Dragan KOSOVAC

1. avgust 2022.

Stara poslovica o tome kako „bez alata, nema zanata” posebno je tačna u domenu nauke. Ne samo u skorije vreme, već od početka naučnog rada, tokom vekova, istraživači su neprestano usavršavali alatke, pomagala i instrumente kojima se služe u svom svakodnevnom radu. Danas, kada su za pomeranje granica naučnih disciplina neophodni timovi od više stotina, pa čak i hiljada specijalizovanih naučnika, njihova pomagala i laboratorije poprimaju ekstremne oblike. Dimenzije i karakteristike ovih postrojenja jednako su impresivne kao i rezultati eksperimenata koji se u njima obavljaju, potvrđujući ili opovrgavajući teorije, praveći nove smernice za rad, razvoj i istraživanje. Ovom prilikom, vodimo vas u brzi obilazak kroz osam naučnih postrojenja širom sveta, koja mogu da se pohvale time da su „naj”.

Broj jedan

Najveća laboratorija na svetu je radno mesto za više od dvanaest hiljada naučnika, predstavlja dom najveće mašine na planeti, nalazi se sto metara pod zemljom i prostire se na 550 hektara ispod teritorije dve susedne zemlje. Naravno, govorimo o CERN-u (Conseil européen pour la recherche nucléaire), tačnije, glavnoj laboratoriji Evropske organizacije za nuklearna istraživanja koja je smeštena na švajcarsko-francuskoj granici, u, oko i ispod gradića Mere u Ženevskom kantonu. Organizacija je osnovana 1954. godine i danas ima 23 zemlje članice, a na njenom radu učestvuje više od 12400 stručnjaka iz preko 70 zemalja. Osoblje same laboratorije broji preko 2600 ljudi, a tokom godina kada je u CERN-u velik broj aktivnosti, eksperimenti generišu skoro 50 petabajta podataka.

Pomenuta najveća mašina na svetu je, naravno, LHC (Large Hadron Colider, engl. - Veliki hadronski sudarač), sudarač čestica sa najvećim energetskim nivoom na planeti. Da bi se čestice dovoljno ubrzale, one putuju u suprotnim smerovima kroz kružni, superprovodničkim magnetima okruženi, podzemni tunel (najdublja tačka tunela je na 175 metara pod zemljom), dugačak 27 kilometara. Nakon svakog značajnog eksperimenta, LHC prolazi kroz trogodišnji ciklus remonta, unapređivanja i pripreme za sledeću aktivaciju.

Najnovije, ukupno treće pokretanje LHC-a obavljeno je petog jula ove godine. U okviru ove serije sudara protonskih snopova naučnici će pokušati da otkriju više podataka o Higsovom bozonu, otkrivenom u CERNU pre 10 godina, kao i o tamnoj materiji. Procenjuje se da će maksimalna energija sudara, koja je tokom poslednjeg eksperimenta iznosila 13 teraelektronvolti, ovoga puta premašiti 13,6 teraelektronvolti (TeV). Mnogo značajnije, unapređenje senzora i sistema za brzo skladištenje podataka omogućiće prikupljanje mnogo veće količine sirovog materijala, čijom analizom će, kasnije, moći da se potvrde ili pobiju radne teorije sa kojima je pokrenut eksperiment.

Trka da se prikupi što više podataka, zapravo, tek počinje. Ova serija eksperimenata u CERN-u trajaće četiri godine, zatim sledi još jedan trogodišnji remont, da bi LHC ponovo bio uključen 2029. godine. Trenutne procene su da će se tokom tog, četvrtog uključenja LHC-a prikupiti ukupno deset puta više podataka, nego na prva tri zajedno!

Dubina

Kada neko gradi naučno postrojenje na „čudnom” mestu, to nije zato što ima atipičan osećaj za estetiku, nego zbog toga što funkcija zahteva takav smeštaj laboratorije. Tipičan primer takvog pristupa izgradnji je kanadski SNOLAB, pored mesta Sadberi u Ontariju. SNOLAB predstavlja proširenje prethodnog postrojenja SNO (Sudbury Neutrino Obeservatory), opservatorije za detekciju neutrina koje emituje Sunce. Da bi se otkrile tako male i brze čestice, potrebna vam je specijalna klasa onoga što se naziva „čista soba”. Često korišćene u okviru naučnih istraživanja, ali i proizvodnji mikroelektronike ili lekova, čiste sobe su visoko kontrolisana okruženja u kojima je nivo mikrozagađivača veoma nizak. Ovde se radi o prašini, mikrobima, aerosolnim česticama, pari hemijskih jedinjenja, ali i raznim oblicima elektromagnetnog zračenja.

