej podczas początkowej fazy zderzenia249.
Produkcję mezonu η badano w reakcji Ar + Ca przy energii wiązki 180A MeV, czyli energii na nukleon znacznie poniżej progu w oddziaływaniu nukleon-nukleon wynoszącym ponad 1,2 GeV. Stwierdzono znaczne odchylenie od ogólnego prawa skalowania dla podprogowej produkcji mezonów, natomiast zaobserwowano zgodność dla skalowania w masie poprzecznej. Dla neutralnych mezonów π zbadano szczegółowo efekt ich reabsorpcji w materii jądrowej poprzez analizę produkcji tych mezonów dla wielu jąder tarczy. Badając skorelowaną emisję mezonów π0 i protonów, stwierdzono wzbudzenie rezonansu Δ(1232) oraz jego dominującą (około 80%) rolę jako źródła mezonów n w tym zakresie energii zderzeń. W celu ulepszenia jakości otrzymywanych danych opracowano metodę identyfikacji mezonów π0 wykorzystującą dopasowanie kinematyczne pędu mierzonych fotonów250.
Fizycy z Zakładu Fizyki Jądra Atomowego uczestniczą również w badaniach mechanizmu zderzeń jądro-jądro w zakresie niskich i pośrednich energii, tj. do kilkudziesięciu MeV/nukleon. Badania te prowadzi duża międzynarodowa Współpraca o nazwie REVERSE/CHIMERA. Wykorzystywane są wiązki z nadprzewodzącego cyklotronu oraz układy detekcyjne laboratorium LNS INFN w Katanii, zwłaszcza wielodetektorowy (1200 teleskopów Si-CsI) układ CHIMERA obejmujący pełny kąt bryłowy (geometria 4π). Tematy badań to m.in. mechanizm dyssypacji energii w zderzeniach półperyferyjnych, mechanizm fragmentacji gorącego obszaru generowanego w tych zderzeniach oraz skala czasowa procesów fragmentacji szyjki w trakcie reseparacji oraz fragmentacji pierwotnych produktów reakcji. Grupa z Hożej (Krystyna Siwek-Wilczyńska, Izabela Skwira-Chalot oraz doktorant Tomasz Cap) zainicjowała i w dużym stopniu samodzielnie realizuje program badania zderzeń i fragmentacji najcięższych układów, np. 197Au + 197Au przy energii 15 i 23 MeV/nukleon. W badaniach tych wykryto nowy mechanizm bardzo szybkiej, współliniowej fragmentacji układu. Mechanizm ten pozwala zweryfikować alternatywne warianty mikroskopowych modeli dynamiki zderzeń jądro-jądro. W innym projekcie Współpracy REVERSE/CHIMERA grupa ta analizuje efekty izotopowe w procesach fragmentacji w celu oszacowania efektu migracji neutronów do obszaru o obniżonej gęstości. Istnieje możliwość określenia w ten sposób zależności energii symetrii od gęstości w jądrowym równaniu stanu.
W związku z odkryciami w ostatnich latach nowych najcięższych pierwiastków o liczbach atomowych Z w zakresie od 114 do 118, modelowanie reakcji syntezy jąder superciężkich znalazło się w głównym nurcie badań światowych. Fizycy z Hożej (Cap, Siwek-Wilczyńska i Skwira-Chalot) współpracują w tych pracach z LBNL w Berkeley i IPJ w Świerku. W celu ilościowego opisu reakcji syntezy jąder superciężkich zbudowano model Fusion by Diffusion, który pozwala przewidywać przekroje czynne i wybierać optymalne reakcje oraz energie bombardowania w przyszłych eksperymentach.
Drugim (oprócz omawianych wyżej badań reakcji jądrowych) kierunkiem badawczym, konsekwentnie rozwijanym od wielu lat, są badania struktury jąder atomowych. Również i w tej dziedzinie nastąpił niezwykły postęp technologiczny. Dzięki temu było możliwe uzyskanie nowych, bardzo spektakularnych wyników. W ostatnich kilkunastu latach eksperymenty w tej dziedzinie były prowadzone w Warszawie z użyciem wiązek ciężkich jonów na uruchomionym w SLCJ cyklotronie oraz w dwóch europejskich laboratoriach: w Instytucie Laue-Langevin (ILL) w Grenoble oraz w LNL INFN w Legnaro.
Za pomocą wielodetektorowego urządzenia OSIRIS (układ 12 detektorów germanowych) zainstalowanego przy warszawskim cyklotronie badano jądra przejściowe i zdeformowane w celu określenia ich kształtu zarówno w stanie podstawowym, jak i w stanach wzbudzonych. Wykorzystując zjawisko Dopplera, grupa Chrystiana Droste wyspecjalizowała się w pomiarach pikosekundowych czasów życia poziomów jądrowych. Metodą przesunięć dopplerowskich były wyznaczane prawdopodobieństwa przejść elektromagnetycznych w pasmach poziomów wzbudzonych w jądrach o A ≈ 130. Szczególnie wartościowe wyniki uzyskano dla jąder 126Cs i 128Cs: po raz pierwszy na świecie wykazano istnienie spontanicznego łamania symetrii chiralnej w tych jądrach, w zgodzie z sugestiami teoretyków. Wyniki te postawiły zespół z Zakładu Fizyki Jądra Atomowego oraz współpracującą z nimi grupę teoretyków z IFT UW i UMCS (Lublin) w czołówce światowej w tej dziedzinie badań.
Najbardziej spektakularnym osiągnięciem w Zakładzie Spektroskopii Jądrowej w ostatnim okresie było odkrycie promieniotwórczości dwuprotonowej w 2001 roku przez zespół kierowany przez Pfütznera. Jednoczesną emisję dwóch protonów zaobserwowano251 po raz pierwszy w rozpadzie 45Fe. Następnym zaobserwowanym emiterem dwóch protonów było jądro 54Zn. Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu emisji 2p ma pomiar korelacji pomiędzy emitowanymi protonami. Obserwację tej zależności umożliwił detektor OTPC z odczytem optycznym252, który zbudowano we współpracy Zakładu Spektroskopii Jądrowej (Pfützner, Zenon Janas, Krzysztof Miernik) oraz Zakładu Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych (Wojciech Dominik). Detektor ten umożliwia trójwymiarową rekonstrukcję torów emitowanych cząstek oraz pomiar ich energii. Z jego użyciem udało się zaobserwować również rozpad β+ jądra 45Fe z emisją jednego, dwóch oraz trzech protonów opóźnionych. Rejestracja rozpadu beta z emisją trzech protonów była pierwszym w historii przypadkiem obserwacji tego typu procesu.
Badania jąder z dużym nadmiarem neutronów przeprowadzono w laboratorium Uniwersytetu Jyväskylä, używając separatora IGISOL z wykorzystaniem pułapki Penninga. Umożliwiło to nie tylko separowanie izobaryczne, ale również izotopowe, wiązek badanych pierwiastków. Takie połączenie dwóch metod separacji jest jedyne na świecie i daje do badań spektroskopowych niezwykle czyste źródła, wolne od zanieczyszczeń izobarycznych i izotopowych.
Oprócz wymienionego wcześniej wkładu aparaturowego do międzynarodowych projektów FOPI i WASA, fizycy z Zakładu Fizyki Jądra Atomowego wnieśli również duży wkład przy budowie aparatury wykorzystywanej w SLCJ, m.in. do badań krótkożyciowych izotopów neutronowo-deficytowych bardzo ciężkich pierwiastków. Andrzej Wojtasiewicz wraz z pracownikami technicznymi zbudowali stanowisko pomiarowe IGISOL (Ion Guide and Isotope Separator on Line) składające się z separatora izotopów oraz specjalnego źródła jonów (typu ion guide). Separator izotopów z IPJ w Świerku zdemontowano i przeniesiono do ŚLCJ, a następnie zainstalowano i przystosowano do pracy na wiązce z cyklotronu we współpracy ze wspomnianym źródłem jonów (warto wiedzieć, że źródło to było całkowicie zbudowane w IFD). Uzyskano bardzo dobrą masową zdolność rozdzielczą umożliwiającą rozdzielenie izotopów o liczbach masowych powyżej 200, produkowanych w reakcjach fuzji z ciężkimi jonami.
Zainstalowany przy warszawskim cyklotronie układ IGISOL był sukcesywnie ulepszany i modernizowany (zespół kierowany przez Kurcewicza), co dało w rezultacie jedną z lepszych wydajności separacji spośród znanych układów pracujących na wiązkach ciężkich jonów. W pierwszych badaniach spektroskopowych z użyciem tego systemu poszukiwano stanu izomerycznego w 216Fr. Macierzystą aktywność 220Ac wytwarzano w reakcji 14N (5,6 MeV/u) + 209Bi. Stosując cyfrowe układy akwizycji danych, mierzono promieniowanie alfa, rejestrując korelacje alfa-alfa-czas. Zidentyfikowano253 stan izomeryczny 216Fr o energii 219 keV i czasie życia 850 ns. Dane te pozwoliły zinterpretować istniejące w literaturze rezultaty otrzymane z eksperymentów typu in-beam. Okazuje się, że jądro 216Fr jest najlżejszym jądrem w obszarze N = 129 i Z = 87, w którym stwierdzono występowanie korelacji oktupolowych.
W ostatniej serii eksperymentów koncentrowano się na neutronowo nadmiarowych jądrach o liczbach masowych w zakresie 100–120. W badaniach rozpadu 115Rh na 115Pd (Kurpeta, Płochocki i Urban254) ustalono m.in., że spin stanu podstawowego 115Pd wynosi 1/2+. Ta obserwacja wskazuje na przejście od deformacji typu wydłużonego do kształtu spłaszczonego stanów podstawowych izotopów palladu o coraz większej liczbie neutronów. Podobną prawidłowość zaobserwowano w badaniach rozpadu 115Ru. Jednoznaczne wnioski o właściwościach tych jąder wynikają z połączenia rezultatów badań rozpadu beta z użyciem wyżej wspomnianego układu z wynikami badań promieniowania gamma jąder – produktów rozszczepienia (Urban).
Fizycy z Zakładu Jądra Atomowego i Zakładu Spektroskopii Jądrowej uczestniczyli i nadal uczestniczą w rozmaitych pracach aplikacyjnych.
Wiązki ciężkich jonów uzyskiwane w cyklotronie warszawskim służą do badań skutków radiobiologicznych wywołanych przez ciężkie jony w komórkach żywych (Zygmunt Szefliński, Urszula Kaźmier czak). Wyniki badań opóźnionej przeżywalności komórek hodowanych in vitro oraz pomiary współczynników skuteczności biologicznej (WSB) są istotne dla optymalizacji radioterapii z użyciem protonów i ciężkich jonów. Grupa pracowników (Kicińska-Habior, Szefliński) włączyła się do prac w ramach projektu Narodowego Centrum Radioterapii Hadronowej (NCRH). Pierwszy etap tego projektu, Centrum Cyklotronowe Bronowice, był realizowany w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W drugiej fazie tego projektu na terenie przylegającym do Centrum Onkologii w Warszawie powstanie dedykowany kompleks terapeutyczny wyposażony w akcelerator z wiązkami protonów o energii do 250 MeV i jonów węgla o energii do 400 MeV/nukleon.
Fizycy z Hożej brali także udział w pomiarach skażenia promieniotwórczego po awarii reaktora atomowego w Czernobylu na Ukrainie (26 IV 1986 roku). W pierwszym okresie po awarii głównym źródłem niebepieczeństwa dla ludzi był lotny, nietrwały izotop jodu (127J) dostający się do organizmu przez wdychane powietrze i żywność. Fizycy z Zakładu Fizyki Jądra Atomowego wykonywali pomiary promieniowania gamma i wykryli znaczne ilości tego radioizotopu w mleku w proszku, które zostało wyprodukowane w dniach awarii w jednym z zakładów w Polsce. Po interwencji wstrzymano dystrybucję skażonego mleka.
Podczas awarii zostały wyrzucone tzw. gorące cząstki – silnie promieniotwórcze obiekty mikronowych rozmiarów, które można było znaleźć w terenie, posługując się prostymi przyrządami radiometrycznymi. W Polsce, a także w zachodniej Europie – na terenach odległych od miejsca awarii, wykryto dwa rodzaje tych cząstek: cząstki paliwowe (fragmenty rdzenia reaktora) i cząstki rutenowe, zawierające głównie radioizotopy 103Ru i 106Ru, których nie przewidywano w istniejących scenariuszach awarii jądrowej. W Zakładzie Fizyki Jądra Atomowego zgromadzono liczną kolekcję gorących cząstek (około 200 sztuk). W celu ich badania został stworzony komputerowy program do obliczania składu rdzenia reaktora w Czernobylu, INVA (Piotr Jaracz, Eryk Piasecki i in.). Z badań składu izotopowego cząstek paliwowych metodą pomiarów promieniowania gamma i porównania wyników z obliczeniami można było wysnuć wnioski na temat średnich parametrów kampanii reaktora, a także procesów zachodzących w reaktorze przed awarią i podczas niej (dyfuzja, rozdzielanie się izotopów). Wyniki badań opisano w wielu artykułach255.
Innym przykładem prowadzonych w Zakładzie Fizyki Jądra Atomowego badań, które wybiegały poza zakres fizyki jądra atomowego i mogły być zaliczone do prac aplikacyjnych, były badania służące do skrupulatnej i ostatecznej weryfikacji bulwersującego odkrycia intensywnej emisji neutronów, zachodzącej jakoby przy elektrolizie ciężkiej wody, co miało świadczyć o występowaniu „zimnej fuzji” (którą „odkryli” Fleischmann i Pons w 1989 roku). Bardzo dokładne badania prowadzone na Hożej wykazały, że zjawisko takie nie występuje256.
* * *
Kierownikiem Katedry/Zakładu Fizyki Jądra Atomowego był w latach 1960–1991 profesor Zdzisław Wilhelmi (w latach 1971–1973 zastępował go Piotr Decowski), a następnie profesorowie Chrystian Droste (III 1991–II 1997), Krystyna Siwek-Wilczyńska (III 1997–VIII 2010) i Tomasz Matulewicz (do końca 2013). Kierownikiem Zakładu Spektroskopii Jądrowej w latach 1973–1995 był profesor Jan Żylicz, w latach 1995–2009 – dr hab. Andrzej Płochocki, a w latach 2010–2013 – dr hab. Zenon Janas. W dniu 1 I 2014 roku nastąpiło połączenie Zakładu Fizyki Jądra Atomowego z Zakładem Spektroskopii Jądrowej. Nowy zakład przyjął „historyczną” nazwę: Zakład Fizyki Jądra Atomowego, a jego kierownikiem został profesor Marek Pfützner.
* * *
Dla działalności eksperymentatorów istotne znaczenie miały kontakty naukowe z teoretykami z kręgu Zdzisława Szymańskiego. Pierwsze badania teoretyczne w fizyce jądra atomowego prowadził od 1954 roku Janusz Dąbrowski, doktorant Rubinowicza (patrz rozdział 7.1). Do czasu odejścia z UW do IBJ opublikował on kilkadziesiąt prac na temat reakcji jądrowych i energii wiązania jąder, także hiperjąder. Niektóre prace napisał ze współautorami, głównie z Jerzym Sawickim (1931–1968), a także z Grzegorzem Rohozińskim, Adamem Sobiczewskim i Zdzisławem Szymańskim. Dąbrowski odegrał istotną rolę w zainicjowaniu, a następnie rozwoju badań na Hożej w zakresie teorii jądra, stając się wybitnym ekspertem w tej dziedzinie.
Kierownikiem Katedry Teorii Jądra i Reakcji Jądrowych powstałej z podziału Katedry Mechaniki i Optyki był Józef Werle, ale zajmował się on raczej formalną teorią reakcji (patrz rozdział 7.4).
Za twórcę polskiej szkoły teoretycznej fizyki jądrowej uważa się Zdzisława Szymańskiego (1926–1999)257. Ukończył on w 1950 roku Wydział Mechaniczny Politechniki Łódzkiej, ale pod wpływem fascynacji fizyką zaczął nowe studia i w 1953 roku otrzymał magisterium z fizyki na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii UW. W pracy dyplomowej zajmował się elektrodynamiką nieliniową. Decydujący wpływ na jego dalszą karierę miał pobyt w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, gdzie zajął się konsekwencjami kolektywnego modelu jądra atomowego, rozwijanego tam przez Aage Bohra i Bena Mottelsona, późniejszych laureatów Nagrody Nobla z fizyki.
W pionierskich badaniach wykonanych wraz z argentyńskim fizykiem Danielem Bèsem Szymański obliczał deformacje stanu podstawowego jąder atomów pierwiastków ziem rzadkich, z uwzględnieniem ważnych w tym wypadku nadprzewodnikowych korelacji par nukleonów. Okazało się, że uwzględnienie tych korelacji znacząco poprawia opis jąder zdeformowanych. Potem rachunki te zostały rozszerzone na obszar jąder pierwiastków transuranowych.
25. Zdzisław Szymański
Najwybitniejsze osiągnięcia Szymańskiego są wynikiem badań, które wykonał wspólnie ze Svenem Gostą Nilssonem i jego grupą fizyków z Lund. W tej znanej na całym świecie „Współpracy Lund-Warszawa” uzyskano niespodziewane wyniki dotyczące właściwości hipotetycznych wówczas jąder superciężkich. Okazało się, że wiele z tych jąder może mieć dostatecznie długie czasy życia, aby można je było wytwarzać i badać z użyciem akceleratorów. Obliczenia Szymańskiego miały wpływ na podjęcie eksperymentów w celu wytworzenia tych jąder. Obecnie znamy już jądra atomowe pierwiastków superciężkich aż do liczby atomowej 118 (tj. mających 118 protonów w jądrze). Istotną rolę w wykonaniu wspomnianych obliczeń odegrał pierwszy doktorant Szymańskiego, Adam Sobiczewski (obecnie profesor w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Warszawie).
Kolejną dziedziną, w której Szymański uzyskał głośne w świecie wyniki, były badania właściwości jąder o bardzo dużym momencie pędu (tj. bardzo szybkim obrocie). Wydał on bardzo cenioną monografię na ten temat258. Za swe osiągnięcia otrzymał wiele prestiżowych wyróżnień. Był członkiem PAN.
Szymański pracował w Zakładzie Teorii Jądra i Reakcji Jądrowych, ale potem, po wyodrębnieniu się z niego osobnego Zakładu Teorii Struktury Jądra Atomowego objął jego kierownictwo. Zakład był wtedy niewielki: poza kierownikiem był w nim tylko dr hab. Stanisław Rohoziński, adiunkci Jacek Dobaczewski i Tomasz Werner oraz asystent stażysta Wojciech Satuła259. Od marca 1997 roku kierownikiem Zakładu jest profesor Jacek Dobaczewski. Od wielu lat pracownicy Zakładu prowadzą wspólną działalność naukową z grupami teoretycznej fizyki jądrowej w Polsce i w licznych ośrodkach zagranicznych (Oak Ridge (USA), Jyväskylä (Finlandia), Sztokholm (Szwecja), Strasburg i Caen (Francja)).
Wśród najważniejszych osiągnięć naukowych teoretyków z Zakładu Teorii Struktury Jądra Atomowego należy wymienić zbadanie zagadnienia korelacji par w jądrach bliskich linii odpadania neutronu. Opublikowana w 1996 roku praca na ten temat260 zebrała dotychczas ponad 350 cytowań i rozpoczęła cykl prac, w których teoretycy warszawscy badali rozmaite aspekty tego problemu. Jądra o dużym nadmiarze neutronów wykazują własności spektakularnie inne niż własności jąder silnie związanych; zaczynając od rozkładów gęstości materii wolno malejących z odległością od środka jądra (halo neutronowe), poprzez gęstości natężenia korelacji par rozciągające się dalej niż rozkłady gęstości materii, do odkrytej przez fizyków z Zakładu możliwości istnienia stanów jądrowych poza linią odpadania neutronu (czyli dla dodatnich energii Fermiego).
Drugim ważnym osiągnięciem było zastosowanie metod jądrowego funkcjonału gęstości do opisu stanów podstawowych, prawdopodobieństw rozpadu i czasów życia na rozszczepienie jąder superciężkich. Nadal jest aktualna hipoteza o możliwości istnienia trwałych lub długożyciowych nowych pierwiastków o liczbach atomowych 120–126, chociaż przewidywania teoretyczne są tutaj obarczone niezwykle dużym błędem ekstrapolacji. W cyklu prac261 podano systematyczne przewidywania właściwości jąder superciężkich przy zastosowaniu różnych funkcjonałów gęstości i próbach oszacowania niepewności teoretycznych.
