Pierwsze spotkania odbędą się jesienią 2027 r. Nawet najbardziej skomplikowane zagadnienia naukowe można próbować poznawać przez własne doświadczenie. W laboratoriach Kopernika uczniowie robią to już na zajęciach poświęconych genetyce, mikroplastikowi czy sztucznej inteligencji. Wkrótce przyjdzie czas na kwanty.
Mechanika kwantowa opisuje materię i światło w skali, w której prawa fizyki klasycznej nie wystarczają. Elektrony i fotony wykazują właściwości zarówno cząstkowe, jak i falowe. Układy kwantowe mogą znajdować się w superpozycji stanów, a splątane układy wykazują korelacje, których nie sposób wyjaśnić klasycznie. Codzienne doświadczenie niewiele tu podpowiada. Popularne analogie bywają pomocne, lecz mogą też utrwalać błędne wyobrażenia.
Edukacja w zakresie fizyki kwantowej przyda się nie tylko tym, którzy chcą w przyszłości zostać badaczami. Z tej nieintuicyjnej fizyki od dziesięcioleci korzystamy już przecież dzięki tranzystorom, laserom i zegarom atomowym. Naukowcy zaś uczą się coraz dokładniej kontrolować pojedyncze układy kwantowe. Opracowują czujniki, metody komunikacji i komputery, które mogą przyspieszyć rozwiązywanie określonych problemów obliczeniowych. Maszyna kwantowa nie ma zastąpić zwykłej we wszystkim. Jej przewaga może dotyczyć wybranych zadań, takich jak symulowanie cząsteczek i materiałów. Wiedząc o tym, łatwiej odróżnić możliwości technologii od reklamowych zapowiedzi. I zrozumieć, że droga od odkrycia fizycznego do jego zastosowania bywa bardzo długa.
Jak zatem zainteresować licealistów tą dziedziną i pomóc im ją zrozumieć?
Próba i zmiana
Pomysł na to mają zespoły prof. Krzysztofa Pawłowskiego z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN oraz dr Klaudii Żerańskiej z laboratoriów Centrum Nauki Kopernik. Badacze wskażą zagadnienia ważne dla współczesnej fizyki kwantowej. Zespół Kopernika zaproponuje sposoby na to, by młodzi ludzie mogli je badać: samodzielnie eksperymentować i dyskutować o nietrywialnych wynikach.
Nie wystarczy jednak umożliwić uczestnikom obsługę aparatury. Można poprawnie wykonać procedurę, a mimo to nie rozumieć efektu tego działania. Dlatego scenariusze spotkań ich autorzy najpierw sprawdzą w praktyce: wysłuchają pytań uczniów i zorientują się, gdzie napotykają trudności i kiedy potrzebują wsparcia. Testy mogą doprowadzić do zmiany instrukcji, kolejności działań czy konstrukcji zadania.
W ten sposób zespół laboratoriów Kopernika projektuje i doskonali wszystkie swoje zajęcia, sprawdzając, czy są one zrozumiałe i angażujące dla uczestników, a poruszane zagadnienia budzą ich zainteresowanie i mają dla nich znaczenie.
Jak może wyglądać konkretne zadanie, pokazują warsztaty z kryptografii kwantowej opisane w „American Journal of Physics” w 2020 r. Wykorzystano w nich uproszczony protokół BB84, czyli sposób uzgadniania klucza potrzebnego do szyfrowania informacji. Uczniowie budowali układ do przesyłania wiadomości, a następnie próbowali je przechwycić, korzystając z celowo pozostawionej luki w zabezpieczeniach. Tego typu zajęcia odbywały się w Singapurze. Także CFT PAN organizowało – tym razem dla dorosłych – zajęcia z kryptografii kwantowej.
Bezpłatne spotkania dla licealistów zainteresowanych fizyką kwantową zaplanowano w Pracowni Przewrotu Kopernikańskiego. Docelowo odbywać się będą nawet trzy tygodniowo. Pierwszy rok współpracy partnerzy przeznaczą na projektowanie i sprawdzanie doświadczeń. W kolejnych latach planują regularne warsztaty i dalsze ich doskonalenie. Łącznie ma ich być kilkaset.
Od szkolnego laboratorium do wspólnych badań, czyli co się dzieje w Koperniku
- We współpracy z dr hab. Julią Pawłowską z Uniwersytetu Warszawskiego uczestnicy zajęć „Genetyczne grzybobranie” izolowali DNA grzybów, a uzyskane informacje wprowadzali do bazy międzynarodowego projektu FunDive, służącego poznawaniu różnorodności tych organizmów. Zajęcia wrócą w 2027 r.
