Prof. Krzysztof Sośnica: – Nauka jest żywiołem

Zacznę od gratulacji dla obecnie najmłodszego profesora belwederskiego, który zbudował na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu własny zespół młodych naukowców, pracuje dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, jest ekspertem NASA. Kiedyś taką pozycję osiągało się na finiszu kariery naukowej, a Pan ma wiele lat pracy przed sobą.

Dziękuję serdecznie za gratulacje. Sukces osiąga się obecnie dzięki pracy zespołowej. Na pewnym etapie rozwoju kariery należy przestać patrzeć z własnej perspektywy, a zacząć inwestować w innych. Takim przełomowym momentem jest habilitacja, czyli osiągnięcie samodzielności naukowej. Natomiast prawdziwym testem na samodzielność jest umiejętność zbudowania grupy naukowej. W chwili obecnej profesurę belwederską otrzymuje się przede wszystkim za zbudowanie szkoły, w której dąży się do osiągnięcia doskonałości naukowej w badaniach, tworzy się innowacyjne rozwiązania, a absolwenci szkoły odnoszą sukcesy dając świadectwo na zewnątrz potencjałowi badawczemu szkoły, z której wyszli.

Do niedawna jako nauczyciel akademicki poświęcałem najsłabszym studentom najwięcej czasu, organizując dodatkowe kolokwia, czy też kolejne terminy egzaminów. Najlepszych studentów nawet nie spotykałem na egzaminie, gdyż byli wcześniej zwolnieni na podstawie wyników z ćwiczeń. Chciałem swój czas poświęcać przede wszystkim najlepszym studentom, dlatego postanowiłem odwrócić tę sytuację. Dlatego staram się wyłapywać wśród studentów tych, którzy są ambitni i zdolni oraz inwestować w nich już na poziomie studiów pierwszego i drugiego stopnia poprzez angażowanie w działalność koła naukowego oraz zatrudnianie w projektach naukowych. Dzięki temu udało mi się zbudować grupę badawczą, w której uczestniczą studenci, doktoranci, a także osoby po doktoracie. Wspólne spotkania, dyskusje, seminaria, burze mózgów sprawiają, że każdy ciekawy pomysł może zostać omówiony, a jedni uczą się najlepszych rozwiązań od pozostałych. Sam staram się również nadążać za najnowszymi rozwiązaniami technologicznymi ucząc się nowinek od studentów i doktorantów. Pomiędzy mną a doktorantami i współpracownikami na razie nie ma bariery wieku. Po prostu dobrze się dogadujemy i trochę się obawiam, że kiedy różnica wieku zacznie rosnąć, to może zabraknąć zrozumienia wynikającego ze wspólnoty pokoleniowej. Ale mam nadzieję, że do tego nie dojdzie, bo równie ważna dla zespołu jest otwartość ludzi, którzy go tworzą.

Zespół badawczy jest dla mnie niezmiernie istotny. W chwili obecnej sukcesy moich doktorantów i studentów przynoszą mi o wiele więcej radości i satysfakcji z pracy niż moje osobiste sukcesy. Każde prestiżowe stypendium czy też nagroda zdobyta przez wychowanka pokazuje, że moja praca i wysiłek mają sens, a trud włożony jako inwestycja w młodego człowieka się opłacił.

Każde prestiżowe stypendium czy też nagroda zdobyta przez wychowanka pokazuje, że moja praca i wysiłek mają sens, a trud włożony jako inwestycja w młodego człowieka się opłacił.

Warto również obserwować młodych ludzi jak rozwijają się naukowo i jak rozbudzają w sobie ciekawość poznania oraz wykonywania nowatorskich eksperymentów po raz pierwszy na świecie. Na swojej drodze od samego początku spotykałem bardzo dobrych nauczycieli, którzy w zasadzie od szkoły podstawowej wysyłali mnie na olimpiady i konkursy oraz poświęcali swój czas na zajęcia pozalekcyjne, spotkania i konsultacje, gdyż miałem w sobie ogromną chęć poznania więcej. Studiując na UPWr wybrałem najbardziej wymagającego prowadzącego na promotora mojej pracy magisterskiej – prof. Andrzeja Borkowskiego, który to później polecił mi wyjazd na doktorat do Szwajcarii. Zawsze starałem wybierać tę ambitniejszą drogę, zamiast chodzić na skróty. Po powrocie pracowałem w grupie prof. Jarosława Bosego, który był również bardzo wymagający, ale jednocześnie angażował nas w wiele przedsięwzięć i stawiał przed nami bardzo ambitne cele. Jak się później okazało, cele te, które początkowo wydawały się nieosiągalne, są w zasięgu naszej ręki. Teraz przyszła moja kolej na inwestycję w innych.