Wśród wyników badań trzeba wymienić zaproponowanie metody obrotów w izoprzestrzeni do opisu stanów jąder atomowych o niemal równych liczbach neutronów i protonów, N∼Z. Ze względu na podobieństwo przestrzennych funkcji falowych, w jądrach o N∼Z mogą się tworzyć hipotetyczne kondensaty par neutronowo-protonowych (n-p) o izospinie T = 0. Ten nowy rodzaj korelacji par w układach fermionowych wymaga niezwykle zaawansowanych metod opisu teoretycznego, gdyż kluczowym problemem jest tu odróżnienie go od standardowego, dobrze znanego zjawiska tworzenia się par o T = 1, obejmującego pary neutronów (n-n) i pary protonów (p-p). Metoda obrotów w izoprzestrzeni, analogiczna do standardowych metod opisu jąder o dużym momencie pędu, stanowi oryginalne i nowatorskie podejście do zagadnienia, pozwalające w namacalny sposób analizować nowe kanały korelacji par.
Kolejnym istotnym wynikiem uzyskanym w Zakładzie Teorii Struktury Jądra Atomowego było stworzenie programu numerycznego HFODD rozwiązującego jądrowe zagadnienia samozgodne z zastosowaniem jednocząstkowej bazy zdeformowanego oscylatora harmonicznego. Program ten nie zakłada żadnych symetrii przestrzennych, toteż może opisywać wiele zagadnień: efekty spontanicznego naruszenia symetrii wielorakiego typu, stany podstawowe oraz stany wzbudzone w warunkach szybkiego obrotu, jądra parzyste, nieparzyste i nieparzysto-nieparzyste oraz jądra obdarzone korelacjami par lub nie. Program pozwala też na przywracanie naruszonej symetrii obrotowej i izospinowej. Praca nad budowaniem tego programu trwa od 1993 roku. Kolejne jego wersje zostały opublikowane w 8 artykułach w „Computer Physics Communications”. Program ten jest ogólnie dostępny i wykorzystywany przez wiele grup naukowych na świecie. Jest on nieustannie wzbogacany o nowe elementy – obecnie praca nad jego rozwijaniem odbywa się w szerokiej współpracy międzynarodowej.
Ważne wyniki przyniosły obliczenia wykonywane metodami jądrowego funkcjonału gęstości wzbogaconymi o przywrócenie naruszonej symetrii izospinowej. W dziedzinie tej Zakład dysponuje unikatowymi narzędziami numerycznymi niedostępnymi nigdzie indziej na świecie. Symetria izospinowa oddziaływań jądrowych (czyli identyczność oddziaływania w kanałach n-p, n-n i p-p) jest zaburzona przez oddziaływanie kulombowskie. Stąd konieczność precyzyjnego opisu przeciwstawnych tendencji: oddziaływania jądrowego, którego działanie idzie w kierunku identyczności stanów neutronów i protonów, i kulombowskiego, działającego w przeciwnym kierunku. Efekty te są wprawdzie niewielkie, ale niezwykle istotne przy opisie jądrowych przejść wyznaczających elementy macierzy Cabbibo–Kobayashi–Maskawy mieszania kwarków (macierz CKM). Praca262, która ukazała się w początku roku 2011, wyznaczyła w tej dziedzinie nowe standardy.
Przełomową rolę w rozwoju fizyki wysokich energii w Warszawie odegrało utworzenie przez Mariana Danysza, ze współudziałem Jerzego Pniewskiego, silnej grupy eksperymentatorów korzystających z techniki emulsji jądrowych.
Marian Danysz (1909–1983)263 był synem Jana Kazimierza, fizyka, i wnukiem Jana, który z zaboru pruskiego wyemigrował do Francji, ukończył Sorbonę i był potem wybitnym mikrobiologiem w Instytucie Pasteura w Paryżu. Jan Kazimierz Danysz264 był po studiach asystentem Pierre’a Curie, a potem Marii Skłodowskiej-Curie i wsławił się skonstruowaniem (1911) pierwszego w świecie spektrografu do badania energii promieni beta. W tym czasie Towarzystwo Naukowe Warszawskie zaczęło tworzyć Pracownię Radiologiczną im. Kernbauma265 i zwróciło się do Marii Skłodowskiej-Curie, aby zechciała objąć jej kierownictwo. Nie mogąc opuścić Paryża, gdzie trwała budowa i organizacja Instytutu Radowego, zgodziła się ona tylko na zdalne kierownictwo, natomiast skierowała do Warszawy dwóch swych najzdolniejszych asystentów, Jana Kazimierza Danysza i Ludwika Wertensteina. w 1913 roku przyjechali oni do Warszawy i zaraz uruchomili prace badawcze. Niestety wybuchła wojna światowa. Danysz, obywatel francuski, zgłosił się do wojska i już w listopadzie poległ na froncie zachodnim w okolicy Roubaix.
Marian Danysz pozostał w Warszawie z matką. Studiował na Politechnice Warszawskiej i uzyskał dyplom inżyniera elektryka. Jednak jeszcze jako student zgłosił się w charakterze wolontariusza do Wertensteina, przyjaciela swego ojca i rozpoczął pracę naukową w Pracowni Radiologicznej TNW. Tam, wspólnie z Michałem Żywem, odkrył (1934) promieniotwórczy izotop fluoru. Po wojnie wykładał początkowo elektrotechnikę w Państwowej Szkole Inżynierskiej im. Wawelberga i Rotwanda i dopiero w 1947 roku związał się z Uniwersytetem Warszawskim. W 1949 roku uzyskał magisterium z fizyki i na początku następnego roku wyjechał na stypendium naukowe do uniwersytetu w Liverpoolu, skąd po paru miesiącach przeniósł się do znakomitego laboratorium Cecila F. Powella na uniwersytecie w Bristolu i tam poznał nowoczesną technikę emulsji jądrowych.
26. Jerzy Pniewski i Marian Danysz
W maju 1952 roku Danysz wrócił do Warszawy, przywożąc ofiarowany przez Powella blok emulsji naświetlonych promieniami kosmicznymi w locie balonowym. Opierając się na wzorach bristolskich, postanowił stworzyć na Hożej zespół do analizy oddziaływań cząstek wielkiej energii. Udało mu się namówić do współpracy Jerzego Pniewskiego, który – jak wspominał – z żalem porzucał spektroskopię beta. W drugiej połowie września 1952 roku Danysz i Pniewski znaleźli w emulsji dziwne oddziaływanie, które zinterpretowali jako rozpad jądra atomowego, zawierającego zamiast jednego neutronu tzw. hiperon lambda – cząstkę niedługo przedtem odkrytą i wówczas jeszcze mało znaną266. Historia odkrycia pierwszego hiperjądra została pięknie opisana przez Pniewskiego267. Chociaż trudno jest porównywać znaczenie różnych odkryć i to w różnych działach fizyki, to jednak można twierdzić, że odkrycie Danysza i Pniewskiego było najważniejszym w fizyce wysokich energii w Polsce, a może nawet w całej powojennej historii polskiej fizyki. Za tę pierwszą i dalsze prace na temat hiperjąder kandydatury obu odkrywców były kilkakrotnie wysuwane do Nagrody Nobla z fizyki.
Pierwszymi członkami warszawskiej grupy emulsyjnej byli Pelagia Ciok, Teresa Saniewska i Ewa Skrzypczak. W następnych latach dołączyli Andrzej Filipkowski, Andrzej K. Wróblewski, Janusz Zakrzewski, Jerzy Bogdanowicz i Erwin Marquit oraz wykładający wtedy w Wojskowej Akademii Technicznej fizyk krakowski Jerzy Gierula. Warszawa stała się stolicą fizyki hiperjąder, a pierwszy na ten temat referat przeglądowy na konferencji w Pizie (1955) wygłosił Danysz.
Niestety tempo rozwoju grupy warszawskiej zostało zahamowane, gdy w 1953 roku, po śmierci Pieńkowskiego, Pniewski musiał się zająć kierowaniem Instytutem Fizyki Doświadczalnej. Wkrótce potem, w 1956 roku, Danysz został wicedyrektorem Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. W czasie nieobecności Danysza i Pniewskiego grupą warszawską kierował Gierula.
27. Zdjęcie emulsji jądrowej pokazujące oddziaływanie, w którym odkryto pierwsze hiperjądro
Wart podkreślenia jest fakt ścisłej współpracy w fizyce cząstek i wielkich energii między fizykami z UW i Instytutu Badań Jądrowych268. Współpraca ta, trwająca nieprzerwanie od 1953 roku, jest zupełnie wyjątkowa, gdyż fizycy z obu instytucji dzielą nawet te same pomieszczenia, a na zewnątrz występują jako grupa warszawska. Rozdzielenie udziału i osiągnięć fizyków z tych instytucji jest niemal niemożliwe. Z tego powodu niniejsze opracowanie w dużej części obejmuje wspólne osiągnięcia.
W pierwszych latach badań hiperjąder duże znaczenie miało wyznaczenie ich energii wiązania, a do tego potrzebny był bardzo precyzyjny pomiar masy hiperonu lambda. W 1959 roku zespół z Hożej wykonał tak dokładny pomiar269, że jego wynik trafił do światowych tablic wielkości fizycznych.
Powrót Pniewskiego od zajęć administracyjnych do fizyki i powrót Danysza z Dubnej ożywiły badania. Wprawdzie Pniewski początkowo zajął się fragmentacją jąder, a Danysz interesował się bardziej oddziaływaniami przy wyższych energiach, ale za namową Zakrzewskiego obaj ponownie skupili uwagę na fizyce hiperjąder. Wkrótce dokonali oni następnego ważnego odkrycia – izomerii hiperjądrowej. Ukoronowaniem sukcesów warszawskiej grupy emulsyjnej było odkrycie w 1963 roku pierwszego hiperjądra podwójnego, zawierającego dwa związane hiperony lambda270. Wiodącą rolę w identyfikacji tego hiperjądra odegrał Zakrzewski271. Spędził on dwa lata w laboratorium Powella w Bristolu, tam uzyskał stopień doktora (1961) i był współodkrywcą tzw. ciężkich hiperjąder.
28. Janusz Zakrzewski
W tym czasie fizycy warszawscy prowadzili już badania emulsyjne w ramach tzw. Europejskiej Współpracy K-minus, wykorzystując emulsje naświetlone wiązką mezonów z akceleratora w CERN-ie. W marcu 1965 roku w Saint-Cergue w Szwajcarii odbyła się pierwsza konferencja międzynarodowa poświęcona fizyce hiperjąder. Pniewski referował tam w imieniu zespołu międzynarodowego szczegóły odkrycia i analizy hiperjądra podwójnego. Wtedy wiodąca pozycja ośrodka warszawskiego w fizyce hiperjąder była już mocno ugruntowana.
Tymczasem problematyka i technika badań doświadczalnych zostały poszerzone. W 1959 roku Ryszard Sosnowski (IBJ), który początkowo zajmował się fizyką jądrową, zmienił zainteresowania, przyłączył się do zespołu Danysza i Pniewskiego i zaczął organizować w Warszawie badania z użyciem nowej techniki, jaką były wówczas komory pęcherzykowe.
Ogromne znaczenie dla rozwoju fizyki wysokich energii w UW i w całej Polsce miały kontakty z Europejskim Ośrodkiem Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. Dzięki wysiłkom Danysza, który jako wicedyrektor ZIBJ w Dubnej był w stanie pokonać bariery polityczne utrudniające wówczas kontakty z ośrodkami zachodnimi, fizycy polscy z Warszawy i Krakowa zaczęli od 1960 roku wyjeżdżać do Genewy na roczne i dłuższe staże naukowe. Te pobyty w CERN-ie, bardzo dynamicznie rozwijającym się ośrodku, umożliwiały naukę i zdobywanie doświadczenia oraz pozwalały nawiązywać znajomości z fizykami z innych krajów i uzyskiwać materiał doświadczalny, który mógł być opracowywany w Polsce.
Już od 1961 roku w Warszawie rozpoczęto pomiary na uzyskanych z CERN-u filmach z komory wodorowej. Skoncentrowano się na badaniach oddziaływań z produkcją wielu cząstek. Tematyka ta stała się wkrótce polską specjalnością, ponieważ w większości laboratoriów na świecie studiowano wtedy prostsze w opisie reakcje z małą liczbą cząstek w stanie końcowym. Innym działem, w którym udział polskich fizyków był bardzo znaczący, była fizyka cząstek dziwnych przy wysokich energiach (m.in. wyznaczono współczynnik tłumienia kwarków dziwnych272). Wśród osiągnięć z tego okresu warto wymienić odkrycie zależności średniego pędu poprzecznego wtórnych hadronów od ich masy oraz od pędu podłużnego (tzw. efekt mewy).
Przystąpienie do szerokiej współpracy międzynarodowej wymagało rozwinięcia techniki obliczeniowej. Pomiary zdarzeń zarejestrowanych w emulsjach można było jeszcze wykonywać ręcznie, pozostawiając inwencję operatorowi. Podobnie było w pierwszym stadium prac komorowych, gdy pomiary dotyczyły niewielu oddziaływań. Zwiększenie szybkości pomiarów i liczby analizowanych zdarzeń wymagało jednak użycia komputerów zdolnych do wspomagania operatora lub nawet kierowania jego czynnościami. W laboratoriach zagranicznych instalowano już komputery wielodostępne i zdolne do przerywania wykonywanego programu z chwilą pojawienia się informacji z urządzeń pomiarowych „na linii”; ta informacja była na bieżąco analizowana, a ewentualne błędy operatora były mu natychmiast sygnalizowane. Kupno takiego komputera uniemożliwiało embargo. Wtedy w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW zrodziła się szalona inicjatywa budowy własnego komputera. Oto, co później pisał na ten temat Lech Michejda273:
„W roku 1965 nie było możliwości zakupienia dla Instytutu Fizyki maszyny spełniającej takie wymagania. Nie spełniały ich maszyny produkowane wówczas w Polsce. W takiej sytuacji [...] profesor Jerzy Pniewski spotkał się ze strony konstruktora-elektronika, inżyniera Jacka Karpińskiego, z propozycją zbudowania potrzebnej maszyny. [...] Po uzyskaniu akceptacji profesora Pniewskiego, przy poparciu profesora M. Danysza i kierownika grupy komór doc. R. Sosnowskiego, dobrał on sobie zespół dwunastu bardzo młodych ludzi, inżynierów elektroników, techników, programistów i rozpoczął pracę nad budową maszyny dla Instytutu Fizyki. W ciągu czterech lat budowano maszynę wytężoną pracą w kilku niedużych pokojach, korzystając z ograniczonych możliwości zaopatrzeniowych i bardzo skromnej aparatury laboratoryjnej, częściowo zbudowanej samodzielnie, a częściowo pożyczonej. Trzeba było opracować «technikę cyfrową», schematy logiczne – zespalające w jedną całość około 12 000 tranzystorów, 60 000 diod i setki tysięcy innych elementów, opracować technologię szeregu elementów konstrukcyjnych, na przykład łączówek do obwodów drukowanych, a także opracować odpowiednie metody starzenia i selekcji elementów, co było szczególnie ważne ze względu na decyzję stosowania elementów półprzewodnikowych produkcji polskiej. W roku 1968 zasadnicze prace przy budowie maszyny zakończono. Nazwano ją KAR-65 [...]”.
29. Jerzy Pniewski i Marian Danysz przy komputerze KAR-65. Z prawej inż. Jacek Karpiński, konstruktor tego komputera
Komputer KAR-65 służył warszawskiej grupie komorowej przez kilkanaście lat. Maszyna pracowała z szybkością około 100 000 operacji na sekundę i operowała słowami o długości 26 bitów. Jej podstawowym zadaniem było sterowanie pracą operatora przy urządzeniach pomiarowych, ale dzięki wielodostępności umożliwiała także wykonywanie zwykłych obliczeń. Po niemal dwudziestoletniej pracy ten zabytek polskiej myśli technicznej został przekazany do Muzeum Techniki w Warszawie.
W Zakładzie Fizyki Wysokich Energii, obok badań hiperjąder metodą emulsji jądrowych, zaczęto eksperymentowanie bardziej aktywne. W drugiej połowie lat 60. Jerzy Pniewski zorganizował w Warszawie zespół, z którym zajął się poszukiwaniem stanów wzbudzonych hiperjąder. Szczególnie ważną rolę w tym zespole odegrali Henryk i Jadwiga Piekarzowie. Zbudowaną w Warszawie aparaturę detekcyjną przewieziono do ZIBJ w Dubnej, jednak eksperyment podjęty tam w końcu 1968 roku nie przyniósł sukcesu ze względu na zbyt małe natężenie wiązki w przestarzałym akceleratorze. Druga próba, podjęta we współpracy z grupą fizyków z Heidelbergu, z użyciem znacznie lepszej wiązki w CERN-ie, doprowadziła już w 1970 roku do wykrycia promieniowania pochodzącego z przejść między poziomami energii hiperjąder274. Przez kolejnych pięć lat Pniewski i współpracownicy wraz z grupą fizyków z Lyonu kontynuowali ten eksperyment zakończony wielkim sukcesem. Był to początek spektroskopii hiperjądrowej, rozwijającej się do dziś, choć już bez udziału Polaków.
Rozwojowi badań towarzyszyły zmiany organizacyjne. W 1962 roku z Katedry Atomistyki została wyodrębniona Katedra Fizyki Cząstek Elementarnych, której kierownictwo objął Marian Danysz. W roku 1969 przemianowano tę Katedrę na Zakład. Jednocześnie został utworzony Zakład Fizyki Wysokich Energii pod kierownictwem Jerzego Pniewskiego. W 1971 roku Danysz i Pniewski przekazali kierownictwo tych Zakładów swym wychowankom, odpowiednio Wróblewskiemu i Zakrzewskiemu.
Technika komór pęcherzykowych przez pewien okres dominowała w eksperymentalnej fizyce wysokich energii. Zbieranie materiału doświadczalnego było dość powolne, gdyż wymagało przeglądania setek tysięcy zdjęć w celu wyszukania interesujących zdarzeń do pomiarów. Aby szybciej uzyskiwać wyniki, zaczęto organizować współpracę kilku (potem kilkunastu) laboratoriów, między które rozdzielano filmy z komór pęcherzykowych. Wyniki uzyskane przez poszczególne grupy trzeba było potem scalić, przeanalizować w jednolity sposób i przygotować wspólną publikację. Współpraca między różnymi laboratoriami zaczęła się, jak wspomniano wyżej, już w latach 50., ale jej skala była stosunkowo niewielka. Dopiero znaczny rozwój techniki komór pęcherzykowych bardzo przyspieszył tworzenie dużych zespołów międzynarodowych.
Początkowo warszawska grupa komorowa (Zakład Fizyki Cząstek Elementarnych UW i Zakład VI IBJ) miała własną tematykę badawczą, wkrótce jednak, od 1964 roku, stała się częścią dużego zespołu międzynarodowego, tzw. Współpracy ABBCCHW, w której uczestniczyły grupy z Aachen, Bonn, Berlina (Zeuthen), CERN, Heidelbergu, Krakowa i Warszawy. Organizatorem tej współpracy i jej rzecznikiem (spokesman) był pracujący w CERN-ie Szkot Douglas R.O. Morrison. Aż do początku lat 80. Współpraca ta, zwana także morrisonowską, była jednym z najbardziej znanych zespołów w dziedzinie badań oddziaływań hadronów przy energiach uzyskiwanych w akceleratorach CERN-u. Skład Współpracy ulegał zmianom, przez długi czas uczestniczyły w niej także grupy z Londynu (Imperial College) i Wiednia, ale Kraków i Warszawa należały do stałych członków. W kilkudziesięciu publikacjach tej Współpracy zbadano systematycznie wszystkie dostępne badaniu tą techniką aspekty silnych oddziaływań pionów, kaonów i protonów z nukleonami przy pędach od 8 do 110 GeV/c. Wyniki doświadczalne uzyskane ze znaczącym udziałem fizyków z Hożej są cytowane do dziś.
