Czy technologia, którą na co dzień wykorzystujemy w Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki do badania nowoczesnych czujników grafenowych, może rozwikłać zagadkę sprzed dwóch tysięcy lat? Dr hab. Paweł Michałowski, ekspert z 20-letnim doświadczeniem w technice SIMS, analizuje naukowe fundamenty badań wapienia znalezionego na Całunie Turyńskim i wyjaśnia, dlaczego w świecie nauk empirycznych słowo „dowód” ma zupełnie inne znaczenie, niż nam się wydaje.

W pigułce: co musisz wiedzieć o technice SIMS i Całunie

• SIMS to “alfa i omega”: Spektrometria Mas Jonów Wtórnych to niezwykle czuła metoda pozwalająca identyfikować pierwiastki i izotopy na poziomie atomowym.
• Problem z “dowodami”: W naukach empirycznych stosujemy redukcję (wnioskowanie z efektu o przyczynie), co sprawia, że rzadko możemy mówić o 100-procentowej pewności.
• Błąd kardynalny: Dotychczasowe popularne analizy danych z Całunu mylnie utożsamiały intensywność sygnału z rzeczywistym stężeniem pierwiastków
• Statystyka zamiast intuicji: Przyszłość rzetelnych badań leży w analizie głównych składowych (PCA), a nie w subiektywnym porównywaniu wykresów.

W Łukasiewicz – IMiF na co dzień zajmujemy się przyszłością – m.in. komponentami elektronicznymi i czujnikami pola magnetycznego pracującymi w ekstremalnych temperaturach. Jednak narzędzia, których używamy, takie jak spektrometr SIMS, mają moc przesuwania granic wiedzy również w badaniach historycznych. Dr hab. Paweł Michałowski, mający na koncie ponad 100 publikacji naukowych, podkreśla, że technika ta jest tak czuła, iż potrafi wykryć śladowe ilości zanieczyszczeń zmieniające obraz całego pomiaru. To właśnie ta “magia Simsa” pozwoliła naukowcom w latach 80. pochylić się nad drobinami aragonitu (odmiany wapienia) odkrytymi na lnianym płótnie Całunu.

W komunikacji naukowej często słyszymy o “dowodach”. Jak jednak zauważa dr hab. Michałowski, w przypadku Całunu nie widzimy przyczyny, a jedynie skutek – płótno z konkretnymi zanieczyszczeniami. Wnioskowanie o jego pochodzeniu to proces redukcyjny: widzimy mokrą drogę i zakładamy, że padał deszcz, choć mogła przejechać polewaczka. Ekspert Łukasiewicz – IMiF posługuje się błyskotliwą metaforą talii kart: naukowiec może postawić hipotezę, że wszystkie karty to kiery, i wyciągnąć pięć takich kart z rzędu. Czy to dowód? Nie, dopóki nie sprawdzimy całej talii. W nauce musimy zebrać wiele przesłanek, by uprawdopodobnić tezę, pamiętając, że nasze osobiste przekonania (wierzącego, ateisty czy wątpiącego) zawsze mogą rzutować na dobór danych.

Analizując artykuły z 1986 roku autorstwa Josepha Colbacka i Eugenii Nitowski, dr hab. Michałowski wskazuje na istotne ograniczenia ówczesnej metodologii. Największy błąd, powielany później przez innych badaczy (m.in. Hugh Fareya), polegał na założeniu, że proporcje intensywności pików na wykresie SIMS odpowiadają rzeczywistym stężeniom w próbce.
W technice SIMS występuje tzw. efekt matrycowy – obecność jednego pierwiastka (np. uranu) może drastycznie zwiększyć lub zmniejszyć wykrywalność innego, mimo że jego ilość się nie zmieniła. Na przykładzie badań arsenku galu dr hab. Michałowski pokazuje, że pierwiastki „urodzeni pesymiści” (jak arsen) jonizują się bardzo słabo, podczas gdy „optymiści” dają silne sygnały nawet przy śladowym stężeniu. Zatem twierdzenie o „niezwykle dobrym dopasowaniu” próbek z Całunu do wapienia z Jerozolimy na podstawie samych wykresów jest z dzisiejszej perspektywy naukowo niewystarczające.

Jak zatem należałoby dziś przeprowadzić takie badanie, gdybyśmy mieli nieograniczone zasoby i zgodę na pobranie materiału? Według eksperta Łukasiewicz – IMiF, drogą nie jest subiektywne porównywanie dwóch wykresów, lecz statystyka wielowymiarowa, czyli analiza głównych składowych (PCA).
Pozwala ona “nakarmić” system ogromną ilością danych z wielu próbek referencyjnych (z Jerozolimy i innych miejsc) oraz z Całunu, a następnie bezdusznie, bez wpływu ludzkich emocji, sprawdzić, gdzie te dane się grupują. Dopiero taka “chmura punktów” mogłaby dać silną przesłankę o autentyczności lub jej braku. Na razie jednak dr hab. Michałowski pozostaje sceptyczny co do powtarzania badań – ilość dostępnego materiału z Całunu jest zbyt mała, by wyniki były reprezentatywne i niepodważalne dla sceptyków.
W Łukasiewicz – IMiF wierzymy, że nauka to ciągłe zadawanie pytań i weryfikowanie faktów. Nasze kompetencje w technice SIMS służą rozwojowi technologii, ale uczą nas też, że prawdziwa wiedza wymaga nie tylko doskonałego sprzętu, ale przede wszystkim żelaznej logiki.
Czy technologia SIMS mogłaby pomóc w Twoich badaniach materiałowych? Skontaktuj się z naszymi ekspertami w Łukasiewicz – IMiF.