Podkreśla Pan, że równie istotna jest współpraca i wymiana międzynarodowa. Jeden z Pana mistrzów, prof. Gerhard Beutler z Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu w Bernie 30 lat temu stworzył darmową platformę wymiany myśli naukowej w obszarze geodezji satelitarnej, a przecież przez lata naukowcy swoimi tajemnicami dzielili się niechętnie.
W Międzynarodowej Służbie Pomiarów Laserowych, gdzie jestem członkiem rady zarządzającej, od lat dzielimy się danymi za darmo. To rzeczywiście jest bardzo nietypowe, ale też wszyscy wiemy, że infrastruktura pomiarowa kosztuje miliony dolarów. Trzeba zbudować obserwatorium, teleskopy laserowe, rozmieścić je po całym świecie. Potem trzeba opłacić pensje obserwatorom, bo pracują na trzy lub cztery zmiany w ciągu doby. Śledzą satelity, planują pomiary, koordynują je w większości ręcznie. Do tego jeszcze przestrzegają całej masy obostrzeń, bo kiedy przelatuje samolot, nie wolno strzelać laserem blisko maszyny, bo można oślepić pilota i doprowadzić do katastrofy. Oczywiście jest kilka poziomów zabezpieczeń, radary, informacje z lotnisk cywilnych i wojskowych, ale to wcale nie redukuje poziomu odpowiedzialności i związanej z nią stresu. Jak więc widać, geodezja satelitarna wymaga bardzo dużo zaangażowania, bardzo dużo nowych technologii i jeszcze więcej pieniędzy. Dane gromadzone przez około 50 różnych obserwatoriów na całym świecie udostępniane są za darmo. Każdy może je pobrać. Każdy może przetworzyć te obserwacje laserowe do sztucznych satelitów i właśnie ta otwartość napędza naukę.

Pan też skorzystał z tych danych?

Oczywiście. Zajmujemy się we Wrocławiu ich analizą i przetwarzaniem. Sama analiza jest na tyle skomplikowana, że wykonują ją inne osoby niż te, które dane gromadzą. Na świecie jest tylko kilka osób, które zajmują się i analizą, i pracą w obserwatorium. Wynika to z tego, że rozwijały te obserwatoria i posiadają szeroką wiedzą o ich pracy, aparaturze i możliwościach, ale też o potencjalnych błędach obserwacyjnych. Jeżeli chodzi o pomiary do satelitów nawigacyjnych, takich jak GPS, GLONASS, BeiDou i Galileo to również tutaj mamy od przeszło 30 lat formaty wymiany danych tak opracowane, aby wszystkie odbiorniki, niezależnie od producenta, zapisywały obserwacje satelitarne w tym samym formacie. Oznacza to, że od 30 lat każde oprogramowanie jest w stanie przeczytać dane pozyskane z różnych typów odbiorników. Te dane również są dostępne za darmo – przez Międzynarodową Służbę GNSS. Korzystają z nich naukowcy, którzy badają ruchy płyt tektonicznych, atmosferę czy pogodę kosmiczną, bo jest to też podstawowa technika do badania pogody kosmicznej wykorzystująca analizy opóźnienia sygnału satelitarnego w górnych warstwach atmosfery. Z otwartego dostępu korzystają specjaliści różnych, ale pokrewnych dyscyplin. I korzysta nauka oraz społeczeństwo, bo dzięki temu przesuwamy granice poznania.

Co w takim razie znajduje się nad naszymi głowami w przestrzeni okołoziemskiej?

Obiektów są tysiące. Prenumeruję magazyn wydawany przez COSPAR (Komitet do spraw Badań Przestrzeni Kosmicznej) i raz na kwartał jest kilka stron wyliczających nowe obiekty, które zostały wystrzelone i orbitują wokół Ziemi. Do tego nad nami latają nie tylko użyteczne satelity, ale także resztki rakiet nośnych, nieaktywne satelity, fragmenty statków powietrznych po kolizji, czyli śmieci kosmiczne. Przestrzeń kosmiczna jest pełna obiektów zarówno pochodzenia naturalnego, jak i, przede wszystkim, tych wytworzonych przez człowieka. Są już nawet orbity tak mocno zaśmiecone, że przeszkadza to astronomom, którzy wykorzystują obserwacje naziemne nieba, ale też stanowi zagrożenie dla satelitów używanych do różnych celów. 10 lat temu doszło do kolizji, która spowodowała, że satelita geodezyjny BLITS po zderzeniu ze śmieciem kosmicznym, którego nie było w żadnym katalogu, rozpadł się na co najmniej dwie części. W każdym razie te dwie części zostały zidentyfikowane. Od tego momentu nie można wykonywać już do niego pomiarów laserowych.

Czyli sam jest śmieciem.

I dlatego coraz większy nacisk kładzie się na czystość przestrzeni kosmicznej, a eliminacja tych śmieci, szukanie rozwiązań, co robić z nieaktywnymi satelitami, jest bardzo dużym wyzwaniem. Przygotowywany jest już projekt – w formie testowej – urządzenia, które ma je zbierać. Na razie to demonstracja technologii. Misja ELSA-d będzie się składała z dwóch modułów, z których każdy będzie miał odbiornik GNSS na pokładzie i będzie śledzony przez stacje laserowe. Jeden satelita będzie imitował śmieć kosmiczny, a drugi – wychwytujący – będzie miał za zadanie za każdym razem dogonić go i złapać. Zaplanowano kilka prób łapania: kiedy śmieć będzie stopniowo się oddalał, kiedy będzie wirował i kiedy znajdzie się po drugiej stronie Ziemi. Za każdym razem ten aktywny satelita będzie musiał tak dostosować trajektorię ruchu, żeby zadokować śmieć do własnego pokładu, dzięki czemu będzie można go stopniowo ściągnąć w atmosferę ziemską, gdzie po jakimś czasie ulegnie naturalnemu spaleniu. ELSA-d będzie testem technologii, która pozwoli nam kiedyś zadbać o czystość w przestrzeni kosmicznej. W ramach pracy w zarządzie Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych zajmujemy się m.in. takimi misjami.

Czego dzięki badaniom takich naukowców jak Pan dowiedzieliśmy się o Ziemi?