W połowie lat 80. podjęto – we współpracy z grupami z Cambridge, Davis, Krakowa i Seattle – badania oddziaływań pionów z deuterem, wykorzystując fotografie uzyskane z użyciem akceleratorów w CERN-ie (piony o pędzie 21 GeV/c) i Laboratorium im. Fermiego pod Chicago (piony o pędzie 205 i 360 GeV/c). W serii prac wyznaczono m.in. parametry podwójnego rozpraszania cząstek wiązki na nukleonach deuteru. Kontynuacją tej „jądrowej” tematyki oddziaływań przy wysokich energiach były badania (we współpracy z grupami z Seattle i Strasburga) oddziaływań π+ i π- w komorze neonowej, gdzie można było wykorzystać izoskalarność tarczy do wyznaczenia parametrów produkcji cząstek, trudnych lub wręcz niemożliwych do pomiaru tradycyjnymi metodami.
Wobec ograniczeń metody komór pęcherzykowych coraz większą rolę zaczęły wkrótce odgrywać eksperymenty „na wiązce” przy wielkich akceleratorach, z użyciem detektorów nowej generacji i zaawansowanej elektroniki.
Zespół Zakrzewskiego włączył się w badania prowadzone z użyciem komory strimerowej RISK przy akceleratorze w Sierpuchowie, w którym przyspieszano protony do najwyższej wówczas energii 70 GeV. Zbudowane w Warszawie komory wielodrutowe, w czym decydującą rolę odegrali Stanisław Majewski i Wojciech Dominik, pozwoliły wybierać oddziaływania ujemnych hadronów o pędzie 40 GeV/c z tarczami jądrowymi zachodzące z emisją cząstek naładowanych o dużym pędzie poprzecznym. Działalność grupy warszawskiej w ramach Współpracy RISK, obejmującej laboratoria z Berlina (Zeuthen), Budapesztu, Dubnej, Pragi, Sofii, Tbilisi i Warszawy, pozwoliła zebrać doświadczenia w projektowaniu i konstruowaniu aparatury przeznaczonej do eksperymentów akceleratorowych.
Na początku lat 80. zespół z Zakładu Fizyki Cząstek Elementarnych oraz Zakładu VI IBJ przystąpił do Współpracy NA22, wykonującej eksperyment „hybrydowy” z użyciem tzw. EHS (European Hybrid System), który zawierał, obok wodorowej komory pęcherzykowej z foliami metalowymi, także układ detektorów licznikowych do identyfikacji i pomiarów cząstek o bardzo dużych pędach. W trwającej przez ponad 10 lat serii badań zbadano systematycznie oddziaływania wiązki cząstek dodatnich (pionów, kaonów i protonów) o pędzie 250 GeV/c.
W latach 70. inna grupa fizyków z obu zakładów uniwersyteckich oraz IBJ przystąpiła, pod kierunkiem Ryszarda Sosnowskiego (IBJ), do szeroko zakrojonych badań zderzeń proton-proton przy akceleratorze wiązek przeciwbieżnych ISR (Intersecting Storage Rings) w CERN-ie. Można było w ten sposób osiągnąć energie zderzeń niemożliwe do uzyskania tradycyjną metodą stacjonarnej tarczy. Przy energiach kilkudziesięciu GeV w środku masy można już było obserwować i badać zjawiska (jety) wynikające bezpośrednio z partonowej struktury nukleonów. Duże znaczenie miało znalezienie przez Sosnowskiego efektywnej metody wydzielania produkcji cząstek powabnych z bardzo dużego tła „zwykłych” oddziaływań.
Na początku lat 80. tematyka badań, obejmująca w poprzednim okresie oddziaływania silne, została rozszerzona na oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Adam Para, Halina Abramowicz i Jan Królikowski weszli do Współpracy CDHS (CERN–Dortmund–Heidelberg–Saclay), w której badano oddziaływania neutrin z materią. Dzięki ich wkładowi Współpraca ta zmieniła wkrótce nazwę na CDHSW, gdzie ostatnia litera oznaczała Warszawę. Barbara Badełek i Jacek Ciborowski (oraz Ewa Rondio i Jan Nassalski z IBJ) przyłączyli się do Europejskiej Współpracy Mionowej (European Muon Collaboration, EMC), w której badano zderzenia mionów z nukleonami. Roman Nowak i Roman Walczak rozpoczęli pracę w DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), gdzie przedmiotem badań były zderzenia wiązek przeciwbieżnych e+e- (eksperyment TASSO).
Mimo odejścia z Hożej wielu fizyków w wyniku stanu wojennego, grupie warszawskiej udało się opanować kryzys i przystąpić do udziału w wielkich przedsięwzięciach eksperymentalnych przy akceleratorach nowej generacji w CERN-ie i w DESY w Hamburgu.
W grudniu 1981 roku Rada CERN-u zatwierdziła projekt budowy akceleratora przeciwbieżnych wiązek elektronów i pozytonów LEP. Po sześciu latach budowy, w lecie 1989 roku rozpoczęto zbieranie danych przez cztery wielkie zespoły międzynarodowe. Fizycy z Hożej weszli do Współpracy DELPHI (Detector with Electron, Photon and Hadron Identification) i wnieśli poważny wkład do budowy tego ogromnego detektora: uczestniczyli w konstrukcji kalorymetru elektromagnetycznego HPC , wykonując około 1/3 jego konstrukcji mechanicznej, oraz zaprojektowali system szybkiego wyzwalania tego kalorymetru i zbudowali wszystkie jego 470 liczników. Warszawską grupą DELPHI kierowali kolejno Maria Szeptycka (IPJ) – w okresie budowy aparatury, a potem Tomasz Hofmokl i Krzysztof Doroba.
W eksperymentach przy LEP wykonano bardzo szczegółowe i precyzyjne testy Modelu Standardowego. Szczegóły dotyczące tematyki badań i wyników DELPHI można znaleźć w obszernym artykule275. Współpraca DELPHI opublikowała ponad 350 prac w renomowanych czasopismach międzynarodowych. Tu wspomnimy tylko, że ze współudziałem fizyków z Hożej uzyskano ważny wynik, a mianowicie ustalenie liczby (lekkich) neutrin, a więc rodzin leptonów.
W pierwszej połowie lat 80. inny zespół fizyków z obu zakładów uniwersyteckich i Zakładu VI IPJ zwrócił się w kierunku ośrodka DESY w Hamburgu, gdzie planowano budowę największego akceleratora przeciwbieżnych wiązek elektronów i protonów. Gdy w 1984 roku projekt ten pod nazwą HERA (Hadron Elektron Ring Anlage) ostatecznie zatwierdzono, polscy technicy i inżynierowie włączyli się do prac konstrukcyjnych w Hamburgu. Podczas budowy kompleksu akceleratora i detektorów przebywała stale w DESY liczna, zmieniająca się, przeważnie kilkudziesięcioosobowa grupa nie tylko z Hożej276, lecz także z innych instytutów w Warszawie oraz z instytutów w Krakowie. Umiejętności polskich budowniczych były wysoko oceniane przez kierownictwo DESY, które, zatrudniając Polaków, rozwiązało trudny problem znalezienia w Niemczech odpowiednio wyszkolonych kadr na krótkie kontrakty. Do dziś we wszystkich dokumentach DESY podkreśla się ten poważny wkład Polaków w konstrukcję akceleratora HERA.
Fizycy z Hożej weszli do Współpracy ZEUS, przygotowującej badanie oddziaływań elektron-proton z użyciem ogromnego zespołu detektorów. Warszawski zespół ZEUS-a zaprojektował i zbudował instrumentację zewnętrznego kalorymetru żelaznego, tzw. BAC (Backing Calorimeter). W Warszawie zbudowano około 5500 aluminiowych komór proporcjonalnych (o całkowitej powierzchni około 3000 m2) i zainstalowano je w DESY. System gazowy zasilający te komory skonstruowała grupa krakowska ściśle współpracująca z Hożą. Fizycy z Hożej byli też odpowiedzialni za tzw. ścianę veto. Po ponad sześciu latach budowy akceleratora HERA, w 1992 roku w eksperymencie ZEUS rozpoczęto zbieranie danych o zderzeniach elektron-proton w nieosiąganym wcześniej zakresie energii zderzeń. Asymetryczny układ przyspieszaczy elektronów i protonów pozwolił osiągnąć bardzo szeroki zakres przekazów czteropędu (Q2) tak istotny w badaniach funkcji struktury protonu w tzw. rozpraszaniu głęboko nieelastycznym (Deep Inelastic Scattering, DIS).
Z wyników warto przytoczyć wyznaczenie funkcji struktury protonu w niedostępnym dotychczas obszarze małych wartości zmiennej x Bjorkena oraz nieoczekiwane i nie do końca jeszcze zrozumiane odkrycie zderzeń z tzw. dużym odstępem między cząstkami wtórnymi w pospieszności (rapidity), świadczące o występowaniu wewnątrz protonu pozbawionych koloru obiektów punktowych. Przedmiotem badań prowadzonych przez grupę warszawską były również tzw. procesy dyfrakcyjne, fotoprodukcja oraz poszukiwanie zjawisk wychodzących poza Model Standardowy: leptokwarków, oddziaływań punktowych i dodatkowych wymiarów. Całością kontaktów Hożej z DESY kierował Janusz Zakrzewski, natomiast największy wkład w konstrukcję BAC wniósł Roman Walczak (obecnie Uniwersytet Oksfordzki). W analizie danych brali udział m.in. Halina Abramowicz, Jacek Ciborowski, Jacek Gajewski, Marek Adamus, Roman Nowak, Teresa Tymieniecka, Andrzej Kajetan Wróblewski, Aleksander Filip Żarnecki, Grzegorz Grzelak i liczni doktoranci.
W roku 1997 analogowy układ odczytu kalorymetru BAC został uzupełniony o odczyt cyfrowy. Wykorzystując ten odczyt, grupa warszawska wyposażyła kalorymetr BAC w trigger mionowy. Został on uruchomiony przez Grzelaka i kolegów w roku 2002, po dwuletniej przerwie w zbieraniu danych, związanej z unowocześnieniem zarówno akceleratora, jak i działających przy nim detektorów. W roku 2007 zakończono zbieranie danych w detektorze ZEUS, ale uzyskany materiał jest do dziś analizowany w wielu ośrodkach (w tym w Warszawie). Do chwili obecnej Współpraca ZEUS opublikowała ponad 200 prac w czasopismach naukowych o światowym zasięgu.
Warto podkreślić, że silny zespół inżynierów i techników, który umożliwił fizykom z Hożej przystąpienie do wspomnianych wielkich eksperymentów, ukształtował się w trakcie długoletniej współpracy z działającą w CERN-ie grupą laureata Nagrody Nobla z fizyki, Georgesa Charpaka – współpracy rozpoczętej przez Stanisława Majewskiego i kontynuowanej przez wiele lat przez Wojciecha Dominika.
Innym kierunkiem badań są eksperymenty w układach ze spoczywającą tarczą. Wspomniano już wyżej o udziale fizyków z Hożej w eksperymencie EMC, w którym wykorzystywano wiązkę mionów wysokich energii w CERN. Udoskonalone jego wersje NMC i SMC przyniosły niespodziewane bardzo istotne odkrycie tzw. kryzysu spinowego w nukleonach – faktu, że spiny kwarków walencyjnych nie wystarczają do wyjaśnienia spinu nukleonu277. Eksperyment SMC zakończył zbieranie danych w roku 1996 i po odpowiednich modyfikacjach sprzętowych został wznowiony pod nazwą NA58 – COMPASS. Dane są zbierane do chwili obecnej, a główne cele eksperymentu to zbadanie struktury spinowej nukleonu oraz zrozumienie obszaru małych wartości zmiennej x Bjorkena.
Od ponad 20 lat zespół fizyków z UW i IPJ (Helena Białkowska, Ewa Skrzypczak, a wcześniej Marek Gaździcki, Roman Szwed i in.) bierze udział w badaniach oddziaływań ciężkich jonów przy wykorzystaniu akceleratora SPS w CERN-ie. W eksperymentach tych są badane oddziaływania jonów do ołowiu włącznie (ostatnio zderzenia Pb-Pb przy 160 GeV/nukleon). W eksperymencie NA61/SHINE z udziałem wielu fizyków jądrowych i cząstek elementarnych z UW i NCBJ (przewodniczącym Collaboration Board jest Tomasz Matulewicz) są przeprowadzane bardzo systematyczne badania oddziaływań protonproton, proton-jądro, pion-jądro i jądro-jądro dla rozlicznych kombinacji wiązka-tarcza przy różnych energiach zderzeń. Celem jest uzyskanie bardzo precyzyjnych danych na temat krotności i widm energii produkowanych cząstek. Uzyskane wyniki przyczyniły się do postępu w poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej.
Danuta Kiełczewska jako pierwsza fizyczka z Hożej wzięła udział w kierowanych przez Freda Reinesa eksperymentach dotyczących wykrywania neutrin z kosmosu. W pierwszych eksperymentach neutrinowych (IMB oraz Kamiokande), w których wykorzystywano wielkie wodne detektory Czerenkowa, poszukiwano także rozpadu protonu. Te detektory okazały się bardzo skuteczne w badaniu oddziaływań neutrin. W 1987 roku zarejestrowały neutrina z kolapsu grawitacyjnego gwiazdy supernowej SN1987A. W 1996 roku w japońskiej kopalni Mozumi ukończono budowę detektora Super-Kamiokande. W 1998 roku uczestnicy tego eksperymentu (m.in. Kiełczewska) przedstawili wyniki badań oddziaływań neutrin atmosferycznych, z których należało wnosić, że neutrina oscylują i nie są wobec tego cząstkami bezmasowymi. To jedno z największych odkryć naukowych ostatnich dziesięcioleci278 spowodowało wyraźny wzrost zainteresowania eksperymentami neutrinowymi na całym świecie.
Następnym etapem rozwoju fizyki neutrin było skonstruowanie nowych wiązek neutrinowych, które w eksperymentach z tzw. długą bazą pozwalają badać naturę oscylacji neutrin. W eksperymentach tych (oznaczanych skrótami: MINOS, K2K, T2K, ICARUS) aktywnie uczestniczą fizycy cząstek z Hożej (Danuta Kiełczewska, Katarzyna Grzelak, Ewa Rondio (NCBJ) i in.). Kiełczewska uzyskała tytuł profesora oraz otrzymała nagrodę „Scopus Award” wydawnictwa Elsevier dla polskiego autora najczęściej cytowanego w latach 2001–2005.
Tematyka badawcza, początkowo dość różna w Zakładzie Fizyki Cząstek Elementarnych i Zakładzie Fizyki Wysokich Energii, z biegiem czasu zaczęła się coraz bardziej zazębiać, a zadania badawcze były podejmowane przez zespoły fizyków z obu zakładów. Usunięto zatem sztuczny podział administracyjny i w końcu 1994 roku oba zakłady zostały połączone w Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych (ZCOF), którego kierownikiem został Jan Królikowski279. Od marca 1997 roku kierownikiem jest Krzysztof Doroba.
Doświadczenie zdobyte w eksperymentach fizyki wysokich energii, w których naprawdę interesujące przypadki trzeba wyszukać spośród tła wielu „zwykłych” zdarzeń, pozwoliło wejść fizykom wysokich energii na nowe pole badań. Rzadkich zjawisk astronomicznych można poszukiwać za pomocą zrobotyzowanych stacji obserwacyjnych. Przykładem jest eksperyment Pi of the Sky, pomysłu profesora Grzegorza Wrochny (NCBJ), prowadzony od 1999 roku przez kilkanaście osób z kilku warszawskich instytucji naukowych, w tym fizyków i inżynierów z ZCOF (Aleksandra Filipa Żarneckiego, Mikołaja Ćwioka, Wojciecha Dominika, Henryka Czyrkowskiego, Ryszarda Dąbrowskiego i Zbigniewa Sałapę), Lecha Mankiewicza z CFT PAN i innych. Pierwszy znaczny sukces osiągnięto w marcu 2008 roku, kiedy to kamery Pi of the Sky ustawione w Chile (San Pedro de Atacama) zarejestrowały wielki rozbłysk gamma GRB 0803198B, zanim stał się tak jasny, że dostrzeżono go w innych obserwatoriach. Publikacja tego osiągnięcia w „Nature” (11 IX 2008) zdobyła duży rozgłos. Kolejną stację obserwacyjną Pi of the Sky ustawiono w Hiszpanii (INTA).
Od połowy lat 90. prowadzono również prace związane z zaangażowaniem grupy warszawskiej w eksperyment CMS (Compact Muon Solenoid) przy planowanym wówczas akceleratorze LHC (Large Hadron Collider). Szczegółowo zbadano komory RPC z punktu widzenia przydatności w eksperymentach przy LHC. Opracowano detektor, który stał się podstawą do zatwierdzenia projektu technicznego tej części detektora CMS. Ustalono specyfikacje warunków działania RPC (Mikołaj Ćwiok, Wojciech Dominik). W roku 1996 Jan Królikowski, Ignacy Maciej Kudła oraz Marcin Konecki z ZCOF, wraz ze współpracownikami z IPJ i Politechniki Warszawskiej, opracowali pierwsze projekty konstrukcji bazujące na komorach RPC układu wyzwalania, tzw. triggera mionowego (RPC Trigger). Jego zadaniem było dostarczenie informacji o obecności mionów o dużym pędzie poprzecznym wśród cząstek wyprodukowanych przez zderzające się w LHC protony. Wraz z rozwojem technologii realizacja elektroniczna projektu zmieniała się w czasie; pierwsze jego wersje (1996) wykorzystywały układy VLSI typu ASIC, natomiast działający obecnie w CMS układ wykorzystuje programowalne układy FPGA. Zaprojektowany, zbudowany i uruchomiony przez grupę warszawską RPC Trigger oraz współpracujący z nim system multipleksujący dane z komór RPC (LBB), który powstał we współpracy Kudły z Lappeenranta University of Technology (Finlandia), to duży system elektroniczny zajmujący ponad 12 kaset VME oraz około stu kaset EURO. Wiodący wkład w uruchomienie systemu wniósł Karol Buńkowski, który opracował system kontroli układu. Układ ten, zainstalowany w CERN-ie w latach 2005–2008, jest integralną częścią systemu zbierania danych detektora CMS.
Na wiele lat przed uruchomieniem LHC trwały także przygotowania do analizy danych. Analizowano powstawanie cząstek wtórnych w oddziaływaniach w LHC oraz symulowano przejście tych cząstek przez detektor. Było to konieczne ze względu na przyszłą analizę rzeczywistych danych, ale także niezbędne przy szczegółowym planowaniu układu triggera. Z prowadzonych analiz wyłoniły się zainteresowania grupy warszawskiej. Są nimi np. rozpad bozonu Higgsa na dwa leptony τ (Jan Królikowski, Artur Kalinowski), poszukiwanie cząstek supersymetrycznych (Królikowski) oraz rozpraszanie bozonów W na sobie (Krzysztof Doroba). Od samego początku strategią grupy kieruje Królikowski (przez pierwsze lata wraz z Grzegorzem Wrochną z IPJ), a sprawami organizacyjnymi – Konecki. Od uruchomienia LHC w 2009 roku Współpraca CMS opublikowała około stu publikacji w czasopismach o międzynarodowym zasięgu, a szereg następnych jest w przygotowaniu. W odkryciu280 bozonu Higgsa ogłoszonym w lipcu 2012 roku znaczący wkład miała zatem grupa warszawska.
Wśród innych projektów, w których biorą udział pracownicy ZCOF, należy wymienić wykonywany wspólnie z Zakładem Fizyki Jądrowej UW eksperyment poświęcony promieniotwórczości dwuprotonowej (patrz rozdział 7.3), przyszłościowy zderzacz e+e- ILC (m.in. Ciborowski i Żarnecki) oraz zaangażowanie w projekt diagnostyki ewolucji plazmy w tokamaku JET (Dominik i in.).
* * *
Kiedy w latach 50. dzięki nowym akceleratorom oraz intensyfikacji badań oddziaływań promieniowania kosmicznego odkryto na świecie niespodziewanie wiele nowych cząstek, które wówczas uznano za elementarne, liczna grupa teoretyków próbowała uporządkować i zinterpretować nowe odkrycia. Nie zabrakło wśród nich fizyków z Warszawy.
