7 cudów naukowego świata

W poniższym zestawieniu, chciałem przedstawić najwspanialsze cuda współczesnego świata nauki.

Rozumiem przez to, najbardziej monumentalne urządzenia i projekty badawcze, które dzięki swojej skali, stały się prawdziwym świadectwem ludzkiej ambicji i determinacji w dążeniu do rozwiązania zagadek wszechświata. Przedsięwzięcia te, powinny budzić w nas mieszaninę ekscytacji, dumy i pokory, podobną do tych jakie towarzyszyły naszym przodkom, żyjącym w cieniu pięknych katedr i potężnych zamków. Być może, tak jak my dzisiaj podziwiamy cuda dawnych epok, tak nasi praprawnukowie pochylą się nad osiągnięciami technicznymi XX i XXI wieku.

1. Obserwatorium Kecka

Nie wiem czy jest drugie miejsce na Ziemi tak wielbione przez astronomów. Na hawajskim szczycie Mauna Kea działa lub działało, kilkanaście obserwatoriów, w tym aż dziewięć teleskopów optycznych. Bezwzględnie trzeba tu wyróżnić Subaru, Gemini oraz bliźniacze teleskopy – Keck I i Keck II. Nie ma się czemu dziwić. Uśpiony wulkan wyrasta na 4 tys. metrów ponad poziom morza (dla porównania, nasze Rysy tylko 2,5 tys.) i znajduje się na wyspie pośrodku Pacyfiku, oddalonej o tysiące kilometrów od większych skupisk ludności. Daje to możliwość komfortowej pracy, nie tylko w czystym, ale i rozrzedzonym powietrzu.

Filantrop Howard Keck, który zainicjował przedsięwzięcie, mógłby odczuwać wielką satysfakcję widząc do czego się przyczynił. Obserwatorium jego imienia do dziś przyciąga badaczy z całego świata, a zwierciadła o średnicy 10 metrów, ciągle pracują na swoją sławę. W ostatnich latach, obserwacje przeprowadzone na Mauna Kea pozwoliły m.in. na zauważenie najmniejszego układu podwójnego, rekordowo odległych supernowych oraz odkrycie księżyca Eris.

2. Kosmiczny Teleskop Hubble’a

Wraz z wystrzeleniem Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w roku 1990, rozpoczęła się nowa era w dziejach badań kosmicznych. HST ukazał nam wyraźny obraz odległych zakątków wszechświata, o jakim nie mogliśmy marzyć patrząc w niebo przez zasłonę atmosfery. Od tego czasu, umieściliśmy na orbicie już osiem teleskopów kosmicznych, działających w różnym zakresie widma.

Hubble przeszedł do legendy, między innymi dlatego, że jako jedno z dwóch urządzeń w przestrzeni, działa w zakresie światła widzialnego. Słynne fotografie – Filarów Stworzenia, mgławicy Koński Łeb, galaktyki Sombrero, czy też kolejne wersje Głębokiego Pola Hubble’a – nawet jeżeli zostały uprzednio obrobione, najlepiej oddziałują na wyobraźnie przeciętnego człowieka. W każdym razie, większość z nas poszukując efektownej tapety na pulpit, prędzej sięgnie do barwnych zdjęć wybierającego się wkrótce na emeryturę HST, niż tych wykonanych w podczerwieni przez teleskop Spitzera, bądź w zakresie mikrofal przez sondę Planck.

3. International Thermonuclear Experimental Reactor

Co może przynieść więcej energii niż rozszczepianie jąder atomów? Ich fuzja. Reakcja termojądrowa polega na łączeniu się jąder lekkich pierwiastków w cięższe, czego efektem ubocznym jest wyzwolenie sporej dawki energii. Proces ten zachodzi spontanicznie we wnętrzach gwiazd, gdzie pokłady wodoru masowo przechodzą syntezę w hel, emitując przy tym światło i energię cieplną. Ujawnia się tu największa zaleta fuzji: energię można wydobyć z powszechnych i nieradioaktywnych pierwiastków. Ewentualne odpady jądrowe, również nie są tak groźne, jak te powstałe w obecnie eksploatowanych reaktorach jądrowych.

