Romualdas Karazija. Unikalūs mokslo prietaisai (3)
Romualdas Karazija
Mus supantys negyvosios gamtos reiškiniai, išskyrus retas išimtis, kaip antai kamuolinis žaibas, yra mokslo gana gerai ištirti. Priešakinė mokslo riba stumiasi vis tolyn nuo betarpiškai mūsų pojūčiais suvokiamo pasaulio labai didelių ir labai mažų atstumų, labai aukštų ir labai žemų temperatūrų bei kitomis kryptimis. Gamta nėra klastinga, tad mokslininkai nesusiduria su neįveikiamais pažinimo barjerais, tačiau ji nėra ir paprasta, tad įminti vis slaptesnes, bendresnes gamtos mįsles darosi kaskart sunkiau. Nuolatinis mokslo progresas reikalauja vis didesnių, daugelio mokslininkų sutelktų intelektinių pastangų, vis tikslesnių metodų, sudėtingesnių prietaisų, vis daugiau lėšų. Didžiausius, unikalius mokslo prietaisus dabar naudoja fizikai ir astronomai.
Kitus – 2009-uosius metus ketinama skelbti Pasauliniais astronomijos metais. Taip bus pažymėtas teleskopo išradimo keturių šimtų metų jubiliejus. 1608 m. įžymus italų mokslininkas Galileo Galilėjus (G. Galilei) išgirdo, kad olandų meistrai sukonstravo žiūroną – prietaisą, įgalinantį geriau įžiūrėti tolimus daiktus. Nieko nežinodamas apie to prietaiso sandarą ir, skirtingai nuo amatininkų, nuosekliai samprotaudamas, o ne atsitiktinai bandydamas, Galilėjus pakartojo išradimą. Supratęs, kad žiūronas gali būti labai vertingas astronomijoje, mokslininkas nukreipė jį į dangų. Taip žiūronas virto teleskopu. Jis buvo sudarytas iš dviejų lęšių, įtaisytų nedideliame vamzdyje, ir didino tik apie 30 kartų (1 pav.). Tačiau ir su tuo paprastu prietaisu Galilėjus padarė perversmą astronomijoje: įrodė, kad Mėnulis ir Saulė nėra tobuli dangaus kūnai (kaip teigė tuometis mokslas) – Mėnulyje yra kalnų, o Saulėje dėmių, atrado keturis Jupiterio palydovus, įrodė, kad Paukščių Takas yra didžiulis žvaigždžių sambūris.
Izaokas Niutonas (I. Newton) sukonstravo kito tipo teleskopą – reflektorių, kuriame spinduliai yra surenkami įgaubtu veidrodžiu. Po to, siekiant įžvelgti kuo mažesnio ryškio objektus, prietaiso matmenys buvo vis didinami. XVIII a. pabaigoje anglų astronomas Viljamas Heršelis (W. Herschel) pagamino 12 m ilgio teleskopą su 122 cm skersmens veidrodžiu; šiuo prietaisu jis atrado Urano planetą, kintamąsias žvaigždes, nustatė mūsų Galaktikos formą. Dabar JAV ir kitose šalyse veikiančių didžiausių teleskopų veidrodžio skersmuo siekia ar net viršija 10 m (tiesa, jie sudaryti iš kelių dalių). Vis dėlto daugiausia naujos, unikalios informacijos gauta Hablo kosminiu teleskopu (pavadintu žymaus XX a. astronomo E. Hablo (E. Hubble) vardu), nuo 1990 m. skriejančiu orbitoje aplink Žemę (2 pav.). Nors jo veidrodis tik 2,4 m, tačiau, nesant atmosferos trikdžių, jis įgalina registruoti itin kokybiškus kosminių objektų vaizdus. Hablo teleskopu padaryta daugelis atradimų: stebint nutolusias supernovas, įrodyta, kad Visata plečiasi greitėdama, atrasti jos objektai, esantys toliau nei už 10 milijardų šviesmečių, kitų žvaigždžių planetos, gauta galaktikų, ūkų unikalių nuotraukų. Vienoje iš jų (3 pav.) matyti dujų ir dulkių debesyse įsidegančios žvaigždės; tie kosminiai debesys buvo pavadinti Kuriančiaisiais Stulpais.