W 1960 roku z Katedry Optyki i Mechaniki wydzielono osobną Katedrę Teorii Cząstek Elementarnych, której kierownictwo objął Wojciech Królikowski. Pracę magisterską Własności i zastosowania licznika iskrowego wykonał on jeszcze pod opieką profesora Sołtana, ale szybko zdecydował się na przejście z fizyki doświadczalnej do teoretycznej i uzyskał doktorat pod opieką Wojciecha Rubinowicza.
Powstała również Katedra Teorii Jądra i Reakcji Jądrowych pod kierunkiem Józefa Werlego. Wbrew nazwie tej Katedry zarówno kierownik, jak i jego współpracownicy (Józef Namysłowski, Andrzej Szymacha, a potem Stanisław Głazek i in.) zajmowali się nie tylko siłami i reakcjami jądrowymi, lecz także problematyką cząstek elementarnych.
Józef Werle (1923–1998) był absolwentem Uniwersytetu Poznańskiego. Po roku asystentury na Uniwersytecie Jagiellońskim przeniósł się w 1950 roku do UW i tu został asystentem Infelda. W 1958 roku otrzymał już tytuł profesora. Zajmował się najpierw mezonową teorią sił jądrowych. Następnie badał korelacje kątowe i efekty polaryzacyjne w różnych reakcjach między cząstkami. Zastosował nowe podejście do rozwinięć na fale cząstkowe amplitud reakcji wielocząstkowych i zaproponował nowy hydrodynamiczny model hadronów. Opracował monografię The Relativistic Theory of Reactions (PWN i North-Holland 1966). Interesował się również historią i filozofią fizyki, wydał książkę Rozwój i perspektywy fizyki (Warszawa 1970). Był dyrektorem Instytutu Fizyki Teoretycznej w latach 1968–1975. Zginął tragicznie w wypadku samochodowym281.
W Katedrze Teorii Jądra i Reakcji Jądrowych Namysłowski rozwinął nowe kierunki badań: trójciałowe oddziaływania jądrowe i ich zastosowanie do badań struktury jąder i reakcji w obszarze wysokich energii, model Glaubera (eikonału), fizykę na froncie świetlnym, metody nieperturbacyjne w chromodynamice, a w szczególności problem uwięzienia kwarków. Andrzej Szymacha zajmował się modelem worków hadronowych, konstrukcją modelu masowych neutrin, wpływem poprawek QCD na procesy słabe i zależnością wyników obliczeń od schematów renormalizacyjnych.
Wojciech Królikowski zajmował się początkowo teorią promieniowania i elektrodynamiką kwantową. Badał problem stanów związanych, a w latach 1955–1957 napisał wraz z Janem Rzewuskim (wtedy już profesorem Uniwersytetu Wrocławskiego) kilka prac o relatywistycznym równaniu falowym dla układu dwu cząstek Diraca, wynikającym z elektrodynamiki kwantowej. Do tematyki relatywistycznych równań falowych dla różnych układów cząstek, zwłaszcza kwarków (wprowadzonych przez Murraya Gell-Manna i George’a Zweiga w 1964 roku), wracał później wielokrotnie sam, a także z Rzewuskim lub młodszymi współpracownikami.
Pod koniec lat 50. Wojciech Królikowski zaczął pracować nad paroma problemami związanymi z klasyfikacją znanych w owym czasie leptonów i hadronów oraz ich oddziaływań. W latach 1960–1961 starał się rozszerzyć pojęcie izospinu na znane wtedy leptony: neutrino, elektron i mion, co doprowadziło do hipotezy, że musi istnieć w przyrodzie jeszcze drugie neutrino skojarzone w oddziaływaniach słabych z mionem. Drugie neutrino rzeczywiście odkryto w 1962 roku.
Badania teoretyczne w fizyce cząstek skupiały się wówczas przede wszystkim na analitycznych właściwościach amplitud rozpraszania cząstek. Podejście to jest znane jako teoria macierzy S. Panowało przekonanie, że relacje dyspersyjne będą przydatne nie tylko jako metoda precyzyjnego wyznaczania efektywnych stałych sprzężenia hadronów (na podstawie danych eksperymentalnych o amplitudach rozpraszania), ale również jako nowa metoda dynamicznego opisu silnych oddziaływań (była to próba realizacji idei tzw. bootstrapu, entuzjastycznie propagowanej przez Geoffreya Chewa i jego współpracowników z Uniwersytetu w Berkeley). Pierwsi doktoranci Królikowskiego, Grzegorz Białkowski i Andrzej Jurewicz, dołączyli do tej tematyki badań i przeprowadzili trudne obliczenia numeryczne dotyczące rozpraszania elastycznego kaon-nukleon. Jurewicz przez wiele lat opracowywał perfekcyjnie dyspersyjną teorię fotoprodukcji pionów. Inny doktorant Królikowskiego, Leszek Łukaszuk, stał się znanym ekspertem od analitycznych własności amplitud rozpraszania, publikując głośną pracę z André Martinem na temat udoskonalonego twierdzenia Pomeranczuka i ograniczenia Froissarta.
W 1969 roku nastąpiły zmiany organizacyjne. Z Zakładu Teorii Cząstek Elementarnych został wydzielony osobny Zakład Fizyki Teoretycznej Wysokich Energii. Kierownictwo Zakładu objął Białkowski, a jego współpracownikami byli Zygmunt Ajduk, Wiesław Macek, Stefan Pokorski i Grzegorz Rohoziński. Reszta Zakładu pod starą nazwą (Jan Bartelski, Paweł Haensel, Maciej Pindor, Marek Kolanowski) pozostała nadal pod kierownictwem Królikowskiego.
Badania w Zakładzie Fizyki Teoretycznej Wysokich Energii skupiały się na teorii oddziaływań silnych, przede wszystkim na modelach teoretycznych procesów produkcji wielu cząstek w zderzeniach hadronów przy wysokich energiach. Białkowski z grupą młodych teoretyków kontynuował badania nad związkami dyspersyjnymi i ideą bootstrapu i rozwijał badania nad fenomenologią oddziaływań silnych w ramach efektywnych modeli teoretycznych, takich jak model multiperyferyczny, model cząstki wiodącej, model biegunów Reggego odkrytych w 1959 roku, strukturą deuteronu, efektami cieniowymi w rozpraszaniu i tzw. metodą Glaubera. Zainteresował go również problem tzw. inactivity time (jak mówił: czasu dojrzewania) przy formowaniu się hadronów w zderzeniach na jądrach. Znana jest na ten temat praca, którą napisali Białkowski, Charles Bin Chiu i Don M. Tow (1978). Nawiązała się przy tym ścisła współpraca z warszawską grupą doświadczalną. Z inicjatywy Białkowskiego i Lecha Michejdy rozpoczęło działalność wspólne doświadczalno-teoretyczne seminarium fizyki wysokich energii. Wynikiem tej współpracy był także podręcznik282, który miał znaczący wpływ na kształcenie fizyków wysokich energii.
Początek lat 70. przyniósł wydarzenia o przełomowym znaczeniu dla fizyki cząstek elementarnych i wysokich energii. Były to: powstanie modelu oddziaływań elektrosłabych Glashowa–Weinberga–Salama, skonstruowanie chromodynamiki kwantowej (Quantum Chromodynamics, QCD) przez Gell-Manna wraz z Haraldem Fritzschem i Heinrichem Leutwylerem (przy wykorzystaniu wcześniejszych prac Yioichiro Nambu), a następnie odkrycie ciężkiego leptonu τ (i pośrednio neutrina taonowego), kolejno trzech ciężkich kwarków c, b i t oraz wektorowych bozonów pośredniczących W±, Z i gluonów g. W ten sposób uformował się tzw. Model Standardowy oddziaływań fundamentalnych.
Stało się jasne, że teoria macierzy S nie może pretendować do teorii oddziaływań elementarnych. Istotną dla dalszego poznania podstawowych praw budowy materii okazała się struktura kwarkowa hadronów i oddziaływania między kwarkami. Powiązanie badań doświadczalnych i teoretycznych nabrało nowego wymiaru. Białkowski wyraźnie dostrzegł właściwy kierunek rozwoju fizyki wysokich energii i włączył swój Zakład w tę działalność, rozwijając nadal współpracę z grupą doświadczalną. Jego fenomenologiczne nastawienie do teorii odegrało ważną rolę w szybkim rozwoju badań w tym przełomowym okresie.
Z wyników uzyskanych w tamtym okresie warto wymienić artykuły283 Stefana Pokorskiego (pierwszego doktoranta Białkowskiego) napisane z Leonem Van Hove. Opracowali oni model klastrów do produkcji wielorodnej i podali jego uzasadnienie bazujące na strukturze kwarkowo-gluonowej hadronów. Wyniki te stały się standardowym elementem fenomenologii procesów produkcji.
Lata 70. były wspaniałym okresem dla fizyki cząstek elementarnych. Badania doświadczalne i teoretyczne coraz bardziej potwierdzały poprawność i spójność Modelu Standardowego i fundamentalną rolę kwantowej teorii pól z cechowaniem w teoretycznym opisie oddziaływań elementarnych.
W końcu lat 70. i na początku 80. profil badań w Zakładzie Fizyki Teoretycznej Wysokich Energii uległ zmianie. Pokorski, wraz ze swoimi doktorantami i młodymi współpracownikami, rozpoczął intensywne badania w kierunku teorii pól z cechowaniem dla oddziaływań fundamentalnych Modelu Standardowego i jego rozszerzeń. W wyniku jego wieloletnich wykładów powstała ważna monografia284 poświęcona teorii pól z cechowaniem. Badania tej grupy były początkowo poświęcone teorii oddziaływań silnych – chromodynamice kwantowej (QCD). Jan Kalinowski, Maria Krawczyk i Tomasz Taylor opublikowali kilka ważnych prac opartych na rachunkach perturbacyjnych w QCD, głównie dla procesów produkcji cząstek z dużym pędem poprzecznym. W pracy Wojciecha Furmańskiego, Roberto Petronzio i Pokorskiego (1979) po raz pierwszy rozszerzono rachunek perturbacyjny w QCD na obszar podczerwony w zmiennej Feynmana x = M/Q.
W intensywnych badaniach nad teoriami pól z cechowaniem dla oddziaływań elektrosłabych brali udział Piotr Chankowski, Bogdan Grządkowski, Jan Kalinowski, Maria Krawczyk, Paweł Krawczyk, Mikołaj Misiak, Marek Olechowski, Zbigniew Płuciennik, Stefan Pokorski, Janusz Rosiek. Niektóre rezultaty spotkały się z dużym oddźwiękiem na świecie. Na przykład ważnym wynikiem było systematyczne uwzględnienie poprawek od oddziaływań silnych do rzadkich procesów elektrosłabych zachodzących ze zmianą „zapachu”, z udziałem słabych prądów neutralnych. Wybijały się tu prace285 Mikołaja Misiaka. Należą one do klasycznych prac z tej dziedziny w literaturze światowej. Warto wymienić także badania prowadzone przez Jana Bartelskiego nad strukturą hadronów (szczególnie ich momentami magnetycznymi), w której dominującą rolę odgrywają nieperturbacyjne efekty oddziaływań silnych.
Od śmierci Białkowskiego w 1989 roku Zakładem Fizyki Teoretycznej Wysokich Energii kierował Pokorski.
Badania prowadzone w Zakładzie Teorii Cząstek i Oddziaływań Elementarnych miały szeroki zakres: od analiz fenomenologicznych w ramach Modelu Standardowego aż do formalnych aspektów teorii oddziaływań elementarnych. Model Standardowy został wielokrotnie sprawdzony z ogromną dokładnością w bardzo szerokim zakresie energii i przeszedł pomyślnie wszystkie testy. Mimo to powszechnie sądzi się, że jest on tylko efektywną teorią pewnego fragmentu głębszej, jeszcze nieznanej teorii. Model Standardowy nie wyjaśnia przecież obserwowanych hierarchii mas kwarków i naładowanych leptonów, pochodzenia mas neutrin i dominacji materii nad antymaterią we Wszechświecie, jak również istnienia „ciemnej materii”. Badania nad Modelem Standardowym dotyczyły więc także w znacznym stopniu jego możliwego rozszerzenia, zwłaszcza pomysłów uwzględniających supersymetrię, dodatkowe wymiary przestrzenne lub nowe oddziaływania silne.
W badaniach nad rozszerzeniem Modelu Standardowego światowy rozgłos zyskała praca286 Stefana Pokorskiego z Christopherem Hillem i Jing Wangiem, w której wykazano, że ewentualne istnienie w przyrodzie dodatkowych wymiarów przestrzennych może być opisane w sposób dualny przez teorię z dodatkowymi symetriami cechowania w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Koncepcji tej, znanej pod nazwą dekonstrukcji dodatkowych wymiarów, został nawet poświęcony artykuł w dziale Science w „New York Times” (26 VI 2001). Idea dekonstrukcji być może pozwoli na lepsze zrozumienie mechanizmu naruszenia symetrii elektrosłabej.
Istotną rolę odgrywają prowadzone w Zakładzie badania nad modelami supersymetrycznymi jako uogólnieniem Modelu Standardowego i modelami wielkiej unifikacji (lub ich kombinacją). Na przykład w końcu lat 80. Olechowski i Pokorski zaproponowali wyjaśnienie istnienia bardzo ciężkiego kwarku t w teorii supersymetrycznej jako efektu struktury stanu podstawowego teorii (tzw. próżni). Hipoteza ta, szeroko później badana w wielu pracach teoretycznych, jest obecnie sprawdzana w doświadczeniach w LHC.
Zauważone w świecie zostały także prowadzone w Zakładzie badania na temat fizyki zapachu, przede wszystkim w teoriach supersymetrycznych (Chankowski, Pokorski i Rosiek). Wskazują one drogę do doświadczalnych poszukiwań efektów wykraczających poza przewidywania Modelu Standardowego, takie jak: elektryczne momenty dipolowe kwarków i leptonów czy rozpady mezonu B na dwa miony lub mionu na elektron i gamma. Bardzo znaczące miejsce w literaturze światowej zajmują prace poświęcone pochodzeniu mas neutrin (Chankowski, W. Królikowski, Pokorski). Wykazano w nich, że istotne znaczenie w wyjaśnieniu mas i mieszania neutrin mogą mieć poprawki kwantowe. W pracach tych zostały odkryte punkty stałe w ewolucji mas i kątów mieszania neutrin, opisywanej równaniem grupy renormalizacyjnej od ich wartości przy wysokich energiach do wartości fizycznych.
Istotny wkład do badań teoretycznych nad mechanizmami naruszenia supersymetrii wniosły prace Adama Falkowskiego, Zygmunta Lalaka, Marka Olechowskiego i Pokorskiego. Warto wspomnieć, że tematyce tej poświęcono wiele bardzo znanych w literaturze światowej prac. Na uwagę zasługują te, w których po raz pierwszy sformułowano teorię naruszenia supersymetrii w modelach 5-wymiarowych z branami, oraz seria prac poświęconych naruszeniu supersymetrii w teorii supergrawitacji, w których udało się po raz pierwszy opisać naruszenie supersymetrii z zerowaniem się stałej kosmologicznej.
Badania na pograniczu teorii cząstek, astrofizyki i kosmologii prowadzili Krzysztof Meissner, Jacek Pawełczyk, Zbigniew Lalak, Marek Olechowski i Krzysztof Turzyński. Bardzo duże zainteresowanie wywołała praca Meissnera poświęcona entropii czarnej dziury w pętlowej grawitacji kwantowej. Badania nad zagadnieniami kosmologicznymi, takimi jak tworzenie się struktur wieloskalowych i historia bardzo wczesnego Wszechświata, prowadzą Lalak, Meissner, Pawełczyk i Spaliński. Między innymi Meissner i Gabriele Veneziano z CERN-u opracowali model Wszechświata istniejącego już przed Wielkim Wybuchem.
Maria Krawczyk zajmowała się szczególnym rozszerzeniem Modelu Standardowego w sektorze cząstek skalarnych (model z dwoma dubletami pól Higgsa), który dobrze opisuje zawartość „ciemnej materii” we Wszechświecie. W modelu tym zbadała możliwe scenariusze ewolucji Wszechświata, wykluczając możliwość istnienia w przeszłości fazy ze złamaną symetrią elektromagnetyczną. Od lat prowadzi ona również badania nad oddziaływaniami fotonów przy wysokich energiach i wirtualną strukturą fotonu wynikającą z jego oddziaływań z hadronami; bada także możliwości budowy zderzaczy z wiązkami wysokoenergetycznych fotonów.
Jan Kalinowski zbadał różne rozszerzenia Minimalnego Modelu Supersymetrycznego (MSSM) i konsekwencje fenomenologiczne dla LHC oraz dla pomiarów reliktowej gęstości „ciemnej materii”. Jest on także cenionym na świecie ekspertem w badaniu produkcji cząstek w zderzaczach liniowych. Jego prace i działalność w międzynarodowych grupach roboczych odegrały istotną rolę w opracowaniu metod detekcji nowych cząstek w LHC i w planowanym nowym zderzaczu elektron-pozyton. Do badań tych duży wkład wnieśli także Bogdan Grządkowski i Maria Krawczyk, zwłaszcza w pracach dotyczących nieminimalnego sektora cząstek skalarnych, w tym dwudubletowego modelu Higgsa.
Jan Bartelski pracuje nad zagadnieniem polaryzacji w strukturze nukleonów (zaczął te badania jeszcze przed wystąpieniem tzw. kryzysu spinowego). Znalazł, jako jeden z pierwszych, wzory na spolaryzowaną funkcję struktury (oznaczaną symbolem g2).
W pracach Stanisława Głazka i jego studentów rozwinięto wiele zastosowań procedury grupy renormalizacji dla cząstek efektywnych do opisu hadronów w ramach QCD. Głazek stworzył tę procedurę na bazie procedury grupy renormalizacji hamiltonianów przez podobieństwo (similarity renormalization group, SRG), podanej wcześniej przez niego i Kennetha Wilsona. Jako kolejny krok koncepcyjny w stosunku do grupy renormalizacji Wilsona SRG jest coraz szerzej stosowana w różnych dziedzinach fizyki – od teorii cząstek, przez fizykę jądrową, do fizyki atomowej i materii skondensowanej. Można się spodziewać nowych zastosowań w chemii kwantowej. Głazek i Wilson odkryli także cykl graniczny w teoriach z tylko jedną stałą sprzężenia (wcześniej uważano, że cykl może powstawać tylko dla większej liczby ładunków niż jeden) i podali w przypadku cyklu charakterystykę uniwersalności, która różni się od uniwersalności w przypadku punktu stałego. W ostatnich latach Głazek zajmuje się związkiem procedury grupy renormalizacji dla cząstek efektywnych w QCD z hipotezą dualności i holografią.
W wyniku przemian organizacyjnych i „rewolucji katedralnej” w IFT, kiedy to wprowadzono katedry zamiast zakładów, istnieją obecnie dwa zespoły fizyków zajmujących się fizyką teoretyczną cząstek elementarnych i wysokich energii. W Katedrze Teorii Cząstek i Oddziaływań Elementarnych, kierowanej obecnie przez profesora Marka Olechowskiego, pracują profesorowie: Jan Bartelski, Bogdan Grządkowski, Wojciech Królikowski, Zygmunt Lalak, Krzysztof Meissner, Jacek Pawelczyk, Stefan Pokorski i Janusz Rosiek. W Katedrze Teorii Oddziaływań Silnych i Elektrosłabych, kierowanej przez profesora Jana Kalinowskiego, są zatrudnieni profesorowie: Ernest Bartnik, Piotr Chankowski, Stanisław Głazek, Maria Krawczyk, Mikołaj Misiak, Józef Namysłowski i Andrzej Szymacha.
Wspomniano już wyżej, że po powrocie Leopolda Infelda do Polski utworzono dla niego Katedrę Elektrodynamiki i Teorii Względności. Jego osobowość przyciągała wielu młodych fizyków. Byli wśród nich absolwenci UW (Stanisław Bażański, Zofia Białynicka-Birula, Iwo Białynicki-Birula, Marek Demiański, Róża Michalska, Jerzy Plebański, Maciej Suffczyński, Roman Teisseyre, Barbara Tulczyjew, Włodzimierz Tulczyjew), ale także przybysze z innych miast i uczelni (Maciej Suffczyński, Zdzisław Szymański, Andrzej Trautman, Józef Werle).