Da bi se došlo do SNOLAB-a, potrebno je da se spustite 2070 metara ispod površine i to na veoma specifičan način. Prvo se ulazi u Krejton, stari rudnik nikla i bakra, a kada vas liftovi ostave na dva kilometra pod Zemljom, kreće put od kilometar i po ka samoj laboratoriji, tokom kog se svaka osoba više puta čisti od čestica koje bi ugrozile čistoću postrojenja. U samoj laboratoriji obavljaju se tri glavne grupe eksperimenata: detekcija neutrina, tamne materije i biološka istraživanja.

Dok je SNOLAB laboratorija na najvećoj dubini dostignutoj vertikalnim kopanjem, kineska CJPL (China Jinping Underground Laboratory), ukopana horizontalno preko osam kilometara u sečuansku planinu Jinping, a iznad sebe ima 2400 metara kamena i takođe se bavi izučavanjem neutrina i tamne materije. Ipak, ova laboratorija trenutno nije aktivna, jer je u toku renoviranje, kako bi se proširili njeni kapaciteti i napravila dodatna, još čistija postrojenja sa specijalnim materijalima sa niskim stepenom pozadinske radijacije.

Visina

Najviša laboratorija na svetu nalazi se na nepalskoj strani Mont Everesta, u dolini Kumbu u Nacionalnom parku Sagarmata. The Pyramid International Laboratory/Observatory (Međunarodna laboratorija/opservatorija Piramida) nalazi se na 5050 metara nadmorske visine, na 7,2 kilometra pešačenja od Baznog kampa Everest. Srce ovog postrojenja, koje je izgrađeno 1990. godine, predstavlja trospratna piramida sa kvadratnom osnovom, izgrađena od čelika, aluminijuma i prekrivena solarnim panelima, koji su odgovorni za kompletno snabdevanje laboratorije strujom. Primarni cilj ove istraživačke stanice, kojom je na početku upravljao kombinovani tim istraživača iz Italije i SAD, bio je da se otkrije da li se vrh K2 nalazi na većoj nadmorskoj visini od Everesta (kao što je sredinom osamdesetih godina prošlog veka tvrdio američki alpinista Lens Ovens). Nakon toga, rad Piramide se promenio u smeru ekološko-energetskog, meteorološkog, geološkog i medicinskog istraživanja. Tokom četvrt veka rada, ova laboratorija ugostila je preko 500 naučnih misija i više od 220 istraživača iz 143 naučne ustanove i na osnovu stečenih rezultata objavljeno je preko 760 naučnih radova. Nažalost, međunarodno finansiranje ove specijalne laboratorije obustavljeno je 2015. godine, pa su nepalske vlasti preuzele potpunu kontrolu nad Piramidom i zatvorili je za međunarodne istraživače.

Buka

Lansiranje ogromnih raketa nije samo veoma zabavan posao već i veoma bučan, čak i kada nema neželjenih eksplozija. Zapravo, pošto buka iznad 120 decibela fizički boli ljude (bez ikakve zaštite), nimalo ne čudi to da lansiranja raketa prilikom kojih se razvija buka intenziteta od čak 163 decibela može da ošteti vredan teret koji se podiže u orbitu.

Kako bi se testirao uticaj svih sila na materijale i osetljivu opremu koja treba da se lansira, NASA je ustanovila Space Power Facility (Postrojenje za testiranje snage za svemir) pored grada Sendaski, u državi Ohajo. Ovaj centar ima odeljenja za testiranje materijala na ekstremnim temperaturama i u vakuumu, pod dejstvom mehaničkih vibracija i elektromagnetne interferencije. Na kraju, tu je specijalno odeljenje, nazvano Reverberant Acoustic Test Facility (Postrojenje za testiranje akustike i reverberacije). Da bi se simulirala buka koju razvijaju raketni motori prilikom poletanja, serija prostorija opremljena je sa 36 specijalnih „truba” (svaka sa drugačijim opsegom zvučnih frekvencija) kroz koje vazduh ne pokreće neki „običan kompresor”, nego specijalni uređaj u kom se ogromna količina pritiska dobija isparavanjem tečnog azota. Prilikom testiranja za određeno lansiranje, osetljivi materijali testiraju se na tačan frekventni opseg i jačinu zvuka, karakteristične za raketu koju će data misija da koristi.