Aplink Žemę skraido ir daugiau kosminių observatorijų, kurios stebi Visatą kitomis elektromagnetinėmis bangomis: Rentgeno, ultravioletiniais, infraraudonaisiais, gama spinduliais. Kaip žmogaus įvairiais pojūčiais, taip ir įvairiais prietaisais gaunama informacija iš esmės pasipildo, įgalina aptikti naujus reiškinius ir objektus. Tačiau patys didžiausi prietaisai kosmoso tyrimams yra ne iškeliami į Žemės palydovo orbitą, o priešingai – įrengiami giliai po žeme. Jie registruoja iš kosmoso atlekiančius neutrinus – pačias skvarbiausias elementariąsias daleles. Neutrinai neturi elektros krūvio ir labai silpnai sąveikauja su medžiaga. Per visą Žemės rutulį jie pralekia taip lengvai, kaip saulės spindulys per lango stiklą. Daug neutrinų susidaro žvaigždėse vykstančių branduolinių reakcijų metu, dar daugiau jų klaidžioja po Visatą nuo Didžiojo sprogimo pradžios.
Vis dėlto neutrinus įmanoma registruoti, tiksliau ne juos pačius, o jų itin retai sukeliamas reakcijas su kitomis elementariosiomis dalelėmis. Milžiniška cisterna užpildoma scintiliacine medžiaga – skaidriu skysčiu, kuriame reakcijos metu susidariusios dalelės sukelia žybtelėjimą. Jį užfiksuoja labai jautrūs fotonų skaitikliai. Idant į tą ertmę nepatektų kitokios iš kosmoso atlekiančios dalelės, neutrinų detektorius slepiamas po žeme, dažniausiai nebeveikiančiose kasyklose. Pirmoji tokia neutrinų gaudyklė buvo įrengta 1970 m. Pietų Dakotoje (JAV). Ji užregistravo iš Saulės išlekiančius neutrinus, tačiau daug mažiau, negu jų turėjo būti pagal mokslo priimtą Saulės modelį. Mįslę išsprendė tik XX a. pabaigoje Kamiokos kasyklose Japonijoje pradėjusi veikti neutrinų observatorija, pavadinta SuperKamiokande (3 pav.). Ja naudojantis, buvo įrodyta, kad neutrinų, skirtingai negu šviesos dalelių fotonų, rimties masė nėra lygi nuliui, nors ir labai maža. Dėl to kai kurie neutrinai, skriedami iš Saulės į Žemę, virsta kitos rūšies neutrinais, kurių amerikiečiai savo prietaisu negalėjo užregistruoti. SuperKamiokande buvo aptikti ir neutrinų pliūpsniai, susidarantys masyvios žvaigždės sprogimo metu, sušvintant supernovai.
Vis dėlto patys didžiausieji pasaulyje mokslo prietaisai skirti ne kosminių objektų, o mažyčių elementariųjų dalelių tyrimams. Jų negalima įžiūrėti net pro tobuliausius mikroskopus. Tad elementariosios dalelės tiriamos stebint jų smūgius. Sąveikos metu susidaro naujos dalelės, kurias galima aptikti naudojantis burbuliukų kamera: dalelei lekiant perkaitintu skysčiu, susidaro jos pėdsakas – mažų burbuliukų virtinė. Rezultatai tuo įdomesni, kuo didesniu greičiu susiduria dalelės. Tad dar 1932 m. buvo sukurtas elementariųjų dalelių greitintuvas – ciklotronas (4 pav.).