Infeld troszczył się o zbudowanie na Hożej dużego instytutu, w którym miały być reprezentowane wszystkie ważne dziedziny fizyki teoretycznej. Sam z grupą uczniów kontynuował badania z dziedziny fizyki relatywistycznej, które prowadził w USA i w Kanadzie. Godził się jednak, aby część jego młodych współpracowników z Katedry zajęła się innymi zagadnieniami. Ważnym elementem kształcenia i integracji fizyków z UW oraz IF PAN, gdzie Infeld kierował Zakładem Fizyki Teoretycznej, było prowadzone przez niego seminarium.
Najdawniejszym współpracownikiem Infelda był Jerzy Plebański, absolwent UW, który był doktorantem Rubinowicza. Już w 1953 roku Infeld i Plebański opublikowali pierwszy wspólny artykuł Electrodynamics without potentials („Acta Physica Polonica” 12, s. 123). Potem napisali jeszcze kilka prac zawierających ważne wyniki dotyczące równań ruchu w ogólnej teorii względności (OTW). Podsumowaniem tych wspólnych prac była ich książka Motion and Relativity (Pergamon Press i PWN, Warszawa i Londyn i960). Plebański był wyjątkowo zdolnym fizykiem i wybitną osobowością, wobec czego często dochodziło do spięć między nim i Infeldem. Nie inaczej było też przy pisaniu wymienionej książki. Zdaniem Trautmana mogła ona być znacznie lepsza, gdyby nie konflikt i różnice charakterów autorów:
„Gdy Plebański wyjechał do Meksyku, zostawił Infeldowi konspekt książki – mieli oni pisać Motion and Relativity wspólnie. Plebański napisał kilka rozdziałów tej książki i zostawił to Infeldowi. Dla Infelda było to nie do przyjęcia, bo Plebański używał tensora energii-pędu odpowiedniego do opisu materii ośrodków ciągłych.
Podejście Plebańskiego przypominało prace Władymira Focka, którego Infeld nie cierpiał. Natomiast Infeld chciał zrobić wszystko z osobliwościami, a dokładniej z „dobrymi funkcjami delta”, które on z Plebańskim w tym celu wprowadził. Plebańskiemu, jakkolwiek początkowo brał w tym udział, podejście to przestało się podobać; wolał – zresztą myślę, że słusznie – zrobić to przy użyciu języka ośrodków ciągłych. Jurek włożył w to dużo pracy i zostawił Infeldowi obszerny rękopis kilku rozdziałów książki. Infeld natomiast odrzucił je i zaczął pisać po swojemu [...] uważam, że rację miał Plebański w tym sensie, iż jego materiał był podstawą do lepszej książki niż to, co napisał Infeld. To jest pierwsza moja uwaga, a druga jest taka, że Infeld wyrzucił – nie wiem, czy dosłownie do śmieci – ale faktycznie usunął to, co zrobił Plebański”288.
Trautman studiował najpierw na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej – specjalizował się w telekomunikacji i był nawet asystentem w Katedrze Radiolokacji. Szybko jednak zorientował się, że ta dziedzina mu nie odpowiada; zaczął studiować matematykę jako drugi kierunek, a pod wpływem Plebańskiego, który opiekował się jego pracą magisterską, przeszedł na studia doktoranckie w Instytucie Fizyki Teoretycznej UW i znalazł się na Hożej. Wspominał potem, że tak zaczynały się spełniać jego marzenia o pracy naukowej w dziedzinie fizyki.
W tym czasie Infeld był przekonany, że zgodnie z ogólną teorią względności promieniowanie grawitacyjne nie może istnieć. Trautman natomiast był innego zdania:
„Szybko nabrałem przekonania, że promieniowanie grawitacyjne istnieje i cała moja praca była skierowana na to, aby podać różne argumenty na rzecz tego poglądu. W szczególności musiałem ustosunkować się do metody przybliżeń EIH (Einsteina–Infelda–Hoffmanna) i argumentów Infelda, że człony promieniste w tej metodzie można usunąć przez przekształcenia współrzędnych. [...] Infeld długo tych wyników nie akceptował. Mimo to przyjął moją rozprawę doktorską i był moim promotorem”289.
Infeld zmienił swój pogląd na kwestię istnienia promieniowania grawitacyjnego dopiero po pewnym czasie. Było to także rezultatem jego własnych badań nad zagadnieniem promieniowania grawitacyjnego, prowadzonych wraz z Różą Michalską-Trautman.
Po doktoracie Trautman opublikował kilka artykułów wspólnie z Ivorem Robinsonem. W tych pracach był podany opis prostych fal grawitacyjnych będących ścisłymi rozwiązaniami równań Einsteina. Rozwiązania znalezione przez Trautmana i Robinsona noszą dziś ich nazwiska. Dały one początek rozwojowi, w wielu ośrodkach, technik rozwiązywania równań Einsteina, a bezpośrednio zainicjowały badania Marka Demiańskiego, który znalazł rozwiązania oznaczone z kolei jego nazwiskiem.
W 1954 roku Infeld dokonał swego rodzaju syntezy podejścia Einsteina i podejścia Focka do problemu ruchu w ogólnej teorii względności. Zaowocowało to serią związanych z tym zagadnieniem prac Infelda i Plebańskiego. Następnie Tulczyjew zaadaptował to podejście do problemu ruchu ciał obracających się, a Bażański – do teorii Einsteina-Maxwella. Ponadto Plebański i Bażański prowadzili badania nad równaniami ruchu w hydrodynamice ogólnie relatywistycznej i sformułowali dla tych równań zasadę wariacyjną typu Fokkera. Róża Michalska-Trautman uogólniła tę zasadę na relatywistyczne równania ruchu ciał obracających się i podała ich rozwiązanie w przybliżeniu pozanewtonowskim, a Joanna Ryteń znalazła lagrangian i postać równań ruchu w przybliżeniu następnym po pozanewtonowskim. Natomiast Plebański i Bogdan Mielnik podali ścisłe rozwiązania równań wszystkich typów ruchu cząstek próbnych w czasoprzestrzeni Schwarzschilda.
W 1962 roku odbyła się wspomniana już wcześniej Międzynarodowa Konferencja Teorii Względności i Grawitacji w Jabłonnie, która była wielkim wydarzeniem naukowym i przyczyniła się do intensyfikacji współpracy międzynarodowej relatywistów z IFT UW.
Po śmierci Infelda w 1968 roku w miejsce dawnej jego Katedry powstał Zakład Teorii Względności i Grawitacji, kierowany wtedy przez Trautmana.
W 1970 roku utworzono osobny Zakład Fizyki Matematycznej, którego kierownictwo objął Jerzy Plebański. W tym Zakładzie prowadzono badania w kierunkach tematycznie zbliżonych, lecz różniących się pod względem metodologicznym od Zakładu Teorii Względności i Grawitacji. Pracownikami jego byli również uczniowie Infelda, Bażański, Mielnik i Antoni Sym, którzy zajmowali się teorią względności. Dlatego duża część badań obu zakładów od początku skupiała się wokół nieprzerwanie działającego w Instytucie Fizyki Teoretycznej seminarium relatywistycznego, którym kierował Infeld – najpierw sam, a potem razem z Plebańskim. Prowadzono tam prace nad problematyką równań ruchu ciał w ogólnej teorii względności, metody EIH (Einsteina–Infelda–Hoffmanna), ścisłych rozwiązań równań Einsteina, elektrodynamiki nieliniowej i promieniowania grawitacyjnego.
W wyniku badań Trautmana nad metodą EIH i twierdzeniem Noether w OT W okazało się, że za mechanizm wynikania równań ruchu z równań pola w OTW odpowiada przede wszystkim ogólna niezmienniczość, a nie nieliniowość tych równań, jak sądzono poprzednio.
Prace Trautmana wywarły bardzo istotny wpływ na rozwój ogólnej teorii względności. W następnych latach miał on wiele ważnych osiągnięć. W podsumowaniu przygotowanym na 75-lecie fizyki na Hożej wymieniono290 m.in.: zbadanie równań teorii Einsteina–Cartana; znalezienie modeli kosmologicznych w tej teorii, w tym modeli bez osobliwości; sformułowanie zasady równoważności dla cząstek ze spinem (Trautman oraz Waldemar Adamowicz, Wojciech Kopczyński, Jacek Tafel; 1972–1976); prace nad ujęciem geometrycznym teorii pól Yanga-Millsa i ich symetrii oraz nad hipotetycznym promieniowaniem ładunku kolorowego (Trautman i Tafel; 1978–1985); wprowadzenie pojęcia geometrii optycznej uogólniającej pojęcie kongruencji geodetyk zerowych bez ścinania oraz ustalenie jej związku z przestrzeniami Cauchy’ego-Riemanna; zastosowanie tych przestrzeni do znajdowania pól grawitacyjnych z algebraicznie specjalnym tensorem Weyla (Jerzy Lewandowski, Paweł Nurowski, Tafel i Trautman we współpracy z Ivorem Robinsonem; 1984–1994). Na uwagę zasługuje książka291, którą opracowali Trautman i Kopczyński.
Marek Demiański (doktorant Trautmana z 1966 roku) początkowo zajmował się poszukiwaniem ścisłych rozwiązań równań Einsteina, które mogłyby opisywać zwarte obiekty astronomiczne. W połowie lat 70. zainteresował się procesami zachodzącymi w otoczeniu czarnych dziur oraz gwiazd neutronowych. Następnie badał dynamikę wielowymiarowych modeli kosmologicznych. Obecnie zajmuje się badaniem bardzo wczesnych faz ewolucji wszechświata oraz procesami tworzenia się wielkoskalowej struktury rozkładu materii we Wszechświecie. Zajmuje się też konstrukcją maszyny pulsarowej, która zostanie zainstalowana przy radioteleskopie w Piwnicach koło Torunia i będzie wykorzystywana do chronometrażu około 300 pulsarów radiowych.
W podsumowaniu przygotowanym na 75-lecie fizyki na Hożej wymieniono m.in. następujące osiągnięcia Demiańskiego: znalezienie, we współpracy z Leonidem P. Griszczukiem, nowych rozwiązań równań Einsteina, mających znaczenie w astrofizyce i kosmologii (1972–1973); znalezienie, we współpracy z Nikołajem Iwanowiczem Shakurą, sekularnych, relatywistycznych zmian w okresie pulsara podwójnego (1976); odkrycie, wraz z doktorantem, Mieczysławem Prószyńskim, periodycznych zmian okresu pulsara PSR 0329+54, które mogą świadczyć o istnieniu planety (oszacowano masę i parametry orbity tej planety, a praca292 na ten temat została uznana za jedną z trzech najciekawszych prac z astronomii w 1979 roku); wykazanie, że w nowym modelu inflacyjnym początkowa anizotropia wszechświata może być bardzo duża (1984); podanie klasyfikacji grup symetrii 11- i 10-wymiarowych jednorodnych modeli kosmologicznych o topologicznej strukturze M × B, gdzie M jest 4-wymiarową czasoprzestrzenią fizyczną, a B – zwartą 6- lub 7-wymiarową rozmaitością wewnętrzną (Demiański, Zdzisław Golda, Leszek M. Sokołowski, Marek Szydłowski i Paweł Turkowski; 1987). Trzeba także wymienić bardzo dobry podręcznik293 jego autorstwa.
W Zakładzie Teorii Względności i Grawitacji, kierowanym potem na przemian przez Trautmana (1968–1978 i 1981–2003) i Demiańskiego (1978–1981 i 2003–2008), w latach 1971–1995 były prowadzone badania w dziedzinie astrofizyki relatywistycznej i kosmologii (Demiański we współpracy z Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN), teorii Einsteina–Cartana (Waldemar Adamowicz, Kopczyński, Tafel i Trautman), ogólnej niezmienniczości układów lagrange’owskich, zasad wariacyjnych i praw zachowania w klasycznych teoriach pola (Kopczyński i Trautman), klasycznej teorii pól Yanga–Millsa (Jerzy Lewandowski, Tafel i Trautman). Dużo uwagi poświęcono znajdowaniu ścisłych rozwiązań równań Einsteina i Einsteina–Maxwella z kongruencjami zerowych geodetyk bez ścinania oraz związanym z tymi kongruencjami przestrzeniom Cauchy’ego–Riemanna i geometrii optycznej (Lewandowski, Tafel i Trautman we współpracy z Pawłem Nurowskim i Ivorem Robinsonem).
W latach 80. i 90. Trautman, we współpracy z Paolo Budinichem i Ludwikiem Dąbrowskim (Triest), Michaelem Cahenem i Simone Gutt (Bruksela), Ivorem Robinsonem (Dallas) oraz Wojciechem Kopczyńskim, prowadził badania nad interpretacją geometryczną i fizyczną tzw. spinorów czystych, nad strukturami spin i pin na rozmaitościach o nietrywialnej topologii i nad widmem operatora Diraca na takich rozmaitościach. Zajmując się związkami między samodualnymi metrykami i samodualnymi polami Yanga–Millsa, Roman Maszczyk podał klasyfikację samodualnych metryk Bianchiego.
Kopczyński zajmował się teoriami grawitacji opartymi na geometrii z teleparalelizmem, a także innymi grawitacyjnymi teoriami cechowania. Współpracował z Friedrichem W. Hehlem (Kolonia), Dermottem McCrea (Dublin) i Eckehardem Mielke (Kilonia). Prowadził badania nad spinorami algebraicznymi. Ponadto badał teorie typu Kaluzy-Kleina, proponując model kosmologiczny, w którym wymiary wewnętrzne są wypełnione wielowymiarowymi obiektami typu strun, membran itp.
Jerzy Lewandowski rozpoczął, we współpracy z Abhayem Ashtekarem, badania nad kwantową teorią grawitacji. Natomiast Jacek Tafel prowadził badania nad zastosowaniem metod symetrii i metod solitonowych do rozwiązywania równań różniczkowych występujących w teorii grawitacji w teorii Yanga–Millsa, a także nad problemem początkowo-brzegowym w tej teorii.
W 1973 roku Plebański zdecydował się na wyjazd do Meksyku, gdzie zamierzał tworzyć silny ośrodek fizyki teoretycznej. Pociągnął za sobą kilkoro młodszych fizyków z Instytutu Fizyki Teoretycznej. Będąc już profesorem w Centro de Investigation y de Estudios Avanzados del I.P.N. w Meksyku, utrzymywał bliskie związki z UW. Na przykład w 1976 roku on i Demiański opublikowali ważną pracę294, w której podali najogólniejsze rozwiązanie równań Einsteina typu D, które opisują tzw. uogólnioną czarną dziurę. Czarna dziura jest opisana przez 7 parametrów: masę, masę magnetyczną, ładunek elektryczny i magnetyczny, moment pędu i przyspieszenie i jest to rozwiazanie z różną od zera stałą kosmologiczną. Nikt do tej pory nie znalazł rozwiązania ogólniejszego. Demiański i Plebański przypuszczali, że jest to najogólniejsze rozwiązanie tej klasy, jednak ani oni, ani nikt inny nie potrafili dotychczas tego udowodnić.
Plebański pozostał w Meksyku aż do swej śmierci w 2005 roku. Był on bardzo wybitnym relatywistą, prekursorem zastosowania metod zespolonych do znajdowania rozwiazań równań Einsteina i analizy właściwości czasoprzestrzeni. Jego pracę Some Solutions of complex Einstein equations, opublikowaną w 1975 roku („Journal of Mathematical Physics” 16, s. 2395–2402) wielokrotnie wykorzystywano do znajdowania rozwiązań w wielowymiarowych teoriach czasoprzestrzeni i analizie kompaktyfikacji w modelach strunowych. W literaturze pojawiło się określenie „niebiańskie przestrzenie Plebańskiego”. Jego osiągnięcia podczas pracy w Meksyku nie należą już jednak do historii fizyki w UW.
Po wyjeździe Plebańskiego do Meksyku Zakładem Fizyki Matematycznej kierowali na przemian Bogdan Mielnik i Stanisław Bażański. W Zakładzie tym w latach 1971–1995 prowadzono badania w trzech zasadniczych kierunkach: teorii względności (Bażański i Plebański z uczniami), podstaw mechaniki kwantowej (Mielnik) oraz teorii solitonów wraz z teorią układów całkowalnych i układów hamiltonowskich (Marek Antonowicz, Antoni Sym z uczniami i Stefan Wojciechowski).
W dziedzinie teorii względności w latach 1971–1973 prowadzono badania nad tzw. zespoloną teorią względności, klasami ścisłych rozwiązań w tej teorii oraz spinorowym ujęciem ogólnej teorii względności (Plebański z uczniami), a także nad zagadnieniami dynamicznymi w ogólnej teorii względności. Po wyjeździe Plebańskiego do Meksyku zapoczątkowane przez niego badania kontynuowali jego doktoranci Krzysztof Rózga i Jan Slavik, których pracą opiekowali się Bażański i Mielnik. Rózga sformułował warunki istnienia cięć rzeczywistych czasoprzestrzeni zespolonej, a Slavik znalazł klasę ścisłych rozwiązań układu równań elektrodynamiki nieliniowej i równań Einsteina.
Badania nad dynamiką relatywistyczną (Bażański) doprowadziły do wprowadzenia pojęcia dewiacji geodezyjnej wyższego rzędu, a następnie do sformułowania kinematyki i dynamiki uogólnionych równań dewiacji oraz interpretacji zasad zachowania tej teorii. Jedną z kontynuacji tych badań była znaleziona przez Bażańskiego około roku 1985 metoda jednoczesnego całkowania równań geodezyjnych i dewiacji oraz, we współpracy z Piotrem Jaranowskim z filii UW w Białymstoku, zastosowanie tej metody do zagadnienia spadku cząstek na czarną dziurę.
Z Valerią Ferrari z Uniwersytetu Rzymskiego Bażański napisał pracę o analitycznym przedłużeniu rozwiązania Schwarzschilda–de Sittera oraz o strukturze horyzontów i charakterze osobliwości w tym rozwiązaniu. Do poprzedniej tematyki nawiązywały studia nad dynamiką uogólnionych równań dewiacji w teorii Maxwella–Einsteina (Bażański z Nikołajem N. Kostiukowiczem, stażystą z Mińska na Białorusi). Wynikiem badań nad zasadami zachowania było znalezienie prawa Gaussa dla masy, momentu pędu i ładunku w teorii Maxwella–Einsteina ze stałą kosmologiczną (Bażański i Piotr Żyła z filii UW w Białymstoku).
Bażański badał także związki między różnymi wielkościami geometrycznymi w czasoprzestrzeni a odpowiadającymi im wielkościami obserwowalnymi. Jednym z wyników tych badań było sformułowanie trzech twierdzeń całkowych prowadzących m.in. do związku między utratą synchronizacji zbioru zegarów a parametrami kinematycznymi charakteryzującymi ruch tych zegarów w czasoprzestrzeni. Związek ten ma dość ogólne konsekwencje, gdyż wynika z niego, że hipoteza geodezyjna przyjmowana jako postulat ogólnej teorii względności jest falsyfikowalna. Znaleziono także sposób konstrukcji klasy funkcji Lagrange’a, które prowadzą do tego samego lagrangianu w klasycznej zasadzie wariacyjnej Jacobiego (Bażański, Jaranowski).
Badania nad podstawami teorii kwantów były w całości prowadzone przez Mielnika i ogniskowały się wokół struktury i podstaw mechaniki kwantowej oraz zagadnień teorii kwantów z hamiltonianem zależnym od czasu. Zbadano alternatywne warianty sformułowania mechaniki kwantowej, w których stany czyste nie są koniecznie reprezentowane przez wektory jednostkowe przestrzeni Hilberta. Teoria zbiorów wypukłych spełnia dla tych sformułowań funkcję analogiczną jak w geometrii z nieznikającą krzywizną. Prowadzono także badania nad nieliniową mechaniką kwantową oraz krytyczne badanie tzw. paradoksu kota Schrödingera. Drugim tematem były badania sposobów manipulacji układami kwantowymi za pomocą pól zewnętrznych zależnych od czasu. Wyniki, wraz z przykładami i zastosowaniami do wielu dziedzin fizyki, zostały zawarte w licznych publikacjach Mielnika oraz współpracujących z nim fizyków z Meksyku.