Tišina

U svakodnevnom životu, dugotrajna buka, mnogo tiša od 100 decibela, dovoljna je da zamori čoveka do tačke kada samo želite da malo odmorite u tišini. Ipak, postoji tišina koja je toliko neprijatna da se to fizički oseti, ako je verovati ljudima koji su iz prve ruke iskusili gluvu sobu u Laboratoriji Orfild u Mineapolisu. Gluve ili anehoične (ne proizvode eho) prostorije poznate su ljudima koji se bave zvukom i žele da smanje neželjenu buku u okruženju u kom snimaju. To se postiže tako što se svaka površina u sobi od koje može da se odbije zvučni talas oblaže vlaknastim materijalima koji „upijaju” zvuk, odnosno, rasejavaju zvučne talase do tačke neprimetnosti.

U Orfildu koriste ovakve prostorije za testiranje širokog spektra proizvoda i arhitektonskih rešenja, kako radi smanjenja neprijatnosti usled buke, tako i za stvaranje uslova kvalitetnije akustike kao, na primer, kod konstrukcije koncertnih dvorana ili velikih sportskih borilišta.

Najtiša soba u Orfieldu je toliko tiha da se vrednost pozadinske buke izražava negativnom vrednošću od -9,4 decibela, a postala je široko poznata nakon članka u časopisu „Smithsonian”, čiji autor je tvrdio da će bilo ko da poludi ako u ovoj prostoriji provede 45 minuta. Istina je da se čovek prilagođava na uslove, pogotovo ako je nepomičan. Nakon nekoliko minuta u apsolutnoj tišini, počinje svesno registrovanje zvukova koje inače ne primećujemo, kao što su rad srca, disanje, pa čak i rad creva. Glavni uzrok neprijatnosti u gluvim sobama nastaje pri kretanju, u vidu problema sa ravnotežom. Naime, većina ljudi se prilikom kretanja ne oslanja samo na vid, već nesvesno i na zvuk, u manjoj ili većoj meri. Kada tog zvuka nema, nenaviknut mozak „paniči”.

Dok je Laboratorija Orfild otvorena posetiocima koji za 60 dolara mogu pola sata da sede u sobi, sa ili bez svetla (lični izbor), to, ipak, nije najtiša gluva soba na planeti. Od 2015. godine, soba klasifikovana na čak -20,35 decibela nalazi se u sedištu kompanije Microsoft u Redmondu. Koliko je ovo tiho, govori podatak da se sudaranje molekula kiseonika i azota u vazduhu „čuje” na -23 decibela. Microsoftovi stručnjaci koriste ovu laboratoriju za razvoj Cortane, kao i za testiranje promena u intenzitetu zvukova koje prave električni uređaji tokom širokog spektra radnih uslova.

Hladnoća

Najhladnije mesto na planeti zemlji ne nalazi se na nekom od polova ili u bespućima Jakutije, već u Nemačkoj, na Univerzitetu u Bremenu. Tačnije, u okviru njihovog Centra za primenjene svemirske tehnologije i gravitaciju (ZARM - Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) nalazi se i specijalni „toranj za padanje” (Fallturm). U centru ove strukture, visoke 146 metara, nalazi se vakuumska cev kroz koju putuje specijalna kapsula u takvim uslovima da se u unutrašnjosti kapsule efektivno nalazi bestežinsko stanje. Zahvaljujući katapultu integrisanom u dno ove strukture, kapsula se za četvrt sekunde ubrzava na 168 kilometara na sat (20 G). U svakom pravcu, kapsula putuje 4,74 sekunde i za to vreme u njoj vlada potpuno bestežinsko stanje. Zahvaljujući tim uslovima, mogu da se obavljaju eksperimenti iz domena mehanike fluida, reologije, sagorevanja, termodinamike, biologije i razvoja novih materijala.

Jedan od eksperimenata koji moraju da se izvode u bestežinskom stanju, jer rezultati ne bi mogli da se detektuju u uslovima normalne Zemljine gravitacije, rezultuje stvaranjem takozvanog Boze-Ajnštajnovog kondenzata, specijalnog agregatnog stanja u kom gas postoji u vidu oblaka male gustine i temperature koja je bliska apsolutnoj nuli. Tokom jednog od eksperimenata obavljenog 2021. godine, uspešno je stvoren oblačić Boze-Ajnštajnovog kondenzata, čija temperatura je bila samo 38 pikocelzijusa iznad apsolutne nule, ali je postojao samo dve sekunde. Ta temperatura je za skoro ceo stepen niža od najhladnijeg mesta poznatog nauci. Naime, na 5000 svetlosnih godina daleko od Zemlje, unutar magline Bumerang, neprestano vlada temperatura od -272 stepena celzijusa.