Sztuka polega na tym, aby odwzorować warunki panujące we wnętrzach gwiazd, nie mając pod ręką kuli gazu o masie kilkaset tysięcy razy większej od Ziemi. Choć może to niektórych zdziwić, urządzenia zdolne do zainicjowania reakcji termojądrowej, tzw. tokamaki, konstruowane są od ponad pół wieku. Działają, ale żaden jak dotąd nie służy do celów pozanaukowych. Największy tokamak, działający w Anglii, osiąga moc kilkudziesięciokrotnie mniejszą od przeciętnych reaktorów jądrowych. Co bardziej dołujące, aby w ogóle zainicjować fuzję, trzeba najpierw pozwolić paliwu przejść w stan plazmy, podgrzewając je do temperatury milionów stopni. Z tego powodu, ostateczny bilans energii włożonej w stosunku do uzyskanej nie napawa optymizmem.

Mimo to, prace nadal trwają. Konstruowany we Francji od 2006 roku eksperymentalny reaktor ITER, ma znacznie przesunąć granicę możliwości kontrolowanej fuzji. W rzeczy samej, zamiast 16 MW uzyskiwanych obecnie przez brytyjski JET, nowy tokamak będzie mógł się pochwalić mocą rzędu około 500 MW. Oznacza to, że wreszcie uda się osiągnąć zauważalnie więcej energii, niż będzie potrzebne dla samego rozgrzania plazmy.

4. IceCube Neutrino Observatory

Niewiele tworów przyrody irytuje badaczy tak bardzo jak neutrina. Cząstki te nie posiadają ani ładunku, ani masy i nieskrępowanie przemierzają wszechświat, przenikając przez wszelkie przeszkody. Ściślej mówiąc, pojedyncze neutrino może bezproblemowo przelecieć przez wszystkie planety Układu Słonecznego i nie “zauważyć”, że cokolwiek stanęło mu na drodze. Możemy sobie wyobrazić, ile zachodu kosztowało naukowców wynalezienie urządzenia do łapania niesfornych neutrin.

Jeden z takich detektorów został ulokowany w dość nietypowym miejscu – na Antarktydzie. Kostka Lodu posiada formę 86 lin z zawieszonymi czujnikami, wpuszczonymi do 2,5 kilometrowych otworów wywierconych w lądolodzie. Instrument, w pewnym pokrętnym sensie, pełni funkcję teleskopu. Nie ma, co prawda, zwierciadła, okularu i całej reszty ustrojstwa, ale również może służyć do wykrywania zjawisk mających miejsce wiele lat świetlnych od Ziemi. Rozbłyski gamma, supernowe, a nawet nasze Słońce, poza światłem emitują tryliardy tryliardów neutrin, tyle że w porównaniu do fotonów, neutrina niemal bez szwanku mijają wszelkie przeszkody, będąc niezwykle cennym źródłem informacji o najgwałtowniejszych procesach we wszechświecie.

5. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna

Prawdopodobnie w żaden projekt naukowy nie wpompowano takich środków jak w ISS. Poza początkową sumą 15-20 miliardów dolarów wydaną w ramach rozruchu projektu, trzeba pamiętać o kolejnych 50-70 miliardach jakie do dziś pochłonął montaż kolejnych modułów i eksploatacja obiektu. Nie przesadzę pisząc, że to więcej niż koszt wszystkich powyższych przedsięwzięć razem wziętych.

Całkiem uzasadnione wydaje się pytanie, czy było warto? Zdania są podzielone. Wysłanie na orbitę 400 ton żelastwa bez ściśle sprecyzowanego celu badawczego, to niewątpliwie kontrowersyjny sposób na wydanie pieniędzy podatników. Niemniej jednego nie sposób podważyć. Międzynarodowa Stacja stanowi bezcenny wyraz jedności i współpracy ludzkości w dążeniu do eksploracji kosmosu. W projekt zaangażowała się niemal cała, zdolna do tego część cywilizacji – Ameryka, Europa, Rosja, Brazylia, a ostatnio również Indie i Chiny – w ten sposób ISS przyczynił się do postawienia interesu globalnego przed partykularyzmem.

6. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory

Wszechświat to ogromna, niewidzialna i czterowymiarowa tkanina – powiada Albert Einstein. Wszyscy jesteśmy zanurzeni w czasoprzestrzennej sieci, która pod wpływem masy podlega ciągłym załamaniom i zakrzywieniom.  Co więcej, już w 1916 roku, twórca ogólnej teorii względności zapowiedział, że kosmiczna tafla nie jest idealnie gładka i można na niej dostrzec grawitacyjne fale oraz efekty pływowe.

Koncepcji  Einsteina nikt nie ważył się kwestionować, jednak fizyczne zarejestrowanie pływów grawitacyjnych, przez długi czas pozostawało poza zasięgiem naszej percepcji. Na początku XXI wieku, najbardziej prestiżowe uczelnie techniczne w Stanach Zjednoczonych, Caltech i MIT, połączyły swoje siły w celu skonstruowania Laserowego Obserwatorium Interferometrycznego Fal Grawitacyjnych. LIGO składa się z dwóch wielkich rur przecinających się pod kątem prostym, przez które przepuszczona zostaje wiązka laserowa. W chwili gdy przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna, dochodzi do zaniedbywalnie małego zaburzenia czasoprzestrzeni powodującego, że wystrzelone w tym samym momencie, przecinające się wiązki, dotrą do detektorów w różnym czasie. Mówimy tu o różnicach rzędu milionowej części sekundy, stąd dla wyeliminowania ryzyka błędu, wzniesiono dwa identyczne kompleksy badawcze oddalone od siebie o trzy tysiące kilometrów. Jeżeli pomiary w obu urządzeniach dają identyczne wyniki, oznacza to, że fizycy zarejestrowali falę grawitacyjną.

7. Wielki Zderzacz Hadronów

Wszyscy słyszeli o LHC. To symbol przypominający, że Europa wciąż nie złożyła broni i nadal jest w stanie rywalizować na polu naukowym z ośrodkami amerykańskimi i (wkrótce) chińskimi. Budowa obiektu pochłonęła 10 miliardów euro i trwała prawie piętnaście lat, ale rezultat końcowy był tego warty. Uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów odwróciło kierunek naukowych pielgrzymek fizyków i zakończyło monopol wysłużonego Tevatronu.

LHC to niepodważalnie najważniejszy współczesny przyrząd służący fizykom cząstek elementarnych. Najbardziej rzucającym się w oczy elementem akceleratora, jest kołowy tunel o długości 27 kilometrów, wewnątrz którego cząstki elementarne rozpędzane są do prędkości jak najbliższej prędkości światła. Im większa szybkość tym większa masa, a jak wiemy z najsłynniejszego wzoru Einsteina – im większa masa tym większa energia. Wszystko po to, aby rozkwasić cząstki elementarne i zobaczyć co się z nich “wykluje”. Energia jest tu bardzo ważna, bo czym mocniej zderzymy cząstki, tym więcej odkryjemy szczegółów dotyczących budowy otaczającej nas materii.

Wszelkie przewidywania i nadzieje związane z nową zabawką naukowców z CERN, ziściły się całkiem szybko. W lipcu 2012, czyli cztery lata po dziewiczym uruchomieniu urządzenia, świat obiegła wiadomość o wykryciu cząstki o cechach bozonu Higgsa. Długo wyczekiwany przełom, stanowi ważny krok na drodze do weryfikacji założeń Modelu Standardowego i jednocześnie ukazuje, że gigantyczna inwestycja nie była chybiona. A przecież to nie ostatnia rzecz, jaką LHC może powiedzieć nam o wszechświecie.

Literatura uzupełniające:
M. Brown, Satellites of the Largest Kuiper Belt Objects, „Astrophysical Journal Letters” [online] nr 639, 2011;
T. Kwast, LIGO – nadzieja na detekcję fal grawitacyjnych, www.mimuw.edu.pl [online], 2011;
Sciencedaily.com/releases/2010/12/101219083814.htm [online];
ec.Europa.eu/research/leaflets/iter/article_3090_pl.html [onilne];
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005;
Z. Ajduk, S. Pokorski, K. Turzyński, Oddziaływania elementarne i LHC, Delta, nr 1, 2005.
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji Dawn Dalej niż kot Schrödingera Kosmiczna symfonia cz.2: Od kwantu do struny