W Zakładzie Fizyki Matematycznej badano ponadto pogranicze geometrii różniczkowej, w tym jej wariantu symplektycznego, i teorii solitonów. Jednym z przedmiotów badań była teoria zupełnie całkowalnych układów hamiltonowskich, zarówno w przypadku dyskretnym (Wojciechowski), jak i w przypadku ciągłym (Antonowicz). Ich rezultatem były schematy dedukcji układów całkowalnych mechaniki klasycznej z układów całkowalnych równań różniczkowych cząstkowych. Inna bardzo podstawowa tematyka badawcza, uprawiana od wielu lat, dotyczyła rozwijania spektralnych technik solitonowych w zastosowaniu do znajdowania klasyfikacji i szczegółowego badania geometrii całkowalnych. Badania te doprowadziły do wykrycia związków między geometrią podrozmaitości a teorią solitonów (Sym i Adam Doliwa) wykorzystujących opracowane do tego celu nowe podejście za pomocą tzw. powierzchni solitonowych. Podejście to jest daleko idącym uogólnieniem geometrii powierzchni pseudosferycznych.
W ostatnich dwóch dekadach tematyka badań w Katedrze Teorii Względności i Grawitacji uległa rozszerzeniu o poszukiwania grawitacji kwantowej, teorię czarnych dziur i równania Einsteina w czasoprzestrzeniach wyżej wymiarowych. Równolegle rozwijana jest astrofizyka relatywistyczna. Katedra przez wiele lat była w Polsce głównym ośrodkiem badań geometrii różniczkowej w zastosowaniach fizycznych295.
Pionierskie prace Trautmana na temat ścisłych rozwiązań równań Einsteina, geometrycznych podstaw praw zachowania, geometryzacji klasycznej teorii Yanga–Millsa, teorii Kaluzy–Kleina i teorii Einsteina–Cartana z torsją inspirowały jego uczniów – Kopczyńskiego, Tafla, Lewandowskiego i Nurowskiego – do działań w tej dziedzinie. Paweł Nurowski, pracownik Katedry od 1995 roku, obecnie profesor, pozostaje najbliżej tego nurtu badań. Wyspecjalizował się on w rozwiązywaniu różnych problemów równoważności występujących w geometrii różniczkowej. Potrafi w efektywny sposób odpowiadać na pytania, kiedy dwie a priori różne struktury geometryczne (na przykład dwa tensory metryczne, struktury konforemne, struktury projektywne albo Cauchy’ego–Riemanna, systemy form różniczkowych, układy równań, i tym podobne) dadzą się na siebie przekształcić za pomocą transformacji dopuszczalnych przez daną klasę geometrii. Nurowski używa tutaj tzw. metody równoważności Cartana i jest jednym z najwybitniejszych znawców i propagatorów tego podejścia na świecie.
Badania nad równaniami Yanga–Millsa oraz równaniami Einsteina i globalną strukturą ich rozwiązań prowadzi wybitny specjalista w tej dziedzinie – profesor Jacek Tafel. Jednym z zagadnień podjętych w latach 1995–2010 był problem początkowo-brzegowy dla równań Yanga–Millsa. Tafel udowodnił, także dla układów sprzężonych z polem Diraca lub polem Higgsa, twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań tego problemu. Interesującym rezultatem współpracy profesora Tafla i jego ucznia dr. Adama Szereszewskiego (obecnie pracownika Katedry) było zastosowanie symetrii i teorii powierzchni do równań Einsteina i przeprowadzenie analizy równań Einsteina pod kątem zupełnej całkowalności. Tafel jest światowym ekspertem w dziedzinie fizycznych właściwości czasoprzestrzeni asymptotycznie płaskich: globalnej energii, pędu i momentu pędu oraz horyzontów „czarno-dziurowych”.
Nową i przyciągającą uwagę wielu relatywistów dziedziną, zainspirowaną teorią strun, są czasoprzestrzenie o wymiarze większym niż cztery. Systematyczną klasyfikację symetrycznych rozwiązań przeprowadził Tafel wspólnie z Szereszewskim i doktorantką, Małgorzatą Jakimowicz.
W 2000 roku rozpoczęto badania kwazilokalnej teorii czarnych dziur (Lewandowski wraz z profesorem Abhayem Ashtekarem z Penn State University i uczniami). W tych pionierskich pracach podano definicje nieekspandującego oraz izolowanego horyzontu w czterech i więcej wymiarach, pełną charakterystykę ich geometrii oraz mechaniki i uogólniono wiele własności globalnej teorii czarnych dziur do teorii kwazilokalnej (w tym twierdzenie Hawkinga o sztywności czarnej dziury i jedyność ekstremalnego horyzontu Kerra). Znaleziono nowe rozwiązania równań Einsteina–Maxwella, które dziś są nazywane Near Horizon Geometry. Wyniki te znajdują zastosowanie w matematycznej teorii grawitacji oraz w kontekście tematyki znanej jako Kerr/CFT correspondence.
Na początku lat 90. Lewandowski rozpoczął prace nad konstrukcją kwantowej teorii grawitacji. Za punkt wyjścia przyjął koncepcję zwaną pętlową grawitacją kwantową (PGK), ponieważ za cel stawiała wykorzystanie teorii koneksji oraz spinorowego sformułowania teorii grawitacji – metod mających swoje źródła w pracach Plebańskiego i Trautmana. Sama PGK, zaproponowana przez Carlo Rovelliego i Lee Smolina z wykorzystaniem zmiennych Ashtekara, była wówczas zbiorem heurystycznych idei. Brakowało w niej nowego pomysłu na zdefiniowanie kluczowych elementów teorii kwantowej, takich jak stan kwantowy i przestrzeń Hilberta. Lewandowski stworzył nowy formalizm, w którym pętle zostały zamienione przez sieci (networks). Zastosował formalizm do definicji miary na przestrzeni (uogólnionych) koneksji i przestrzeni Hilberta stanów kwantowych PGK. Rezultaty te zmieniły PGK w ściśle sformułowaną nową teorię. Lewandowski razem z Ashtekarem stworzyli podstawy geometrii kwantowej zgodnej z PGK. Niezwykłą cechą ich konstrukcji jest brak nieskończoności typowych dla kwantowej teorii pola. W serii wspólnych prac napisanych w latach 1993–1997 zdefiniowali kwantową reprezentację grawitacyjnych zmiennych kanonicznych, operatory pola powierzchni i objętości, przestrzeń Hilberta rozwiązań kwantowych więzów wektorowych i stany koherentne będące głównymi narzędziami współczesnej PGK. Dołączyli do nich kolejni młodsi badacze, w tym Don Marolf, Thomas Thiemann i Jose Mourao. Formalizm sieciowy podchwycili także doświadczeni kwantowi relatywiści – Carlo Rovelli i John Baez. Lewandowski wraz z kolejnymi uczniami kontynuował prace nad PGK. Analiza kwantowego modelu czarnej dziury przeprowadzona wspólnie z doktorantem Marcinem Domagałą zmieniła wyobrażenia na temat kwantowej entropii czarnej dziury zgodne z modelem Wheelera: znaleziono wszystkie stany kwantowe horyzontu i poprawiono istotny błąd we wcześniejszych obliczeniach Baeza i Ashtekara.
Wspólnie z doktorantem (obecnie pracownikiem Katedry) Andrzejem Okołowem oraz Hanno Sahlmannem i Tomasem Thiemannem, Lewandowski udowodnił jednoznaczność próżni w PGK. W serii prac z kolejnymi doktorantami, Wojciechem Kamińskim i Łukaszem Szulcem oraz byłym doktorantem Tomaszem Pawłowskim, skonstruowano nowe modele kosmologii kwantowej i wykorzystano je do zbadania właściwości kwantowej czasoprzestrzeni. Kluczowymi koncepcyjnymi problemami były tu rekonstrukcja czasoprzestrzeni z kwantowych obserwabli Diraca, wyłonienie się kwantowego czasu, znaczenie znaku stałej kosmologicznej dla samosprzężoności operatora kwantowej ewolucji i dla właściwości obserwabli.
W 2009 roku Lewandowski i jego doktoranci: Kamiński, Marcin Kisielowski i Jacek Puchta rozszerzyli zakres badań z kanonicznej grawitacji kwantowej do sformułowania teorii przy wykorzystaniu metody Feynmana sumowania po historiach kwantowych, które w przypadku PGK jest znane jako teoria pian spinowych. Uogólnili definicję Engle–Pereira–Rovelli–Livine amplitudy z czterosympleksu do dowolnego wierzchołka i obliczyli amplitudę piany. Trudnym matematycznie i doniosłym wynikiem jest dowód skończoności amplitudy wierzchołkowej przy przejściu z teorii euklidesowej do lorentzowskiej, przeprowadzony przez Wojciecha Kamińskiego.
Marek Demiański od wielu lat zajmuje się astrofizyką relatywistyczną i kosmologią. W latach 90. badał proces akrecji materii na obracające się czarne dziury i gwiazdy neutronowe z uwzględnieniem oddziaływania promieniowania, szczególnie wysokoenergetycznego promieniowania gamma emitowanego przez dysk akrecyjny z akreowaną materią. Przez wiele lat badał również proces powstawania struktury w rozkładzie materii we wszechświecie. Na początku lat 90. amerykański satelita COBE odkrył fluktuacje temperatury promieniowania reliktowego. W standardowym modelu kosmologicznym fluktuacje te są związane z fluktuacjami gęstości materii barionowej. Zmierzona amplituda tych fluktuacji była ważnym elementem warunków początkowych dla procesu kondensacji materii w pierwsze obiekty astronomiczne.
Ważnych informacji o rozkładzie zwykłej materii, która nie utworzyła galaktyk i gromad galaktyk, dostarcza badanie linii absorpcyjnych Lyman-alfa w widmach bardzo dalekich kwazarów. Analizując bardzo obszerny materiał obserwacyjny i wykorzystując również dane z własnych obserwacji, Demiański i Doroszkiewicz byli w stanie odtworzyć widmo pierwotnych zaburzeń gęstości „ciemnej materii” w bardzo małej skali. Za te badania obaj otrzymali Medal Gamowa.
Duże nadzieje na bardziej drastyczne ograniczenie przestrzeni parametrów modeli „ciemnej energii” są związane z obserwacjami bardzo dalekich błysków gamma. Demiański aktywnie uczestniczy w pracach nad wykorzystaniem błysków gamma jako źródła informacji o naturze „ciemnej energii”. Od wielu lat współpracuje on także z zespołem związanym z europejskim satelitarnym obserwatorium Planck, które od niedawna prowadzi obserwacje promieniowania reliktowego. Wstępne dane pozwalają przypuszczać, że satelita Planck zmierzy stopień polaryzacji promieniowania reliktowego, co pozwoli na dokładniejsze poznanie procesów, które zachodziły w bardzo wczesnych fazach ewolucji wszechświata, w szczególności narzuci nowe ograniczenia na proces kosmicznej inflacji.
Od końca XX wieku nastąpiły istotne zmiany. Katedra Fizyki Matematycznej przestała istnieć. Na emeryturę formalnie odeszli profesorowie Bażański, Kopczyński, Trautman i Demiański (który kierował Katedrą w latach 2003–2008). Od 2008 roku Katedrą Teorii Względności i Grawitacji kieruje profesor Jerzy Lewandowski.
W 1966 roku w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW został utworzony Zakład Biofizyki. Inicjatorem Zakładu i jego wieloletnim kierownikiem był wybitny biofizyk, profesor David Shugar (1915–2015), twórca biologii molekularnej w Polsce. Urodził się on w Polsce, ale od wczesnego dzieciństwa wychowywał w Kanadzie, gdzie ukończył studia na McGill University w Montrealu. Po wojnie pracował m.in. w Instytucie Pasteura w Paryżu i na Université Libre de Bruxelles. Do Polski wrócił w 1952 roku za namową Leopolda Infelda.
Tematyka badań prowadzonych w Zakładzie skupia się, w większości, wokół kluczowych dziedzin biofizyki molekularnej: 1) ekspresji genów zawartych w makrocząsteczkach kwasów deoksynukleinowych (DNA) do powstawania zasadniczych produktów odczytywania informacji genetycznej, jakimi są makrocząsteczki białek enzymatycznych, białkowych czynników sterujących procesami komórkowymi i kwasy rybonukleinowe (RNA), 2) oddziaływań międzycząsteczkowych i tworzenia funkcjonalnych kompleksów molekularnych, 3) procesów bioenergetycznych, 4) wewnątrzkomórkowego transportu cząsteczek.
Znaczna część prac badawczych łączy się z poznawaniem struktur i dynamiki makrocząsteczek i uwarunkowanych przez nie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw aktywności biologicznej białek, kwasów nukleinowych oraz ich fragmentów (zasad azotowych, nukleozydów i nukleotydów), w tym modyfikowanych chemicznie, o potencjalnym działaniu przeciwnowotworowym, przeciwwirusowym i przeciwbakteryjnym.
W badaniach doświadczalnych są stosowane głównie metody spektroskopii molekularnej, w tym spektroskopii emisyjnej (fluorescencji) i magnetycznego rezonansu jądrowego (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), dyfrakcji rentgenowskiej, spektrometrii masowej, mikrokalorymetrii, powierzchniowego rezonansu plazmonowego (Surface Plasmon Resonance, SPR), różnorodne metody syntez chemicznych oraz współczesne techniki biologii molekularnej (inżynierii genetycznej). W badaniach teoretycznych wykorzystuje się komputerowe techniki obliczeniowe, przede wszystkim metody molekularnej mechaniki kwantowej, mechaniki molekularnej z metodami klasycznych „pól siłowych” oraz metody fizyki statystycznej, związanej z generowaniem zespołów statystycznych metodami Monte Carlo, a także symulacje klasycznej i klasyczno-kwantowej dynamiki molekularnej (molecular dynamics, MD).
Pracownicy Zakładu Biofizyki to głównie (bio)fizycy, ale są też osoby o wykształceniu chemiczno-biologicznym. Obecność w jednym zespole badaczy o różnych specjalizacjach umożliwia szersze spojrzenie na podejmowaną problematykę badawczą oraz powstawanie prac eksperymentalno-teoretycznych. Poniżej opisano najważniejsze wyniki badań uzyskane w Zakładzie Biofizyki.
1. Badanie zjawiska tautomerii, czyli możliwości różnego usytuowania protonów w cząsteczkach typowych i nietypowych zasad nukleinowych oraz laboratoryjnie budowanych pochodnych. Badanie zależności sposobu tej lokalizacji od rodzaju środowiska, specyficznych oddziaływań międzycząsteczkowych i stanu wzbudzenia cząsteczki. Różne usytuowanie protonów (tautomeria) prowadzi do zmiany sposobu oddziaływania pomiędzy zasadami nukleinowymi, co z kolei może powodować błędne przekazywanie informacji genetycznej (mutacje) wywołujące często różne procesy chorobotwórcze. Zespół profesora Shugara należał w tej dziedzinie do ścisłej światowej czołówki. Powierzono mu (wraz z Anną Psodą) opracowanie rozdziału w Encyklopedii Landolta-Börnsteina297.
2. Wyznaczanie stabilnych struktur przestrzennych typowych nukleozydów (podjednostek) DNA i RNA oraz ich różnorodnie modyfikowanych pochodnych i analogów.
3. Badania stabilności kompleksów polinukleotydowych nici DNA i RNA w zależności od chemicznego składu roztworu, w którym mogą się znajdować, lub od przeprowadzanych modyfikacji określonych elementów strukturalnych.
4. Badanie oddziaływań międzycząsteczkowych zasad nukleinowych oraz ich różnie modyfikowanych pochodnych, prowadzące do wyznaczenia energetycznej i geometrycznej charakterystyki, możliwych do utworzenia kompleksów.
5. Badanie wpływu promieniowania ultrafioletowego na zaburzenia budowy podjednostek kwasów nukleinowych.
6. Badanie oddziaływań pomiędzy końcem 5' mRNA, tzw. kapem, oraz rozpoznającymi kap białkami regulatorowymi – istotnymi dla inicjacji biosyntezy białka.
Do najważniejszych wyników badań należą: wykazanie, że oddziaływania typu wiązań wodorowych mogą zmienić równowagę tautomeryczną oraz wyznaczenie stałych równowagi tautomerycznej szeregu pierścieni azotowych w fazie gazowej, co umożliwiło weryfikację dokładności obliczeń energii fragmentów molekularnych kwasów nukleinowych metodami mechaniki kwantowej.
Badania konformacji różnie modyfikowanych podjednostek kwasów nukleinowych (nukleozydów i nukleotydów) są istotne dla zrozumienia działania i poszukiwania nowych środków przeciwnowotworowych, przeciwbakteryjnych i przeciwwirusowych. Przykładem może tu być: wyznaczenie struktury przestrzennej arabinocytozyny (lek przeciwwirusowy), opracowanie nowej metody wyznaczania konformacji nukleozydów i nukleotydów purynowych na podstawie przesunięć chemicznych widm 1H magnetycznego rezonansu jądrowego, wyznaczenie struktury przestrzennej w roztworze wodnym szeregu acyklicznych nukleozydów o działaniu przeciwwirusowym298. Trzeba także wymienić opracowanie nowej, taniej metody syntezy cząsteczki 2-CdA – leku stosowanego m.in. w niektórych rodzajach białaczek oraz wprowadzenie go do terapii w polskich klinikach, co jest w głównej mierze zasługą Zygmunta Kazimierczuka299. Ustalono cykl przemian fotochemicznych i zidentyfikowano nieznane fotoprodukty kwasu orotowego (analog podjednostki kwasu nukleinowego).
Badania białek skupiają się wokół zrozumienia przebiegu procesów biochemicznych na poziomie molekularnym, na podstawie analizy oddziaływań prowadzących do utworzenia kompleksów molekularnych: białko-niskocząsteczkowy ligand i białko-RNA. W tym szerokim temacie są prowadzone badania kilku zagadnień.
Na początku lat 90. został sformułowany zależny od czasu model kwantowo-klasycznej dynamiki molekularnej (Quantum-Classical Molecular Dynamics, QCMD) opisujący m.in. proces przeniesienia protonu lub elektronu w układach molekularnych. W tym modelu dynamika cząstek kwantowych jest opisana zależnym od czasu równaniem Schrodingera, ze zmiennym w czasie potencjałem, który jest wyznaczany na podstawie znajomości położenia ciężkich, klasycznych atomów. Ruchy tych atomów podlegają z kolei prawom dynamiki klasycznej z siłami wyznaczanymi na podstawie twierdzenia Hellmanna-Feynmana rozszerzonego przez autorów na procesy niestacjonarne. Opracowano odpowiednie programy komputerowe dla architektury skalarnej, wektorowej i masywnie równoległej. Po raz pierwszy, wychodząc prawie całkowicie z pierwszych zasad fizyki, wykonano symulacje początkowego etapu jednej z reakcji enzymatycznych300.
Powyższe badania, wraz z graficznymi rozwiązaniami wizualizacyjnymi, opracowanymi w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania UW (ICM, dr Krzysztof Nowiński) zostały uhonorowane w 1995 roku nominacją do corocznej nagrody Computerworld Smithsonian Awards w dziedzinie nauki, znajdując się w piątce finalistów. Dokumentacja pracy została włączona do stałej kolekcji „Information Age” Smithsonian National Museum w Waszyngtonie.
Doświadczalne badania enzymów (ściśle powiązane z teoretyczną analizą reakcji enzymatycznych) skupiają się wokół zrozumienia przebiegu katalizy enzymatycznej na poziomie molekularnym oraz na oddziaływaniach niewielkich cząsteczek z wybranymi enzymami, prowadzących do zablokowania prawidłowego funkcjonowania enzymu. Cząsteczki takie, zwane inhibitorami, często są lub mogą być lekami w wielu chorobach bakteryjnych, wirusowych, nowotworowych czy też wspomagać leczenie zaburzeń metabolicznych. Badaniom doświadczalnym towarzyszą prace związane z tzw. komputerowym wspomaganiem projektowania leków.
Badane enzymy to kluczowe dla przemian metabolicznych kwasów nukleinowych: fosforylazy nukleozydów purynowych (PNP), kinazy nukleozydowe oraz deaminaza adenozynowa, a także enzym (proteaza) niezbędny do rozmnażania się wirusa HIV-1 (związanego z chorobą AIDS). Badania pierwszych dwóch grup enzymów uzyskały poparcie 5-letniego grantu Howard Hughes Medical Institute (USA). Uzyskano kryształy oraz wyznaczono strukturę przestrzenną (dyfrakcja rentgenograficzna) PNP (ze śledziony), a także wykryto zaskakujące substraty PNP301.