Vrelina

Iako nije neka uteha tokom paklenih vrućina koje su zahvatile Evropu krajem jula (tačnije, baš u trenutku pisanja ovih redova), postoje mnogo, mnogo toplija mesta na planeti. Najveća temperatura na Zemlji zabeležena je 2010. godine, ali ne u nekoj od pustinja, nego na njujorškom Long Ajlendu, u gradiću zvanom Apton. Tamo se nalazi Nacionalna laboratorija Brukhejven (Brookhaven National Laboratory), a u njoj je Relativistički sudarač teških jona (Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC). Relativističkim sudaranjem teških jona zlata (sudari pri brzinama bliskim brzini svetlosti), postignuta je fantastična temperatura od četiri terakelvina (četiri biliona stepeni celzijusa). U uslovima toliko visoke energije, normalna materija prestaje da postoji i protoni i neutroni iz jezgra atoma zlata pretvaraju se u takozvanu kvark-gluonsku plazmu koju karakterišu snažne interakcije između subatomskih čestica, kvarkova i gluona. Postizanje takvih uslova je glavni razlog zašto je RHIC konstruisan - da bi se izučavala materija u stanju približnom onom koje je vladalo u svemiru neposredno nakon Velikog praska. Srećom, trajanje tako visokih temperatura meri se delićima sekunde.

Svetlost

Najsvetlija laboratorija na svetu nalazi se u srcu dela Sjedinjenih Američkih Država, koji se žargonski naziva „Silicijumskom prerijom”. U saveznoj državi Nebraska, na Univerzitetu Nebraske u Linkolnu (UNL), nalazi se Laboratorija za ekstremnu svetlost (Extreme Light Laboratory, ELL) gde je još 2017. godine proizvedena svetlost deset miliona puta većeg intenziteta od one koja se emituje sa površine Sunca.

Kako je to moguće i kakva čudovišna oprema je potrebna da bi se tako nešto postiglo? Odgovor je da sama oprema uopšte nije impozantna, stvar je u načinu na koji se koristi. Naime, u srcu sistema nalazi se laser Diocles, nazvan po strarogrčkom matematičaru Diokleu, koji je 200. godine pre nove ere izumeo parabolični reflektor). Ovaj laser ne proizvodi konstantan snop, već mu se snaga pojačava putem pulseva i linearnom modulacijom frekvencije. Najbitnije, zbog toga što su pulsevi fantastično kratki (10 femtosekundi ili milioniti deo milijarditog dela sekunde) njima može da se isporuči fantastična energija, veća od one koju prave sve elektrane na planeti (100 teravata ili 100 miliona megavata). Dodatni element jednačine je veličina samog pulsnog snopa, koja je toliko mala da zahvata samo jedan jedini elektron. Pogođen ovakvim visokoenergetskim pulsevima, elektronu relativistička masa raste oko dvadeset puta, usled čega emituje svetlost pomenutog intenziteta.

Verovatno se pitate: „A čemu sve to?” Odgovor je u izučavanju i primeni rasejanja visokoenergetske svetlosti, a ona se, pre svega, odnosi na medicinska istraživanja i stvaranje novih materijala. Najbitnije od svega, ovakav laser je u stanju da isporuči elektronima toliku količinu energije, za koje su do sada bili neophodni ubrzivači čestica zvani sinhrotroni, čija veličina se meri hangarima, a ne običnim prostorijama u univerzitskoj laboratoriji. Takvi visokoenergetski elektroni mogu da se iskoriste za stvaranje X-zraka, koji ne samo što imaju visoku energiju (u stanju su da prođu kroz čeličnu ploču od 25 centimetara), nego su toliko fokusirani da se dobijaju slike višestruko veće rezolucije. U slučaju dijagnostike kod ljudi, ovo bi značilo izlaganje hiljadama puta manjem zračenju.

• • •

Bez obzira na to gde se nalazi, neka laboratorija ne mora zvanično da nosi titulu najbolje u svetu po nekoj osnovi da bi se u njoj uspešno i kvalitetno obavljao bitan istraživački rad. Ipak, kada predmet proučavanja određenih naučnih disciplina toliko odudara od „normalnih” uslova svakodnevice, neophodna je konstrukcija opreme, uređaja i celih postrojenja koji su osmišljeni tako da omoguće nastavak pomeranja granica znanja. Dok tehnološki napredak omogućava i da manje organizacije o svom trošku uspostave laboratorije visokog kvaliteta, najbolje na svetu, kao što je CERN, i dalje će nastaviti da zahtevaju međunarodnu saradnju.