A choćby nowych rzeczy o różnych procesach zachodzących na naszej planecie, o jej pochodzeniu, o pochodzeniu Księżyca, ale też tego, w jaki sposób ewoluuje układ słoneczny i jakie są uniwersalne prawa przyrody. Dzięki geodezji satelitarnej na przełomie lat 60. i 70. XX wieku została potwierdzona sformułowana 100 lat wcześniej teoria ruchu płyt tektonicznych. Dzisiaj jest ona potwierdzona z dokładnością submilimetrową. Wiemy więc, że płyty tektoniczne rzeczywiście przemieszczają się względem siebie i te ruchy są całkiem znaczne, bo dochodzą do kilku centymetrów w ciągu roku. Ruchy płyt powodują, że Europa oddala się od Ameryki Północnej, Indie napierają na płytę Euroazjatycką, a Islandia rozchodzi się w dwóch przeciwnych kierunkach. Wiemy też, co się dzieje na granicach tych płyt, kiedy jedna płyta nachodzi na drugą i zachodzi proces subdukcji, ale i wtedy, kiedy płyty się rozchodzą i powstają doliny ryftowe. Od niedawna mamy też misje przeznaczone tylko do badania pola magnetycznego Ziemi i stąd wiemy, że to pole znacząco się osłabia, a biegun magnetyczny dosyć szybko zmienia swoje położenie.  

Co to znaczy?

Pole magnetyczne chroni Ziemię, a więc i ludzi przed niszczycielskim oddziaływaniem promieniowania kosmicznego. Jeśli będzie bardzo słabe lub go zabraknie, to wtedy rakotwórcze promieniowanie gamma i wiatr słoneczny bez przeszkód będą docierać do Ziemi. Badania Marsa wykazały, że w swojej historii miał on pole magnetyczne znacznie silniejsze niż dzisiaj, a to oznacza, że w jakimś momencie musiało ono zaniknąć i dlatego dzisiaj jest to planeta martwa, nieprzyjazna dla żywych organizmów. A przecież Mars leży w optymalnej strefie, tzw. ekosferze, więc teoretycznie mogłoby istnieć na nim życie. Wracając zaś do tego, czego się dowiedzieliśmy dzięki geodezji satelitarnej, to na przykład wiemy z pomiarów laserowych do Księżyca, że nie jest żadnym zabłąkanym ciałem niebieskim, które zaplątało się w pole grawitacyjne Ziemi, jak kiedyś sądzono.

A czym?

Powstał poprzez oderwanie się fragmentu Ziemi w wyniku zderzenia z innym ciałem niebieskim. Uformował się w takiej postaci, w jakiej jest obecnie i stopniowo oddala się od naszej planety o kilka centymetrów w ciągu roku, co zweryfikowaliśmy wykorzystując pomiary laserowe do specjalnych reflektorów zwrotnych umieszczonych na Księżycu przez załogowe misje Apollo i bezzałogowe Luna. Byliśmy też w stanie zweryfikować szczególne efekty wynikające z ogólnej teorii względności. Jeden z nich nazywa się po polsku wleczeniem układu i polega na tym, że ciała wirujące w próżni powodują powstanie wirów czasoprzestrzennych. To, że cała czasoprzestrzeń jest wleczona zgodnie z ruchem obrotowym danego ciała zostało potwierdzone z wykorzystaniem sztucznych satelitów geodezyjnych LAGEOS orbitujących wokół Ziemi w różnych kierunkach – okazało się, że niezależnie od kierunku ruchu satelity, wirująca Ziemia wlecze za sobą czasoprzestrzeń dokładnie w tym samym kierunku, choć satelity orbitują na wysokości, gdzie już nie ma atmosfery. Ten efekt wyprowadzony z ogólnej teorii względności opisali austriaccy uczeni Lense i Thirring, ale przez wiele lat był niepotwierdzony. Zweryfikowano go dopiero dzięki wzrostowi dokładności pomiarów i wystrzeleniu satelitów LAGEOS, co zresztą pokazało, że ogólna teoria względności się sprawdza. Wśród innych efektów potwierdzających ogólną teorię względności jest tzw. soczewkowanie grawitacyjne.

Światło porusza się zawsze po najkrótszej drodze, którą nazywamy linią geodezyjną albo geodetyką w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Jeżeli masywny obiekt stanie na drodze pomiędzy źródłem światła i obserwatorem, obserwator zauważy ten obiekt wielokrotnie – może podwójnie lub poczwórnie – jako rozmytą soczewkę, z tego względu, że najkrótsza odległość wcale nie przebiega przez czasoprzestrzeń zakrzywioną przez masywny obiekt (np. czarną dziurę), lecz wokół niego. Kolejne badania, w których wykorzystywana jest geodezja satelitarna, to badania nad stałością stałej grawitacji. Stała grawitacja wydaje się nie zmieniać wartości, ale okazuje się, że nie jest tak łatwo to potwierdzić, czy stała grawitacji we wszystkich rejonach układu słonecznego i poza nim wynosi tyle samo. Dzięki pomiarom sztucznych satelitów Ziemi, Księżyca i planet możemy badać, do jakiego stopnia stała grawitacji zmienia się w czasie, czy przyspiesza, a może zwalnia i w jakich granicach jesteśmy w stanie obserwować te wielkości. Badamy ponadto, ile wynosi spłaszczenie figury Ziemi, jak zmienia się potencjał grawitacyjny, w którym kierunku przemieszcza się biegun Ziemi oraz o ile każdego dnia ruch obrotowy Ziemi wokół własnej osi zwalnia lub przyspiesza, czyli o ile mikrosekund doba ziemska różni się od 24 godzin. Jednocześnie jednak wciąż ograniczają nas realia, czyli dokładność instrumentów pomiarowych oraz różne błędy systematyczne w obserwacjach i sygnałach przechodzących przez atmosferę ziemską.  