- Badania dr Ewy Babkiewicz z UW w projekcie Lakes Connect stały się podstawą zajęć, podczas których uczniowie poznają źródła drobin tworzyw sztucznych i szukają ich w kosmetykach. Warsztaty „Eksperymentujemy z mikroplastikiem” są już stałą propozycją dla szkół. Współpraca dotycząca mikroplastiku zaowocowała też zestawem edukacyjnym, który do szkół dostarcza firma Moje Bambino. Powstanie również narzędzie cyfrowe „Tropem mikroplastiku” pomagające nauczycielom przeprowadzić tydzień projektowy. Dzięki niemu uczniowie mają pracować metodą naukową także w szkole.
- Podczas warsztatów „Projektujemy elektrozmysły” młodzież poznaje mikrokontrolery oraz podstawy programowania, a najnowsze zajęcia, „Uczymy sztuczną inteligencję”, przybliżają działanie sieci neuronowych. Z kolei podczas warsztatów „Badamy klimat” uczniowie badają wpływ gazów cieplarnianych na temperaturę. Natomiast na zajęciach „Analizujemy próbkę diagnostyczną” uczestniczki i uczestnicy wcielają się w rolę diagnostów laboratoryjnych, by zrozumieć znaczenie regularnego badań. W laboratoriach Kopernika uczestnicy poznają zjawisko aerodynamiki i przeprowadzają sekcję serca. Wszystkie te spotkania uczą samodzielnego rozumowania: od pomysłu na sprawdzenie hipotezy po ocenę zebranych danych. Uczniowie mają uczyć się krytycznie myśleć i uzasadniać swoje wnioski.
Oferta dla grup szkolnych: www.kopernik.org.pl/wystawy/laboratoria-dla-grup
- W cyklu „Dotknij prehistorii” osoby od 15. roku życia pod opieką specjalistów oczyszczają i dokumentują kości mastodonzaura sprzed ok. 240 mln lat, odkrytego przez zespół prof. Tomasza Suleja i dr. Wojciecha Pawlaka. Pomagało już ok. 1,3 tys. osób. To część rzeczywistej pracy badawczej.
Co z udziału w badaniach wynoszą ochotnicy? Wskazówek dostarcza raport z projektu. Młodzi ludzie docenili to, że powierzono im odpowiedzialne zadania i umożliwiono swobodną rozmowę ze specjalistami. Dostrzegali przy tym mniej widowiskową stronę badań: dokładność, cierpliwość i czynności, które trzeba wielokrotnie powtarzać. Badanie pokazało, że taki kontakt może zmieniać sposób postrzegania naukowców i przekonanie o tym, czy do ich pracy mogą włączyć się osoby spoza środowiska akademickiego.
Szkiełko i oko
Współpraca Kopernika i CFT PAN jest częścią sześcioletniego projektu Quantum Research and Applied Knowledge (QuRAK) w europejskim programie Teaming for Excellence. CFT PAN ma stać się Centrum Doskonałości w dziedzinie fizyki i technologii kwantowych, a edukacja i komunikacja z publicznością już na stałe wpisać się w jego działalność.
Ten zamiar wymaga także zmian organizacyjnych w CFT PAN: planowane jest powołanie działu zajmującego się popularyzacją i komunikacją. Wśród partnerów przedsięwzięcia są Institut de Ciències Fotòniques w Hiszpanii, Universität Stuttgart, Uniwersytet Warszawski oraz związany z Uniwersytetem Mikołaja Kopernika w Toruniu startup EMPIRIQA. Edukacja jest więc częścią szerszego przedsięwzięcia, obejmującego międzynarodowe badania i wykorzystanie ich wyników w technologiach.
Realizatorzy projektu zapowiadają także 1–2 otwarte wykłady rocznie w Koperniku, transmitowane w internecie. W ciągu całego projektu wśród gości mają być także laureaci Nagrody Nobla. Pierwsze spotkanie – z prof. Anne L’Huillier, nagrodzoną przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk w 2023 r. – zaplanowano na 14 listopada 2026 r.
Partnerzy rozważają ponadto rozmowy naukowców z młodzieżą w mniejszym gronie. Byłaby to okazja, by zapytać również o wybór drogi zawodowej i codzienność pracy badawczej.
Fizyka kwantowa wymaga matematyki, ale jej ustalenia podlegają sprawdzaniu w doświadczeniach. Właśnie ten związek – między opisem świata, który trudno sobie wyobrazić, a wynikiem pomiaru – mają poznać uczestnicy zajęć. Intuicja może zawieść. A teorii lepiej nie wierzyć na słowo.
Materiał przygotowany przez Centrum Nauki Kopernik.