Badania w dziedzinie bioenergetyki dotyczyły molekularnych mechanizmów przenoszenia elektronów i protonów z udziałem cząsteczek NAD i NADP kluczowych w procesie fotosyntezy i oddychania tlenowego. Wykorzystując laserową technikę fleszową, zidentyfikowano po raz pierwszy katiorodnik – produkt fotojonizacji koenzymu NADH oraz jego pochodnych.
W latach 1996–2015 nastąpiło rozszerzenie zakresu tematycznego i metodologii badań prowadzonych w Zakładzie. Było to związane z przesunięciem zainteresowań w stronę coraz większych obiektów molekularnych, kompleksów białko-białko i białko-RNA oraz intensywnym rozwojem technik komputerowych (superkomputery) w zakresie projektowania molekularnego i bioinformatyki. Zakład Biofizyki wykorzystał szerokie możliwości finansowania w ramach funduszy międzynarodowych oraz środków z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. W okresie 1996–2015 w Zakładzie realizowano ponad 20 projektów badawczych, w tym projekt „The Wellcome Trust” o charakterze wdrożeniowym w zakresie poszukiwania środków chemioterapeutycznych (koordynator polski: profesor Edward Darżynkiewicz), oraz uczestniczono w dwóch Programach Operacyjnych Innowacyjnej Gospodarki: „Fizyka u podstaw nowych technologii – rozwój nowoczesnej infrastruktury badawczej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego” (POIG.02.01.00–14–122/09) oraz „Krajowe Laboratorium Multidyscyplinarne Nanomateriałów Funkcjonalnych – NanoFun” (POIG 02.02.00–00–025/09).
W opisie działalności Zakładu Biofizyki w tym okresie profesor Stolarski wymienił następujące tematy:
1. Biofizyka specyficznych oddziaływań białek i fragmentów kwasów nukleinowych RNA w procesach translacji, składania mRNA (splicing) i transportu w komórkach (Stolarski).
2. Synteza chemiczna oligonukleotydowych analogów końca 5' mRNA i ich biologiczna funkcja w procesach ekspresji genu w eukariotach (profesor Edward Darżynkiewicz).
3. Stosowanie i rozwijanie metod relaksacyjnych i metod symulacji komputerowych do badania struktury, dynamiki i funkcjonowania biopolimerów i analiza właściwości wybranych układów biomolekularnych (profesor Jan Antosiewicz).
4. Rozwijanie i zastosowania wieloskalowych metod molekularnego modelowania i bioinformatyki (profesor Bogdan Lesyng).
5. Identyfikacja i charakterystyka struktury ligandów w miejscach aktywnych enzymów za pomocą spektroskopii emisyjnej; wpływ czynników stresowych na strukturę i własności spektralne tylakoidów roślin (profesor Borys Kierdaszuk).
6. Biofizyczne podstawy działania fosforylaz nukleozydów purynowych oraz synteza i badania biologiczne ich inhibitorów o potencjalnym znaczeniu farmakologicznym (profesor Maria Agnieszka Bzowska).
7. Badania mechanizmów zwijania de novo i konkurencji między prawidłowym zwijaniem oraz agregacją białek o znaczeniu medycznym i biotechnologicznym (dr hab. Beata Wielgus-Kutrowska).
Uzyskane wyniki i ich znaczenie poznawcze najlepiej ilustruje fakt, że kilkanaście publikacji, które powstały z udziałem pracowników Zakładu Biofizyki osiągnęło ponad setkę cytowań – wśród nich i taka, która osiągnęła ponad 500 cytowań302, oraz prace303 z ponad 300 cytowaniami każda.
Profesor Stolarski podkreślił, że osiągnięte wyniki badań mają znaczenie nie tylko poznawcze w szeroko rozumianych obszarach „bio”. Nowym aspektem staje się praktyczne wykorzystanie rezultatów badań podstawowych w farmakologii (projektowanie leków) i biotechnologii, wyrażane wzrastającą liczbą zgłoszonych i uzyskanych patentów304.
Porozumienie między Uniwersytetem Warszawskim a Louisiana State University, określające prawa i udziały w zgłoszeniach patentowych PCT/US2008/67494 i PCT/US2009/046249, było podstawą sprzedaży licencji firmie BioNTech, Mainz, Niemcy, Ribological GmbH (Mainz, Niemcy), która podjęła badania kliniczne i wdrożenie opatentowanych analogów kapu.
Warto podkreślić, że w ostatnich latach zostały otwarte dwie nowe specjalności: „Biofizyka molekularna” i „Projektowanie molekularne i bioinformatyka”, w ramach nowego, interdyscyplinarnego kierunku studiów I stopnia i II stopnia „Zastosowania fizyki w biologii i medycynie”, który jest finansowany z Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Na wniosek Zakładu Biofizyki Centralna Komisja przyznała Instytutowi Fizyki Doświadczalnej UW uprawnienia do nadawania stopnia doktora w dziedzinie nauk fizycznych w dyscyplinie biofizyka.
Niezwykle owocną inicjatywą popularyzatorską nie tylko biofizyki, lecz wielu dyscyplin matematyczno-przyrodniczych i humanistycznych okazał się Festiwal Nauki Polskiej, zainicjowany przez profesora Davida Shugara i dr. hab. Macieja Gellera (1941–2014), który był nieprzerwanie dyrektorem Festiwalu w latach 1997–2013.
Profesor David Shugar kierował Zakładem Biofizyki w latach 19661972. Następnie kierownikami Zakładu byli: Magdalena Fikus (1972–1976), Barbara Czochralska (1976–1980), Ewa Kulikowska (1980–1983), Bogdan Lesyng (1983–1985), Mieczysław Remin (1985–1988), ponownie Bogdan Lesyng (1988–1994) oraz Ryszard Stolarski (od marca 1994).
Pracownia Fizyki Medycznej w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW rozpoczęła działalność w 1976 roku. Była to reakcja na widoczne w świecie coraz powszechniejsze wykorzystywanie techniki w medycynie, a także upowszechnianie komputerów oraz ilościowego podejścia do zagadnień medycznych. Pracownią kierowała najpierw profesor Ewa Skrzypczak, a w roku 1982 kierownictwo Pracowni objęła Katarzyna Cieślak-Blinowska, która rozpoczynała karierę w fizyce jądra atomowego, ale potem zmieniła zainteresowania i habilitowała się z zagadnień analizy cyfrowej procesów fizjologicznych. Zadaniem Pracowni było rozwijanie i propagowanie nowych metod, które można zastosować w medycynie i biologii, oraz kształcenie specjalistów do pracy w tych dziedzinach. W 2004 roku Pracownia została przekształcona w Zakład Fizyki Biomedycznej.
W pierwszym okresie działalności w Pracowni Fizyki Medycznej zajmowano się analizą różnego typu sygnałów fizjologicznych (elektroencefalogramów, potencjałów wywołanych, elektromiogramów, elektroretinogramów, fonotyreogramów) oraz statystycznym opracowaniem danych medycznych. Wprowadzono po raz pierwszy w Polsce do badań medycznych metody analizy wielu zmiennych: analizę czynnikową, analizę skupień i analizę dyskryminacyjną, które następnie zostały rozpowszechnione w środowisku medycznym. Te metody zastosowano (często w połączeniu z analizą sygnałów) m.in. w diagnostyce okulistycznej i diagnostyce chorób mięśni, a także do oceny wpływu leków oraz oceny testów psychiatrycznych. Następnym etapem metodycznym w dziedzinie klasyfikacji było zastosowanie zbiorów rozmytych.
W dziedzinie analizy sygnałów zaczęto od analizy fourierowskiej (fast Fourier transform, FFT), wykorzystując ją np. do diagnozowania chorób tarczycy na podstawie fonotyreogramu. Na początku lat 80. zastąpiono FFT modelem autoregresyjnym (autoregressive model, AR), który następnie rozwijano głównie w zastosowaniu do badania czynności elektrycznej mózgu. Opracowano metodę FAD, w której zamiast konwencjonalnych parametrów modelu, niemających interpretacji fizjologicznej, występują parametry opisujące częstość, amplitudę i tłumienie składowych sygnału.
Autoregresyjny model wielokanałowy (MVAR) był znany teoretycznie, ale w praktyce stosowano go najczęściej do jednego, niekiedy dwu kanałów. Opracowano więc algorytm dla dowolnej liczby kanałów odprowadzeń elektroencefalograficznych. Opracowano także algorytmy obliczania koherencji zwykłych, cząstkowych i wielorakich. Wcześniej badania czynności mózgu były oparte praktycznie na koherencjach zwykłych, jednak udowodniono, że są one mało selektywne w porównaniu z koherencjami cząstkowymi. Wprowadzono nowy estymator – kierunkową funkcję przejścia (Directed Transfer Function, DTF), pozwalający na określenie składu widmowego i kierunku propagacji czynności EEG. Wyżej wymienione metody stały się bardzo aktualne w związku ze zrozumieniem informacyjnej roli synchronizacji czynności elektrycznej mózgu. Opracowane w Pracowni Fizyki Medycznej metody wielokanałowej analizy EEG znalazły zastosowanie do badania mechanizmów percepcji u zwierząt, badania przepływu informacji w strukturach mózgu w różnych stanach behawioralnych, lokalizacji ognisk padaczkowych, badania obrazu snu dla zdrowych i psychicznie chorych oraz badania odpowiedzi na bodziec sensoryczny.
Nowym kierunkiem w analizie sygnałów była transformata falkowa i jej generalizacja: metoda dopasowania kroczącego (matching pursuit, MP), zaproponowana w 1993 roku. Już w 1994 roku Katarzyna Cieślak-Blinowska i Piotr Durka opublikowali306 pierwsze jej zastosowanie do sygnału fizjologicznego. Metoda ta pozwala w ramach jednego formalizmu opisywać czynność rytmiczną oraz struktury przejściowe sygnału (transients), a ponadto zapewnia wysoką rozdzielczość czasowo-częstościową i daje parametryczny opis sygnału w postaci zrozumiałych dla medyka lub biologa wielkości, takich jak: częstość, czas wystąpienia, czas trwania, amplituda. Metoda została ulepszona poprzez zastosowanie słowników stochastycznych307. Był to ważny wkład w jej rozpropagowanie nie tylko w Polsce, ale i na świecie. Następnym krokiem było wprowadzenie wielokanałowej metody MP, która znalazła zastosowanie do rozwiązywania problemu odwrotnego, tzn. znajdowania źródeł czynności elektrycznej mózgu na podstawie pomiaru potencjałów na powierzchni czaszki. Metoda ta została wykorzystana do identyfikacji ognisk epileptycznych.
Metoda MP zastosowana do sygnału emisji otoakustycznych (otoacoustic emission, OAE – słaby sygnał emitowany przez ucho po bodźcu, a niekiedy również spontanicznie) pozwoliła potwierdzić teorię rezonansowej percepcji słuchowej. Mianowicie ucho wewnętrzne odpowiada na bodziec o określonej częstości przez generację kilku modów rezonansowych, przy czym te najbardziej zbliżone do częstości pobudzającej mają największe amplitudy. Mody rezonansowe są inne dla każdego człowieka i inne dla prawego i lewego ucha. Interesujące jest, że stosunki częstości modów rezonansowych w danym uchu pozostają do siebie w stosunkach odpowiadających diatonicznej skali muzycznej308.
Tematyka badań prowadzonych w Zakładzie Fizyki Biomedycznej obejmuje analizę i modelowanie sygnałów biomedycznych, szczególnie sygnałów związanych z aktywnością układu nerwowego. W drugiej połowie lat 90. rozwijano metody estymacji propagacji sygnałów w systemach wielokanałowych, metody czas–częstość i modelowanie czynności elektrycznej mózgu. Badania dotyczyły napadów padaczkowych, klasyfikacji stadiów snu, potencjałów wywołanych bodźcem zewnętrznym lub endogennym, badania analizy informacji przez mózg w zadaniach motorycznych i kognitywnych, rozwiązywania problemu odwrotnego (lokalizacja źródeł aktywności w mózgu), badania zjawisk percepcji dźwięku i interfejsu mózg–komputer.
Badany jest także problem przetwarzania informacji w mózgu i transmisji aktywności pomiędzy jego strukturami (Katarzyna Blinowska, Maciej Kamiński, Rafał Kuś). W 1991 roku wprowadzono na podstawie wielokanałowego modelu autoregresyjnego (MVAR) kierunkową funkcję przejścia (DTF)309, która pozwala określać propagację aktywności elektrycznej w funkcji częstości. Następnie z użyciem DTF wyznaczono wzorce propagacji EEG w różnych stadiach snu i w czuwaniu oraz transmisję między strukturami mózgu w czasie lokomocji u zwierząt doświadczalnych. Wprowadzono także bezpośrednią kierunkową funkcję transmisji (direct Directed Transfer Function, dDTF) i krótkoczasową funkcję przejścia (Short-time Directed Transfer Function, SDTF). Funkcja dDTF jest szczególnie przydatna w badaniach sygnałów pochodzących z elektrod implantowanych, natomiast SDTF estymuje transmisję aktywności w funkcji czasu i częstości, dlatego nadaje się doskonale do badania dynamicznego przetwarzania informacji w mózgu. W 2004 roku wykazano310, że powszechnie stosowane dwukanałowe estymaty propagacji dają błędne wyniki. Te osiągnięcia sprawiły, że funkcja DTF zaczęła być powszechnie stosowana na świecie jako podstawowe narzędzie badania tzw. functional connectivity. W chwili obecnej publikacja dotycząca wprowadzenia funkcji DTF doczekała się 590 cytowań (wg Google Scholar, marzec 2015) i stała się jedną z podstawowych metod wchodzących w skład dostępnych w sieci pakietów dotyczących analizy sygnałów. Sukces tej metody wynika stąd, że DTF wypełnia istotną lukę dotyczącą związku między aktywnymi strukturami mózgu i wzajemnej krótkoczasowej transmisji informacji. Badania prowadzone w Zakładzie Fizyki Biomedycznej pozwoliły m.in. określić wzorce transmisji między strukturami mózgu w czasie wykonywania czynności motorycznej i jej wyobrażeniu, przy czym wyobrażenie czynności wymagało zaangażowania większych obszarów kory czuciowo-ruchowej i wzajemnej powtarzającej się transmisji między strukturami, podczas gdy w czasie wykonywania ruchu aktywna była tylko pierwotna kora ruchowa, a właściwie jej część odpowiadająca danej kończynie.
Przeprowadzone w Zakładzie Fizyki Biomedycznej badania kognitywne dotyczyły testu uwagi ciągłej, podczas którego na obserwowane obrazy geometryczne należało reagować naciśnięciem przełącznika w przypadku dwu identycznych wzorców powtarzające się bezpośrednio jeden za drugim (sytuacja target) lub nie reagować w przypadku różnych obrazów (sytuacja non-target). Za pomocą funkcji SDTF zbadano dynamicznie zmieniające się wzorce transmisji, które wyraźnie różniły się w obu przypadkach. Najbardziej interesująca była obserwacja w sytuacji non-target propagacji aktywności EEG ze struktur odpowiadających za hamowanie do elektrody znajdującej się nad pierwotną korą ruchową, co potwierdziło rolę tych struktur w mechanizmach aktywnej inhibicji311.
Obecnie popularne stało się stosowanie teorii grafów do kwantyfikacji połączeń między strukturami mózgu. Na podstawie miar opartych na dwukanałowych estymatach współzależności otrzymuje się wzorce połączeń bliskie strukturom losowym. Wynika to z błędów metodycznych, ponieważ w przypadku aktywności rozchodzącej się z danego źródła i mierzonej z N odprowadzeń, stosując dwukanałowe miary współzależności, otrzymuje się N prawdziwych i N²/2 fałszywych połączeń. Estymaty wielokanałowe stosowane w ZFB dają bardzo czytelne, dalekie od losowości wzorce połączeń312 oraz identyfikują źródła aktywności zgodne z neuroobrazowaniem. W eksperymencie dotyczącym pamięci roboczej stwierdzono, że dominującym obrazem dynamiki połączeń jest krótkozasięgowa wymiana informacji w specyficznych centrach, a centra te porozumiewają się przez transmisję dalekozasięgową tylko w określonych momentach czasu313.
Funkcja DTF jest oparta na wielokanałowym modelu autoregresyjnym (MVAR). Czterokanałowy model MVAR zastosowano do kodowania informacji genetycznej. Na podstawie współczynników modelu udało się skonstruować drzewo filogenetyczne globin. Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie314. Funkcję DTF można stosować nie tylko do sygnałów ciągłych, ale również do procesów punktowych, np. ciągów potencjałów iglicowych, jak pokazał eksperyment przeprowadzony przez Macieja Kamińskiego we współpracy z Uniwersytetem Harvarda.
We współpracy z IFT UW wykonywano badania procesów fizycznych w błonach monomolekularnych. Został opracowany ekscytonowy model efektywnego transferu energii w cienkich błonach, zweryfikowany następnie przez badania symulacyjne.
Wyrazem uznania środowiska międzynarodowego dla osiągnięć Pracowni Fizyki Medycznej w dziedzinie metodyki analizy sygnałów były zaproszenia do opracowania artykułów przeglądowych i rozdziałów w monografiach315. Wydana przez CRC Press monografia poświęcona analizie sygnałów biomedycznych stała się poczytnym podręcznikiem dla studentów i naukowców na całym świecie316. Wyrazem uznania dla późniejszego Zakładu Fizyki Biomedycznej stały się również zaproszenia do konsorcjów projektów Wspólnoty Europejskiej: NEUROMATH (zaawansowana multimodalna analiza sygnałów biomedycznych), BRAIN (konstrukcja interfejsu mózg-komputer) i DECIDE (udostępnienie przez strukturę GRID-u metod analizy obrazów i sygnałów na potrzeby medycyny).
Innym kierunkiem badań rozwijanych w Zakładzie jest modelowanie i symulacja procesów biologicznych. Jedną z pierwszych prac w tej dziedzinie był symulacyjny model czynności elektrycznej mięśni. Oprócz modeli sieci neuronalnych imitujących zachowanie realnych neuronów, były prowadzone również prace nad zastosowaniem sztucznych sieci neuropodobnych do celów klasyfikacji i rozpoznawania. W późniejszych latach w Zakładzie Fizyki Biomedycznej rozwijano przede wszystkim metody modelowania czynności elektrycznej mózgu z zastosowaniem modeli populacyjnych. W tym podejściu nie modeluje się czynności pojedynczych neuronów, lecz średnie własności ich populacji opisane przez zmienne dynamiczne. Modele te korzystają ze znanych parametrów fizjologicznych i uwzględniają strukturę połączeń. Zaletami modeli populacyjnych są: możliwość porównania wyników modelu z mierzonymi doświadczalnie sygnałami; możliwość zastosowania metod analitycznych do badania zachowania modelu; przejrzystość – składowe modelu odpowiadają anatomicznie lub funkcjonalnie wyróżnionym częściom modelowanej struktury. Takie realistyczne modele pozwalają określić parametry, od których w sposób zasadniczy zależy działanie danego systemu, oraz przewidywać możliwe zachowania złożonych dynamicznych układów neuronalnych. Ponadto modele umożliwiają symulację eksperymentów niemożliwych do wykonania w rzeczywistości, co prowadzi do głębszego zrozumienia mechanizmów, którym podlega dany układ. Te badania modelowe były powiązane z przeprowadzanymi w Zakładzie badaniami (np. model generacji wrzecion snu317).
Ważnym z klinicznego punktu widzenia zagadnieniem jest wyjaśnienie zjawiska powstawania napadu padaczkowego i oceny możliwości jego przewidywania. Prace modelowe dotyczące tego zagadnienia prowadził Piotr Suffczyński (doktorat 2000, habilitacja 2011) we współpracy z Centrum Epilepsji w Amsterdamie318. Populacyjny model generacji czynności napadowej w zależności od parametrów i poziomów sygnałów wejściowych wykazywał dwa podstawowe rodzaje aktywności: czynność normalną EEG o częstości około 11 Hz i oscylacje typu padaczkowego. Przy niskiej wartości wejścia model generował sygnały odpowiadające spoczynkowemu EEG, natomiast przy wysokiej amplitudzie sygnału wejściowego występowała czynność padaczkowa. Przy pośrednich wartościach wejścia model wykazywał zachowanie bistabilne – przejścia między czynnością normalną i padaczkową występowały bez zmiany parametrów. Fluktuacje szumu wystarczały, aby system przechodził od jednego do drugiego stanu.