Ma Pan poczucie wyjątkowości zagłębiając się w te nieznane laikom obszary?

Przede wszystkim zaspokajam własną ciekawość. Kiedy człowiek ma dużo pytań o to, jak działają procesy w przyrodzie, zaczyna się zastanawiać nad tymi pytaniami i procesami, a później zaczyna sprawdzać, testować, konstruować różne urządzenia, żeby potwierdzić ich słuszność lub nieprawdziwość. Jest to pasjonujące zajęcie, któremu towarzyszy wiele uczuć. Satysfakcja rodzi się z ciągłego poszukiwania odpowiedzi na pytania, których nikt wcześniej nie zadał, albo na które nikt wcześniej nie był w stanie odpowiedzieć.

Co jest przydatne w odpowiedzi na takie pytania?

Przydaje się umiejętność przetwarzania obserwacji, trzeba też mieć odpowiednie zaplecze, laboratoryjne lub związane z umiejętnością wydobywania z danych niewielkich efektów, odpowiednie rozeznanie w temacie oraz zdolności programistyczne. Czasami trzeba do zespołu dobrać odpowiednich ludzi.

Czyli jakich?

Równie ciekawskich. (śmiech) Trzeba umieć się konsultować z innymi naukowcami, bo może się okazać, że ktoś już próbował szukać odpowiedzi na to pytanie, które my właśnie sobie postawiliśmy. Może się okazać, że ktoś tej odpowiedzi nie znalazł, gdyż źle szukał odpowiedzi, ale równie dobrze to pytanie może być błędnie postawione. W projekcie Europejskiej Agencji Kosmicznej, którym kieruję, mamy zewnętrznych ekspertów od fizyki relatywistycznej i geodezji satelitarnej, którzy co dwa miesiące weryfikują postęp w badaniach pod względem merytorycznym.

Kontrola?

Raczej naukowe i profesjonalne wsparcie. Zewnętrzni eksperci sprawdzają, czy założenia, postępy i sposób realizacji zadań w projekcie są przeprowadzone w sposób prawidłowy, bo może się okazać, że przy jednym błędnym założeniu zdyskwalifikowana zostanie całość wyników i badań.

Chce Pan powiedzieć, że w nauce jest miejsce na porażkę? Wydawało mi się, że naukowcy to raczej indywidualiści, z których wielu jest nastawionych na sukces tak bardzo, że nie potrafi się przyznać do błędów.

Moim zdaniem konsultowanie się z innymi badaczami to obowiązek. Jeżeli popełni się błąd, to nic wielkiego się nie wydarzy, jeśli się go odpowiednio szybko skoryguje. 

Jeżeli popełni się błąd, to nic wielkiego się nie wydarzy, jeśli się go odpowiednio szybko skoryguje.

Nawet Einstein najpierw dodał brakującą stałą kosmologiczną do swojego równania, żeby uzyskać wszechświat stabilny, później nazwał ją największą porażką i ją usunął, gdy okazało się, że wszechświat się rozszerza, a teraz znowu stała kosmologiczna znajduje trwale swoje miejsce w równaniu ogólnej teorii względności. Również ślepa uliczka jest wpisana w pracę naukowca. Na początku trzeba coś założyć i od samych założeń można w badaniach podstawowych dojść do fantastycznych rezultatów i odkrywczego wyniku. Ale trzeba też mieć świadomość, że na 50 przeprowadzonych prób może dwie kończą się sukcesem. Pozostałe 48 prób sprowadza się do tego, że nie znajdujemy niczego, bo założenia były błędne lub nasze instrumenty były niedokładne, albo odkrywamy jakieś zależności, które są tylko pozornie ze sobą powiązane, a tak naprawdę nie ma bezpośredniego przełożenia jednego zjawiska na drugie. Wchodząc na tę drogę trzeba wiedzieć, że nie wszystko, co założymy na początku, uda się.   

Program lotów kosmicznych był początkiem wyścigu, który doprowadził do zmiany geopolitycznej nie tylko w Europie. Dzisiaj zaczyna się wyścig o to, kto  przejmie przestrzeń kosmiczną. Możliwościami wydobycia minerałów z planet układu słonecznego interesują się Rosjanie, Chińczycy, Amerykanie. Jak w tym wyścigu, w który wpisane są konflikty, mogą się odnaleźć naukowcy?

Rywalizacja trwa cały czas. Misje Apollo się powiodły, bo zainwestowano w ten projekt bardzo duże środki i najlepszych naukowców, jakich Stany Zjednoczone miały, a także współpracowano z innymi krajami Zachodu. Koncentracja zasobów ludzkich i pieniężnych przyniosła sukces. Wiemy jednak, że eksploatacja kosmosu jest bardzo trudna czy wręcz niemożliwa bez zaangażowania bardzo dużej liczby naukowców i bardzo dużych środków. A kwestie finansowe zawsze są ograniczone, można coś mieć, ale tylko kosztem czegoś innego. Oczywiście naukowcy uczestniczą w tym wyścigu cały czas.

Postawiłbym pytanie: co nam się bardziej opłaca eksploatować? Tę przestrzeń okołoziemską, czy może jednak skoncentrować się na badaniach Ziemi, które też są drogie, ale mogą przynieść w mojej ocenie dużo więcej korzyści.