Norint atrasti naujas, vis didesnės masės daleles, reikėjo didinti dalelių energiją ir todėl didėjo greitintuvų matmenys. Buvo išrasti kolaideriai – priešpriešinių srautų greitintuvai, kuriuose susiduria priešingomis kryptimis judančios dalelės ir jų antipodai – antidalelės. Toks milžiniškas prietaisas veikia JAV, Fermi nacionalinėje laboratorijoje, netoli Čikagos (5 pav.). Pagrindinė jo dalis – 6,l km ilgio žiedas, kuriame kaupiami, greitinami ir susiduria masyvios dalelės protonai ir antiprotonai. Šiuo greitintuvu buvo aptikta daug elementariųjų dalelių, tarp jų ir vienas iš kvarkų (fundamentaliosios dalelės, iš kurių sudarytos dauguma elementariųjų dalelių). Aišku, jog eksperimentus tokiu prietaisu gali vykdyti tik didžiulė fizikų ir technikų grupė. Antai pranešimas apie minėto kvarko atradimą buvo pasirašytas apie tūkstančio mokslininkų, atradimo autorių sąrašas užėmė porą puslapių (6 pav.).
O netrukus– planuojama šių metų gegužės mėnesį – unikalus tokio tipo prietaisas turėtų pradėti veikti Europoje, Ženevoje esančiame tarptautiniame branduolinių tyrimų centre, sutrumpintai vadinamame CERN. Tiesa sakant, gigantiškas elementariųjų dalelių kolaideris – net 27 km ilgio – čia jau veikė nuo 1989 m., tačiau jame susidurdavo nedidelės masės dalelės elektronai ir jų antidalelės – pozitronai. Tad nemaža dalimi išsėmus jo galimybes skverbtis į mikropasaulio gelmes, įrenginys buvo keletui metų uždarytas ir rekonstruotas į protonų ir antiprotonų kolaiderį. Jame dalelės bus pagreitinamos net iki 99,99975% šviesos greičio. Su šiuo prietaisu fizikai sieja dideles viltis atrasti vieną labai svarbią, teoretikų numatytą dalelę – Higso bozoną, aprobuoti dabar galiojančią elementariųjų dalelių teoriją (arba įrodyti, kad joje reikia daryti esminių pataisų) ir apskritai padaryti esminį proveržį šioje dar toli gražu neužbaigtoje fizikos šakoje.
Šis didžiausias pasaulyje prietaisas slypi tunelyje po miestu, net dviejų šalių - Šveicarijos ir Prancūzijos teritorijoje (7 pav.). Pats žiedas - sudėtingas ir labai tikslus įrenginys (8 pav.). Protonus ir jų antidaleles greitins ir nukreips septyni tūkstančiai superlaidžių magnetų. O susidūrimų metu susidarančias daleles registruos šeši didžiuliai detektoriai.
Pietų Prancūzijoje, Kadarache (Cadarache) sutelktomis daugelio šalių pastangomis (dalyvaujant ir Lietuvos mokslininkams) kuriamas naujos kartos termobranduolinės sintezės reaktorius ITER. Tai kartu ir prietaisas (juo bus tiriamos medžiagos savybės esant temperatūrai, kuri egzistuoja tik žvaigždžių gelmėse), ir techninis įrenginys (juo naudojantis, tikimasi išspręsti pačią svarbiausią mūsų civilizacijai iškylančią problemą – energijos problemą). Šis reaktorius kol kas egzistuoja tik brėžiniuose ir paveikslėliuose, tačiau neabejojama, kad jis pradės veikti numatytu laiku – 2016 m. Būsimojo reaktoriaus palyginimas su didžiausiu dabar egzistuojančiu sausumos gyvūnu – gamtos kūriniu – drambliu (9 pav.) padeda suvokti, kokius mokslo ir technikos stebuklus geba kurti žmogus.
Straipsnį ketinama spausdinti "Mokslo ir gyvenimo" žurnale (http://ausis.gf.vu.lt/mg/).