W nowoczesnym laboratorium sygnałów bioelektrycznych Zakładu Fizyki Biomedycznej są prowadzone eksperymenty naukowe, np. modelowanie i analiza biosygnałów (elektroencefalogram EEG, magnetoencefalogram MEG, potencjały wywołane ERP, elektrokortykogram ECoG, lokalne potencjały polowe LFP, emisje otoakustyczne OAE), przy czym niektóre z tych sygnałów są pozyskiwane w eksperymentach prowadzonych za granicą (MEG) lub przez wyspecjalizowane instytucje krajowe (LFP, OAE). Rozwijane są metody określania źródeł wybranych aktywności w mózgu oraz dynamicznych wzorców propagacji sygnałów. Dzięki temu jest możliwe np. badanie procesów przepływu informacji w mózgu oraz adaptacyjna parametryzacja sygnałów w dziedzinie czas-częstość (algorytm matchingpursuit), umożliwiająca m.in. unifikację metod matematycznych z tradycją wzrokowej analizy EEG.
Wyniki tych badań stosuje się m.in. w konstrukcji interfejsów mózg-komputer (brain-computer interfaces, BCI). W roku 2008 został przeprowadzony pierwszy w Polsce publiczny pokaz działania BCI, a na targach CeBIT w roku 2012 prezentowano najszybszy BCI oparty na nowatorskich rozwiązaniach. W roku 2013 system stworzony w Zakładzie Fizyki Biomedycznej prezentowano na wystawie MÓZG w PKiN.
Profesor Cieślak-Blinowska kierowała Pracownią, potem Zakładem Fizyki Biomedycznej do 28 II 2009 roku, następnie kierownictwo objął profesor Piotr Durka (1 III 2009–28 II 2013), a od 1 III 2013 roku kierownikiem jest dr hab. Jarosław Zygierewicz.
W okresie międzywojennym tylko na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie istniał Instytut Geofizyki i Meteorologii, kierowany przez profesora Henryka Arctowskiego, na Uniwersytecie Stefana Batorego w Wilnie był zaś Zakład Meteorologii, kierowany przez profesora Kazimierza Jantzena. Na pozostałych uniwersytetach geofizyki nie było. Dopiero w 1938 roku Irena Bobrówna319, jedna z pierwszych asystentek Stefana Pieńkowskiego, doprowadziła do uruchomienia w podziemiach Pałacu Kazimierzowskiego obserwatorium sejsmologicznego, które przetrwało okres wojny i okupacji.
Po wojnie w programie studiów UW pojawiły się wykłady z przedmiotów geofizycznych. W roku akademickim 1946/1947 dr Irena Bobrówna prowadziła Wykłady z sejsmologii, a dr Teodor Kopcewicz – Wybrane działy z fizyki atmosfery320.
Formalny początek geofizyki nastąpił w 1948 roku, kiedy na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UW powstał Zakład Geofizyki321, kierowany przez Kopcewicza322, wychowanka Hożej. Wykłady z fizyki atmosfery, geofizyki stosowanej i sejsmologii prowadził wyżej wymieniony oraz dr Tadeusz Olczak i dr Irena Bóbr-Modrakowa323.
50. Edward Stenz
Tymczasem w lecie 1948 roku powrócił do Warszawy z Afganistanu zasłużony, doświadczony geofizyk Edward Stenz324 (1897–1956). Był on jednym z pierwszych wychowanków Stefana Pieńkowskiego i w latach 1921–1925 jego asystentem w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej. Potem zainteresował się zagadnieniami geofizyki. Był wybitnym badaczem promieniowania słonecznego. Pracował kolejno w Państwowym Instytucie Meteorologicznym, potem w instytucie Arctowskiego na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie i w Zakładzie Fizyki I Politechniki Warszawskiej. W 1937 roku objął stanowisko kierownika pierwszego w Polsce Meteorologicznego Obserwatorium Wysokogórskiego na Kasprowym Wierchu, a w 1939 roku wyjechał do Afganistanu, aby tam zorganizować służbę meteorologiczną. Ze względu na działania wojenne jego pobyt w Kabulu przedłużył się.
Właśnie Stenz stał się ojcem geofizyki na Uniwersytecie Warszawskim. W 1949 roku powstała kierowana przez niego Katedra Geofizyki I (Fizyka Litosfery) oraz Katedra Geofizyki II (Fizyka Atmosfery) kierowana przez dr. Kopcewicza. W roku 1952 przemianowano je (bez zmiany kierownictwa obu Katedr) na Katedrę Fizyki Litosfery i Katedrę Fizyki Atmosfery. Stworzyły one Zespół Katedr Geofizyki UW.
Po śmierci Stenza w 1956 roku kierownictwo Katedry Fizyki Litosfery objął Tadeusz Olczak (1907–1983)325. Był on wychowankiem Uniwersytetu Jagiellońskiego i po ukończeniu studiów został asystentem profesora Tadeusza Banachiewicza. Prowadził badania pola geomagnetycznego, gwiazd zmiennych, a w 1930 roku obliczył jako pierwszy elementy orbity nowo odkrytej planety – Plutona. Od 1933 roku pracował w Warszawie, m.in. w Wojskowym Instytucie Geograficznym. W roku 1953 Olczak został pierwszym dyrektorem nowo utworzonego Zakładu (obecnie Instytutu) Geofizyki PAN. W tymże roku związał się z Uniwersytetem Warszawskim, obejmując Katedrę Geofizyki Stosowanej na Wydziale Geologii UW, skąd przeszedł na Wydział Matematyki i Fizyki.
![]() | |
31. Teodor Kopcewicz | 32. Tadeusz Olczak |
W 1968 roku Zespół Katedr Geofizyki przekształcono w Instytut Geofizyki, którego pierwszym dyrektorem został profesor Kopcewicz. W Instytucie powstały dwa zespoły dydaktyczne – fizyki atmosfery i fizyki litosfery, oraz cztery grupy problemowe: sejsmologii (Olczak), magnetyzmu ziemskiego (Olczak), dynamiki atmosfery i procesów rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń (Kopcewicz), fizyki chmur, mgieł i opadów (Krzysztof Haman).
W 1980 roku dołączono do Instytutu Geofizyki Pracownię Holograficzną, która w 1989 roku stała się Samodzielną Pracownią Przetwarzania Informacji, a w 2000 roku przekształciła się w Zakład Optyki Informacyjnej.
W latach 50. zainteresowania Kopcewicza, który kierował Zakładem Fizyki Atmosfery i jednocześnie Zakładem Aerologii ówczesnego Państwowego Instytutu Hydrologiczno-Meteorologicznego (PIHM), obejmowały zagadnienia cyrkulacji atmosfery, teorii turbulencji i warstwy granicznej, a także pewne problemy związane z fizyką chmur. Zatrudniony w 1954 roku asystent, Krzysztof Haman, z wykształcenia matematyk, zainteresował się rozwijającymi się w tym czasie problemami numerycznych prognoz pogody. Wtedy jednak w Polsce nie było warunków technicznych do tych badań na odpowiednim poziomie.
W latach 60. Kopcewicz skoncentrował się na bardzo wówczas aktualnej problematyce skażeń radioaktywnych pozostałych po próbach jądrowych w atmosferze, zarówno pod kątem ich pomiarów, jak i wykorzystania w śledzeniu wieloskalowych ruchów atmosfery. Tematyką tą zajmował się samotnie do swej śmierci w roku 1976. Potem prac w tej dziedzinie nie kontynuowano.
W połowie lat 60. rozwinęła się fizyka chmur i opadów, która w następnych dekadach zdominowała działalność naukową Zakładu Fizyki Atmosfery. Punktem wyjścia stały się finansowane przez PZU i przeprowadzone z dużym rozmachem studia nad zapobieganiem szkodom gradowym. Wprawdzie w ich wyniku uznano wdrażanie ochrony przeciwgradowej w Polsce za nieopłacalne, lecz oryginalne prace Hamana i jego współpracowników, Michała Niewiadomskiego (obecnie w Kanadzie) i Ryszarda Balcera, dotyczące dynamiki chmur konwekcyjnych i mechanizmów powstawania gradu, zapoczątkowały trwającą do tej pory główną linię tematyczną Zakładu. Powstały oryginalne jednowymiarowe modele chmur konwekcyjnych, rozwijane i wykorzystywane do chwili obecnej w różnych zagadnieniach teoretycznych oraz w zastosowaniach.
Zaczęto także prowadzić badania doświadczalne i teoretyczne nad fizyką koalescencji kropel chmurowych oraz pomiarami in situ temperatury, wilgotności i wodności w chmurach i mgłach. W końcu lat 70. rozpoczęto systematyczne pomiary z użyciem samolotów. W tym celu skonstruowano oryginalne przyrządy, jak np. unikatowy termometr samolotowy do pomiaru temperatury w chmurach z rozdzielczością przestrzenną rzędu centymetrów, tj. o dwa rzędy lepszą niż innych przyrządów tego rodzaju używanych na świecie.
Badania nad dynamiką smug z chłodni kominowych i kominów dużej mocy, których właściwości są zbliżone do właściwości naturalnych chmur konwekcyjnych, podjęto z inicjatywy przemysłu energetycznego, dla którego problematyka ta była ważna z punktu widzenia ochrony środowiska. W latach 1976–1989 skonstruowano serię modeli matematycznych do operacyjnego prognozowania zachowania się smug przemysłowych w pobliżu źródła. Te modele weryfikowano i ulepszano za pomocą pomiarów samolotowych wykonywanych w rejonie Elektrowni Bełchatów. W prace te szczególny wkład wniósł Szymon Malinowski.
Inne badania, teoretyczne i doświadczalne (Haman, Malinowski, Hanna Pawłowska), dotyczą słabo dotychczas poznanej dynamiki procesów najmniejszych skal w chmurach konwekcyjnych. Prace obserwacyjno-pomiarowe ułatwia rozwinięta współpraca zagraniczna (Niemcy, USA, Francja, Kanada) oraz własny motoszybowiec „OGAR” – coroczne wypady do Kętrzyna na badanie chmur wykonywane z jego użyciem stały się tradycją.
W Zakładzie Fizyki Atmosfery powstało najnowocześniejsze w Polsce Laboratorium Transferu Radiacyjnego do pomiarów promieniowania oraz badania właściwości optycznych areozoli (Iwona Stachlewska).
Pracownicy Zakładu uczestniczyli w kilku projektach badawczych z 5.PR, 6.PR i 7.PR Unii Europejskiej. We współpracy z ICM UW, rozpoczętej przed laty wspólnym Programem Badań Atmosfery, w 2010 roku realizowano dwa projekty dotyczące wykorzystania numerycznych modeli prognoz pogody do tworzenia prognoz specjalistycznych. W ramach projektu DELICAT (Demonstration of Lidar based Clear Air Turbulence detection, 2009–2012, 7.PR) badano zjawisko turbulencji bezchmurnego nieba oraz możliwości jego wykrywania z pokładu samolotu. W ramach projektu PROZA (skrót od PlatfoRma wspomagania decyzji Operacyjnych Zależnych od stanu Atmosfery) (finansowanego z Programu Innowacyjna Gospodarka) powstają nowe metody prognozowania wydajności turbin wiatrowych.
Od początków działalności prowadzonej przez Edwarda Stenza, po jego powrocie z zagranicy w 1949 roku, prace naukowe w Katedrze Geofizyki I, późniejszej Katedrze Fizyki Litosfery, dotyczyły badania skorupy ziemskiej, m.in. badania strumienia cieplnego. Pierwszymi asystentami profesora byli: Maria Mackiewicz, Roman Teisseyre, Mieczysław Kozłowski i Andrzej Zawada, a w połowie lat 50. Seweryn Duda, Józef Hordejuk, Jerzy Jankowski i Czesław Królikowski. Większość ówczesnych absolwentów przeszła do pracy w różnych instytutach naukowych, zwłaszcza do Instytutu Geofizyki PAN, z którym do dzisiaj Zakład Fizyki Litosfery ściśle współpracuje.
Olczak, który kierował od 1956 roku Katedrą Fizyki Litosfery, był bardzo aktywny w środowisku geofizycznym. Pełnił również funkcję w Komisji Międzynarodowego Roku Geofizycznego (MRG). W ramach MRG 1957/1958 Mieczysław Kozłowski zorganizował obserwatorium magnetyczne w Wietnamie, gdzie m.in. ówczesny student Adam Dziewoński (obecnie jeden z czołowych sejsmologów amerykańskich) prowadził pomiary elementów pola magnetycznego.
Olczak wysunął na pierwszy plan prace z sejsmologii i magnetyzmu, a do pracy jako asystenci przyszli Aleksander Guterch, Sławomir Maj, Kacper Rybicki i Paweł Oberc. W latach 60. i 70. prowadzono także pomiary radioaktywności wód opadowych, mineralnych i skał (Maria Rymaszewska i Irena Żejmo), lecz w roku 1979 tematyki tej ostatecznie zaniechano.
Obecnie w Zakładzie Fizyki Litosfery są prowadzone badania w dziedzinie sejsmologii, konwekcji w płaszczu Ziemi, geomagnetyzmu i planetologii. We współpracy z Instytutem Geofizyki PAN oraz w ramach projektów międzynarodowych (FENNOLORA, SVEKA, EUROPROBE, TOR) bada się strukturę skorupy i płaszcza Ziemi metodą głębokich sondowań sejsmicznych w Polsce, a także w rejonach polarnych oraz na obszarach tarcz ukraińskiej i bałtyckiej. W tych pracach uczestniczy profesor Marek Grad, który obok profesora Gutercha pełni w wymienionych projektach wiodącą rolę. Opracowano już sejsmiczne modele skorupy ziemskiej ważnych z tektonicznego punktu widzenia obszarów subdukcji w Antarktyce Zachodniej oraz strefy brzeżnej prekambryjskiego kratonu platformy wschodnioeuropejskiej w Polsce.
Powstały również modele górnego płaszcza Ziemi, m.in. na podstawie sejsmicznych rejestracji eksplozji jądrowych z obszaru platformy wschodnioeuropejskiej i syberyjskiej, oraz modele rozkładu prędkości fal sejsmicznych P i S do głębokości 900 km. Modelowanie numeryczne procesów konwekcyjnych w płaszczu Ziemi ze szczególnym uwzględnieniem efektów powierzchniowych (możliwość porównania z danymi geologicznymi) oraz zjawisk zachodzących na brzegach płyt litosferycznych jest domeną Leszka Czechowskiego. Prace w dziedzinie geomagnetyzmu dotyczą związku procesu stygnięcia jądra Ziemi z własnościami generowanego pola magnetycznego, zwłaszcza znaczenia zróżnicowania chemicznego i przemian fazowych w objętości jądra zewnętrznego Ziemi dla charakteru konwekcji magnetohydrodynamicznej w jądrze.
W ramach wielkich eksperymentów międzynarodowych we współpracy z Instytutem Geofizyki PAN są prowadzone głębokie sondowania sejsmiczne w Europie Centralnej oraz w obszarach polarnych. Polska strona była inicjatorem i głównym wykonawcą wielu z nich (m.in. POLONAISE’97, CELEBRATION 2000, SUDETES 2003, PASSEQ 2006–2008). Badaniami zostały objęte głębokie struktury litosfery Ziemi od platformy prekambryjskiej Europy Wschodniej przez transeuropejską strefę szwu (TESZ) na obszarze Polski, poprzez Karpaty, basen panoński, Masyw Czeski do Alp Wschodnich. Dzięki tym eksperymentom struktura skorupy ziemskiej Europy Centralnej, w tym Polski, należy do najlepiej rozpoznanych w skali światowej.
Badania z dziedziny planetologii (profesor Jacek Leliwa-Kopystyński) obejmują modelowanie struktury wnętrz planet i ich satelitów, mechanizmów akrecji i powstania planet oraz reologii mieszanin skalno-lodowych, a także modelowanie procesów kondensacji i sublimacji w oddziaływaniu atmosfery z powierzchnią planety i satelity. Dane doświadczalne dotyczące porowatych mieszanin skalno-lodowych w zakresie reologii, transformacji fazowych oraz transportu masy i energii pochodzą ze współpracujących laboratoriów zagranicznych (Uniwersytet Hokkaido, Japonia, Laboratorium Glacjologii i Geofizyki, CNRS, Grenoble, Francja, Austriacki Instytut Badań Kosmicznych w Grazu, Austria). Prace te mają znaczenie dla zrozumienia zjawisk zachodzących w ciałach Układu Słonecznego, które są zbudowane w całej swej objętości z mieszanin skalno-lodowych (satelity lodowe wielkich planet, jądra komet) lub zawierają lód w regolicie w warstwach zewnętrznych.
Prowadzone są także badania zderzeń ciał Układu Słonecznego: uderzenia (impacts), zderzenia z innymi ciałami kosmicznymi prowadzące do kraterowania powierzchni satelitów lub jąder kometarnych albo zniszczenia (np. do rozbicia asteroidy). Efekty zderzeniowe bada się również w warunkach laboratoryjnych. Badania planetologiczne są częścią międzynarodowych misji kometarnych, m.in. misji ROSETTA do komety 67P/Churyumov-Gerasimenko i eksperymentu MUPUS.
Przyłączona do Instytutu Geofizyki w 1980 roku Pracownia Holograficzna należała wcześniej do Zakładu Optyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej. Zorganizowali ją na życzenie ówczesnego kierownika Zakładu Optyki, profesora Bohdana Karczewskiego, jego asystenci Katarzyna Chałasińska-Macukow i Tomasz Szoplik. Początkowo kontynuowali prace nad metodami holograficznego zapisu obrazów i pamięcią holograficzną, lecz wkrótce rozszerzyli tematykę najpierw na holograficzne badanie mgieł, a potem na optyczne przetwarzanie, rozpoznawanie i klasyfikację obrazów oraz problemy związane z rozpraszaniem światła spójnego.
Obecnie badania w Zakładzie Optyki Informacyjnej dotyczą optoelektronicznego przetwarzania i rozpoznawania obrazów z wykorzystaniem nieliniowej filtracji realizowanej w programowalnych procesorach. Konsekwencją zainteresowania nieliniowym przetwarzaniem obrazów była decyzja o zorganizowaniu komputerowej pracowni przetwarzania zdjęć satelitarnych, której tworzenie sponsoruje Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
Tematyka badawcza ewoluuje od optycznego przetwarzania informacji, optycznego rozpoznawania obrazów, mikroskopii konfokalnej, półtonowania cyfrowego i projektowania elementów dyfrakcyjnych w stronę mikro- i nanooptyki. Prowadzone są prace dotyczące nadrozdzielczości i nanostruktur bezdyfrakcyjnych, kryształów fotonicznych i światłowodów mikrostrukturalnych oraz metamateriałów optycznych i plazmoniki. Eksperymenty obejmują zjawisko generacji supercontinuum w światłowodach fotonicznych oraz bezdyfrakcyjne obrazowanie w polu bliskim. Wytwarzane są wysokorozdzielcze sondy mikroskopowe do optycznych mikroskopów skanujących bliskiego pola.
Instytut Geofizyki UW jest obecnie jedyną w Polsce jednostką kształcącą geofizyków w fizyce wnętrza Ziemi i planet, fizyce atmosfery oraz w optoelektronicznych i cyfrowych metod przetwarzania informacji. Prace badawcze prowadzone w Instytucie przynoszą wyniki porównywalne z efektami uzyskiwanymi w najlepszych ośrodkach światowych o podobnych zainteresowaniach.
Dyrektorami Instytutu Geofizyki byli profesorowie Teodor Kopcewicz (1968–1976), Krzysztof Haman (1976–1990), Marek Grad (19902002), Tomasz Szoplik (2002–2005) oraz Hanna Pawłowska (od 2005).
* * *
W skład Wydziału Fizyki wchodzą jeszcze: Zakład Dydaktyki Fizyki w IFD UW oraz samodzielna Katedra Metod Matematycznych Fizyki. Badania prowadzone w Zakładzie Dydaktyki Fizyki dotyczą pedagogiki i dydaktyki. Badania w Katedrze Metod Matematycznych Fizyki dotyczą matematyki i są wspomniane w rozdziale poświęconym matematyce na UW.