Postawiłbym pytanie: co nam się bardziej opłaca eksploatować? Tę przestrzeń okołoziemską, czy może jednak skoncentrować się na badaniach Ziemi, które też są drogie, ale mogą przynieść w mojej ocenie dużo więcej korzyści. Są obszary na Ziemi, które wciąż nie zostały tak dobrze poznane jak choćby Księżyc. Wie pani, że dzięki misji GRAIL do badania pola grawitacyjnego Księżyca jego kształt i pole grawitacyjne znamy lepiej niż planety, po której chodzimy?

Jak to możliwe?

Satelity wokół Księżyca mogły orbitować bardzo nisko, nawet do 17-18 km nad powierzchnią, bo tam nie ma atmosfery. Nad powierzchnią Ziemi satelity nie utrzymają się zbyt długo poniżej 200 km. W zasadzie na wysokości 200 km są w stanie utrzymać się tylko 2-3 tygodnie ze względu na opór atmosfery.

A co się dzieje po tych dwóch tygodniach?

Stopniowo obniżają swój lot, a kiedy obniżają ten lot, to nie wyhamowują, tylko zwiększają swoją prędkość, bo im niższa orbita, tym większa prędkość. Aż dochodzi do tego, że tarcie pomiędzy cząsteczkami powietrza i wolnymi jonami a statkiem powietrznym jest na tyle duże, że satelita zaczyna płonąć i może wyparować w całości w atmosferze, ale może też jakiś fragment spaść na powierzchnię ziemi. I tak się dzieje z satelitami, które orbitują bardzo nisko bądź też z odłamkami rakiet nośnych.

Do wyjazdu zagranicę namówił Pana promotor prof. Andrzej Borkowski. Wystartował Pan w konkursie, dostał się na roczny staż w Bernie. Miał Pan świadomość, że to otwiera drzwi, jak się okazało, na cały świat?

Mój promotor pracy magisterskiej profesor Borkowski powiedział mi wprost, że to może być trampolina w karierze i okazało się, że miał rację, więc czasami warto posłuchać promotora, mądrzejszego i starszego doświadczeniem. Profesor zresztą doktorat i habilitację robił w Niemczech, więc wie, jak istotna dla rozwoju kariery naukowej jest współpraca międzynarodowa i praca w różnych zespołach badawczych. Tak jak współpraca z najlepszymi, bo kiedy ktoś ma duże zdolności i ambicje, to odpowiednie środowisko naukowe staje się katalizatorem jeśli chodzi o rozwój naukowy. W ten sposób można zostać zaangażowanym w prace w projekcie międzynarodowym, a dzięki temu poznaje się innych naukowców, nawiązuje się kontakty, co naturalnie prowadzi do wspólnych projektów czy badań naukowych. Nie można się zamykać w czterech ścianach tutaj we Wrocławiu. Trzeba otwierać swoje horyzonty na nowe. Praca naukowca polega też na ciągłym uczeniu się nowych rzeczy. W mojej dziedzinie to oznacza ciągłe poznawanie nowinek technologicznych. Te obecnie stosowane za 5 czy 10 lat będą już prehistorią. Więc naukowiec nie tylko musi znać nowe rozwiązania, ale też być dwa kroki do przodu. Wtedy najłatwiej jest mu nadążać za zmianami.

W Szwajcarii zajął się Pan zupełnie inną tematyką niż tą podjętą w pracy magisterskiej. Twierdzi Pan, że do habilitacji dobrze jest mieć perspektywę specjalistyczną, wąską, ale po habilitacji należy ją poszerzać, bo to jest ten moment, kiedy należy zacząć się dzielić wiedzą najlepiej w zespołach badawczych. Czy odstąpienie od swojego w Szwajcarii, a potem przejście od szczegółu do ogółu wymagało jakichś szczególnych umiejętności?

To nie jest proste. Wyjeżdżając do jakiegoś ośrodka naukowego trzeba przestawić sposób myślenia. Doktorant zwykle jest zaangażowany w konkretny projekt naukowy. Rozpoczyna studia i dostaje plan badań przygotowany przez promotora czy przez kierownika grantu. Na postdocu, czyli tuż po doktoracie, też dostaje się konkretne zadania do realizacji, przy czym czas wdrożenia jest dużo krótszy, gdyż postdoc jest już doświadczonym badaczem. Jednocześnie zmieniając miejsce pracy trzeba znaleźć własny obszar, często poznać od zera nowe laboratorium, sprzęt, a nie tylko ludzi. Odnalezienie się w nowym środowisku, we własnym obszarze badawczym może być trudne. W dodatku już nie dostaje się żadnego gotowego planu badań. Trzeba ten ułożyć dla siebie samodzielnie, a potem zacząć go układać dla innych. To wymaga zaangażowania i odpowiedzialności.

I dojrzałości, bo środowisko naukowe pełne jest rywalizacji, sukces jest policzalny w punktach, więc jest pewną próbą ognia moment, kiedy naukowiec umie się dzielić, a nie tylko myśli o sobie.

Odpowiednie nastawienie otoczenia jest również kluczowe w aklimatyzacji w nowym miejscu. Jeżeli środowisko jest otwarte i gotowe wesprzeć osobę przyjeżdżającą z zewnątrz, jak to miało miejsce na UPWr przy moim powrocie ze Szwajcarii, o wiele łatwiej jest wystartować z badaniami w nowym miejscu. Przecież bez umiejętności współpracy i dzielenia się nikt nie zbuduje dzisiaj ani trwałego zespołu badawczego, ani grupy naukowej. Trzeba więc bezinteresownie poświęcić swój czas również po to, by inni odnosili sukcesy. Mam ogromną satysfakcję, kiedy moi doktoranci zdobywają granty Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, stypendia ministra dla najlepszych młodych naukowców. Mnie cieszy, że ktoś w mojej grupie naukowej tak wyrósł. Oczywiście, z góry wielu rzeczy nie da się zaplanować, plany badań dla doktorantów trzeba korygować na bieżąco, bo bardzo często dochodzimy do momentu, w którym okazuje się, że sprawdziliśmy rozwiązanie i nic nam nie wyszło. Co kwartał więc środek ciężkości może się nieco przesunąć w nowym kierunku, ale to też uczy elastyczności, wytrwałości i tego, że w nauce porażka jest siostrą sukcesu i kroczy za nim cały czas.

Jest Pan kierownikiem dyscypliny naukowej inżynieria lądowa i transport oraz Zakładu Geodezji Satelitarnej na UPWr. I jednocześnie prowadzi własne badania. Kradnie Pan dobie czas?

Rzeczywiście tyle obowiązków wymaga sporej alokacji czasu, to jedno z tych dóbr, których nie jesteśmy w stanie rozmnożyć. Ja staram się optymalizować czas pracy tak, by starczyło go i na moje własne badania, i na doktorantów, i na magistrantów. Do niedawna prowadziłem koło naukowe, więc musiało mi go też wystarczyć również dla studentów. Ale najważniejsza była dla mnie motywacja – zależało i zależy mi na tym, by angażować ambitnych i zdolnych ludzi w badania naukowe, zaszczepiać w nich zainteresowanie nauką, rozwijać umiejętność zadawania pytań i dążenia do odpowiedzi, słowem uczyć ich pracy, która prowadzi do sukcesu, osobistego i zespołowego. Na to zawsze jestem w stanie znaleźć czas.

W swoich wypowiedziach często podkreśla Pan, że naukowcy powinni mówić ludziom o tym, czy się zajmują. Dlaczego?

Bo pełnią służbę publiczną. Są opłacani przez podatników, więc są winni społeczeństwu informację o tym, co robią, oczywiście pod warunkiem, że nie są to badania zastrzeżone, a więc np. dla wojska. Dlatego, kiedy jakiś ciekawy artykuł naukowy wyjdzie z naszej grupy badawczej, to dbam o to, by znalazł się na stronie naszego instytutu, na stronie uczelni, bardzo często też przesyłamy różne informacje na Geoforum - portalu internetowym dla geodetów, geoinformatyków i wszystkich osób, które są powiązane z branżą. Ale też z poczucia tej służby w zeszłym roku na Uniwersytecie Dzieci prowadziłem wykłady dla 9-10 latków o pomiarach satelitarnych oraz kosmosie i przyznam, że to naprawdę było wyzwanie, żeby tych dzieciaków nie zanudzić przez półtorej godziny w sali wykładowej, a zainteresować swoją opowieścią. Z tych samych powodów zresztą zawsze chętnie wygłaszam wykłady dla licealistów w ramach GIS Day, czyli Światowego Dnia Systemów Informacji Geograficznej.  

Pracy się Pan rzeczywiście nie boi, bo Europejska Agencja Kosmiczna i NASA to przecież dodatkowe obowiązki.

Ale i satysfakcja. W radzie zarządzającej Międzynarodowych Pomiarów Laserowych jestem jedynym Polakiem. Zajmujemy się przede wszystkim akceptacją i weryfikacją misji satelitarnych, które będą śledzone przez stacje laserowe. Organizacja nie pobiera żadnych opłat z tego tytułu, a jest coraz więcej misji satelitarnych, które mogą być wspieranie przez organizację. Trzeba więc weryfikować te misje, które mają odpowiedni cel naukowy i gdzie zysk ze śledzenia będzie odpowiednio duży. W tym roku na przykład jest planowana do wystrzelenia misja LARES-2. To pasywny satelita geodezyjny bez elektroniki na pokładzie, taka kula armatnia ze zwierciadłami odbijającymi światło lasera na całej powierzchni. Z ruchu tego satelity będzie można zbadać, co się dzieje na Ziemi.

A co się dzieje?

Analizując anomalia w ruchu satelity można będzie wyznaczyć z wyższą dokładnością np. wartość spłaszczenia Ziemi, wyliczyć, gdzie znajduje się środek ciężkości mas, jak się przesuwa ze względu na topnienie lodowców na Grenlandii czy na Antarktydzie zachodniej, ile wynosi stała grawitacji. Celem tej misji będzie również pośrednio weryfikacja niektórych efektów wynikających z ogólnej teorii względności. Zajmujemy się również w projekcie ESA i w innych projektach systemem Galileo. Satelity Galileo, a więc Europejskiego Systemu Nawigacyjnego są europejskim odpowiednikiem amerykańskiego GPS. Kilka naszych rozwiązań jest lepszych niż w przypadku systemu GPS, tworzonego dla wojska. Galileo powstał dla cywili i służy całemu społeczeństwu. W tym systemie dwa pierwsze w pełni operacyjne satelity miały zostać umieszczone na orbitach kołowych, ale przez wypadek na orbicie zostały umieszczone na orbitach silnie eliptycznych, a więc orbitują raz bliżej, a raz dalej w stosunku do Ziemi. To jest wyzwanie z punktu widzenia modelowania orbit takich satelitów. Z drugiej strony jeśli już mamy je – po raz pierwszy – na nietypowych orbitach, to jesteśmy w stanie wykorzystać je do innych celów niż były przeznaczone, a więc właśnie do weryfikacji ogólnej teorii względności.

W jaki sposób?

Pierwsza para satelitów Galileo została wyniesiona na nieprawidłowe orbity z powodu awarii rakiety nośnej Soyuz w ostatniej fazie lotu. Paradoksalnie wypadek na orbicie otworzył nowe możliwości prowadzenia badań naukowych dzięki dwóm technikom do wyznaczania orbit satelitów Galileo – laserowej i mikrofalowej oraz najdokładniejszym zegarom atomowym, które dotychczas umieszczono na pokładzie satelitów. Na przełomie XIX i XX wieku było wiadomo, że eliptyczna orbita Merkurego „obraca się” wokół Słońca, przy czym ten obrót nie mógł być wyjaśniony z wykorzystaniem zasad mechaniki klasycznej. Próbowano nawet poszukiwać kolejnej planety Wulkan, która hipotetycznie miała znajdować się blisko Słońca i zaburzać ruch Merkurego. Anomalie te wyjaśnił dopiero Einstein w swojej teorii względności. 

Na przełomie XIX i XX wieku było wiadomo, że eliptyczna orbita Merkurego „obraca się” wokół Słońca, przy czym ten obrót nie mógł być wyjaśniony z wykorzystaniem zasad mechaniki klasycznej. Próbowano nawet poszukiwać kolejnej planety Wulkan, która hipotetycznie miała znajdować się blisko Słońca i zaburzać ruch Merkurego. Anomalie te wyjaśnił dopiero Einstein w swojej teorii względności.

Teoria względności przewiduje jednak o wiele więcej efektów, niż ten opisujący ruch Merkurego. Jak dotąd obrót orbit został potwierdzony, jednakże zmiany kształtu i wielkości orbity nie zostały nigdy stwierdzone w sposób eksperymentalny. Nam udało się dotychczas wyprowadzić, w sposób analityczny, spodziewane efekty zmiany kształtu i wielkości orbit satelitów Galileo, a następnie potwierdzić te efekty w symulacjach. Następnym krokiem, który jest właśnie realizowany przez nas w ramach projektu ESA, będzie wykorzystanie sieci ponad 100 stacji GNSS do weryfikacji i pomiarów, jak kształt i wielkość orbit zmienia się wraz z wysokością satelitów nad powierzchnią Ziemi. Stacje rozmieszczone są na wszystkich kontynentach i rejestrują w sposób ciągły sygnały Galileo z satelitów na eliptycznych i kołowych orbitach. Efekty deformujące orbity są na poziomie kilku, kilkunastu milimetrów, ale przy obecnej dokładności technik obserwacyjnych – są w pełni mierzalne. Jest to możliwe dzięki temu, że były już doktorant w zespole – dr Grzegorz Bury opracował model sił działających na satelity Galileo, pozwalający na bardzo dokładne wyznaczanie orbit, a drugi doktorant, mgr Radosław Zajdel udoskonalił metody przetwarzania obserwacji Galileo i liczenia z nich różnych parametrów geodezyjnych.

W dalszym etapie projektu chcemy wyznaczyć, ile krzywizny czasoprzestrzeni przypada na jednostkę masy oraz do jakiego stopnia zakrzywiana jest czasoprzestrzeń w polu grawitacyjnym obserwując satelity Galileo poruszające się wokół Ziemi. Wreszcie, może uda nam się potwierdzić efekt precesji geodezyjnej, czyli efektu działającego na satelity orbitujące wokół Ziemi, która z kolei porusza się po zakrzywionej przez Słońce czasoprzestrzeni. Efekt ten powoduje niewielką zmianę w okresie obiegu satelitów oraz niewielki obrót orbity względem zewnętrznego układu gwiazd. Efekty te są bardzo niewielkie i można bardzo łatwo wyjść ze złych założeń i otrzymać błędny wynik.

Właściwie zajmując się geodezją satelitarną jest Pan i fizykiem, i astronomem.

Nie można być specjalistą tylko i wyłącznie w bardzo wąskiej działce, bo tematy badawcze szybko się wyczerpią. Trzeba się uczyć nowych rzeczy albo dobrać do zespołu specjalistów z innego zakresu, a najlepiej być otwartym na inne dyscypliny nauki, by czerpać z doświadczeń czy też z umiejętności innych ludzi. Od statystyków można się uczyć np. analizy danych, dzięki czemu potrafi się właściwie interpretować dane. Prawidłowe testy statystyczne odpowiadają nam na pytanie, czy różnica – kiedy wykonujemy pomiary różnymi instrumentami – jest istotna czy też nie. Ścisłe klasyfikowanie dyscyplin naukowych nie jest zbyt dobre, bo nauka jest żywiołem i trzeba korzystać z osiągnięć z różnych obszarów.

Ogląda Pan filmy science-fiction?

Wolę filmy science niż fiction, ale lubię też wyłapywać w nich nieścisłości naukowe, a te zdarzają się wszędzie, nawet w Muzeum Historii Naturalnej w Waszyngtonie. Tam kierunki rozchodzenia się płyt tektonicznych były zaznaczone dobrze, ale groty strzałek były w przeciwnym kierunku.  

Co w geodezji satelitarnej jest kamieniem filozoficznym, który każdy chciałby odkryć?

Ciężko powiedzieć. Odkrycie, jak sama nazwa wskazuje, przychodzi z zaskoczenia. Odkrycia nie da się zaplanować, jednego kamienia filozoficznego nie mam, bo gdybym go sobie zdefiniował i zamknął się na wszystko inne, to może bardzo szybko by się okazało, że to jest droga donikąd. Trzeba zawsze mieć kilka pomysłów na badania, zaangażować się maksymalnie w realizacje poszczególnych elementów, ale trzeba się też przygotować na porażkę. Wtedy trzeba porzucić dany temat naukowy i zacząć coś innego.

Ale coś Pana chyba zaskoczyło?

Ostatnio może system Galileo, bo nie spodziewałem się, że w momencie kiedy nie jest jeszcze w pełni operacyjny i mamy o 10 satelitów mniej niż przy GPS, jego dokładność pozycjonowania będzie lepsza niż w systemie amerykańskim.

Słucham Pana i mam wrażenie, że jesteście społecznością, która w tym świecie zdefiniowanym przez wyścig wyżej stawia współpracę.

Hm, rzeczywiście dużo większa konkurencja jest wśród fizyków i astronomów. Oni swoimi wynikami dzielą się dopiero wtedy, kiedy zostaną opublikowane. Astronomowie bardzo rzadko udostępniają na serwerach swoje pomiary obiektów w przestrzeni kosmicznej, w tym i obiektów orbitujących wokół Ziemi, wśród których mogą być też aktywne satelity wojskowe. Tu nikt nie chce ujawnić, gdzie się znajdują i gdzie będą się znajdowały, kiedy będą przelatywały nad danym obszarem. Nie dzielą się zbyt chętnie obserwacjami galaktycznych i pozagalaktycznych obiektów, jeżeli nie jest to wymagane np. w takich misjach jak europejska Gaia. W geodezji satelitarnej panuje dużo większa otwartość. Ludzie bardzo chętnie dzielą się surowymi obserwacjami, danymi, które są częściowo przetworzone przez kogoś.

Czyli na przykład jakimi?

A choćby dotyczącymi zawartości pary wodnej w atmosferze ziemskiej, które można wyliczyć na podstawie obserwacji satelitarnych czy zawartości wolnych elektronów, by dzięki temu przewidywać burze kosmiczne w górnych warstwach atmosfery. Dane w geodezji satelitarnej są zazwyczaj ogólnodostępne i każdy może np. analizować te dotyczące wysokości poziomu wód w morzach i oceanach. Zbieramy te dane m.in. dzięki europejskiemu programowi Copernicus. To zespół misji i satelitów obserwujących Ziemię w różny sposób, ale zarazem dający informacje do budowy całościowego obrazu. Dzięki zebranym danym wiemy więc, co się dzieje w danym czasie nad Morzem Bałtyckim czy Północnym, czy poziom wody wzrasta czy maleje na danym obszarze, jaką powierzchnię w danym miesiącu zajmują glony, bądź też jakie obszary gruntu na Górnym Śląsku i Zagłębiu Miedziowym osiadają ze względu na eksploatację górniczą, itd. Specjaliści zajmujący się naukami o Ziemi to bardzo otwarci ludzie, może dlatego, że zajmują się jedyną planetą w naszym zasięgu, na której jest życie.

Od roku zajmuje się Pan badaniami dotyczącymi ogólnej teorii względności, jak to jest tropić Einsteina?

To przede wszystkim zaspokajanie własnej ciekawości. Ogólna teoria względności przewiduje wiele efektów, które na pierwszy rzut oka są bardzo nieoczywiste. Jest bardzo skomplikowana i nie ma ścisłego rozwiązania matematycznego, ale przy pewnych założeniach można wyprowadzić wiele niespodziewanych efektów. Należą do nich wspomniane wiry czasoprzestrzenne, obroty orbit satelitów i planet, zmiany w upływie czasu, czyli dylatacja czasu zależna od pola grawitacyjnego i prędkości (zresztą wykorzystywana od niedawna w tzw. geodezji chronometrycznej), czarne dziury, a także fale grawitacyjne. Poznawanie i potwierdzanie tych nietypowych efektów i nowych elementów jest fascynujące.

Nie lubi Pan science-fiction, ale czy badając to zakrzywianie się czasoprzestrzeni liczy Pan na odkrycie światów równoległych?

To jest bardziej fiction niż science, choć oczywiście są pytania, na które nie znamy odpowiedzi. Jesteśmy w stanie zajrzeć na krańce wszechświata tylko do miejsc, z których docierają do nas pierwsze fotony wysłane niecałe 14 mld lat temu. Wciąż nie wiemy, co się znajduje poza granicą wszechświata, czy wszystko poza nim jest puste? A może istnieją inne wszechświaty, których nie widzimy, ponieważ nic stamtąd do nas jeszcze nie dotarło? Teoretycznie więc nie da się wykluczyć, że wszechświaty równoległe są, ale nie da się też tego potwierdzić. Zgodnie z ogólną teorią względności czas i przestrzeń załamują się we wnętrzach czarnych dziur. 

Dzięki czarnym dziurom można teoretycznie podróżować w czasoprzestrzeni. Jest tylko jeden problem: nie ma możliwości, by się z niej wydostać, gdy się tam raz wpadnie oraz nie można przetrwać w środku.

Dzięki czarnym dziurom można teoretycznie podróżować w czasoprzestrzeni. Jest tylko jeden problem: nie ma możliwości, by się z niej wydostać, gdy się tam raz wpadnie oraz nie można przetrwać w środku.  Czas w czarnej dziurze bardzo mocno zwalnia, więc obserwowany świat zewnętrzny pędziłby niesamowicie z punktu widzenia kogoś wewnątrz czarnej dziury. Tam sygnały docierają, jednak nie mogą wydostać się na zewnątrz. Teoretycznie można by zamienić czas z przestrzenią, bo tak się dzieje wewnątrz czarnej dziury i znaleźć się w innym równoległym wszechświecie, tylko że kiedy załamują się teorie fizyczne to pojawia się fantastyka. I ja tę fantastykę odkładam na inną półkę niż ta z nauką.

rozmawiała Katarzyna Kaczorowska