Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 23. února, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2024

Věda a nové technologie – tisící bulletin

Petr Kulhánek

Když jsme se v lednu 2003 rozhodli s partou nadšenců napsat první bulletiny o novinkách ve fyzice a astronomii, nikdo z nás tenkrát netušil, že tohle psaní přežije dvě desetiletí a dočká se tisícího pokračování. A tisící bulletin máte právě nyní před sebou. Na té tisícovce se podílelo 129 autorů. Moc rád bych všem poděkoval za tu neuvěřitelnou práci, která nás napříč léty přivedla k dnešnímu jubileu. Tři z vás už bohužel mezi námi nejsou: Honza Mlynář, Adam Prášek a Jarda Trnka. V našich srdcích ale zůstáváte napořád. Rád bych ten dnešní, jubilejní bulletin věnoval tomu, co nám přináší základní výzkum. Často slýchám otázky: Proč létáme do vesmíru, k čemu potřebujeme výzkum elementárních částic, velké urychlovače, to či ono drahé zařízení, bez něhož bychom se dozajista obešli? Základní výzkum má dvě roviny. Tou první je odvěká touha člověka zjistit, jak věci fungují. Tahle činnost se nedá naplánovat ve stylu, že na apríla letošního roku objevíme mimozemšťany a na Silvestra sedmou přírodní interakci. Touha po poznání přináší výsledky náhodně a teprve po delší době, někdy i celém století, je využijeme v našich technologiích. Tou druhou rovinou jsou podmínky výzkumu na hranici poznaného a nepoznaného, které vždy vyžadují neotřelá řešení a přinášejí prospěch ihned – náhodně objevené technologie, které nás posouvají jako civilizaci okamžitě kupředu. Právě na tuto druhou rovinu bych se dnes rád zaměřil ukázkami několika „udělátek“, bez nichž se dnes už neobejdeme a která vznikla neplánovaně při řešení úkolů základního výzkumu. Bude chleba levnější, když postavíme nový urychlovač či vyšleme do vesmíru novou nákladnou sondu? Jednoduchá otázka a ještě jednodušší odpověď: Ne, nebude. Ale poznáme nepoznané a získáme technologie, které nám život značně usnadní.

Tisící bulletin a dvacetiletá práce 126 autorů. Zdroj: PAXsims.

Apollo – americký program pilotovaných vesmírných letů probíhající v letech 1961 až 1972 a současně název kosmické lodi, která dopravila člověka na Měsíc. Vyvrcholením bylo přistání člověka na Měsíci (Apollo 11, Neil Armstrong, 20. 7. 1969). K cestě na Měsíc byla používána dosud největší nosná raketa Saturn V. Astronauté posledních misí využívali k pohybu po povrchu Měsíce speciální motorové vozítko. BNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω− předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. SKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km2. K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory).

Program Apollo

Často se říká, že projekt ApolloApollo – americký program pilotovaných vesmírných letů probíhající v letech 1961 až 1972 a současně název kosmické lodi, která dopravila člověka na Měsíc. Vyvrcholením bylo přistání člověka na Měsíci (Apollo 11, Neil Armstrong, 20. 7. 1969). K cestě na Měsíc byla používána dosud největší nosná raketa Saturn V. Astronauté posledních misí využívali k pohybu po povrchu Měsíce speciální motorové vozítko. nám kromě závodu o dobytí Měsíce tehdejšími velmocemi přinesl teflon a suchý zip. To je a není pravda zároveň. Teflon poprvé připravil americký chemik Roy Plunkett ze společnosti DuPont už v roce 1938 a suchý zip navrhl švýcarský inženýr Georges de Mestral v roce 1948. Za vzor mu posloužil lopuchový list uvízlý na psí srsti. Teflon i suchý zip byly tedy známy dávno před programem Apollo. Teflon byl v programu Apollo využit v tepelném štítu lodi a stal se nedílnou součástí nehořlavých skafandrů. Suchý zip se zase hodil k upevňování různých předmětů v kabině lodi. Využití teflonu i suchých zipů v programu Apollo odstartovalo jejich obrovské rozšíření v 70. a 80. letech dvacátého století. Dnes si svět bez teflonových pánví a suchých zipů jen sotva dokážeme představit.

Všimněme si ale technologií, které byly přímo v programu Apollo vymyšleny, nikoli jen použity. Elektronika před Apollem využívala plošné spoje osazené mnoha tranzistory. Pro Apollo bylo ale třeba dosáhnout výrazné miniaturizace součástek. Proto americký elektroinženýr ze společnosti Texas Instruments vyvinul první integrovaný obvod. Ten pak v 80. letech způsobil naprostou revoluci v elektronice a výpočetní technice. Dnešní PC by bez integrovaného obvodu vyvinutého v rámci programu Apollo nikdy nevznikla. Další příklad: bezdrátová sluchátka. Když Neil Armstrong pronášel svou slavnou větu „Je to malý krok pro člověka a velký skok pro lidstvo“, využil k tomu bezdrátová sluchátka se zabudovaným mikrofonem, která byla vyvinuta pro program Apollo. Jejich rozšíření v rámci celé civilizace na sebe nenechalo dlouho čekat. Při komunikaci astronautů s řídicím střediskem byly využívány dva komunikační kanály: jeden pro přenosy pro veřejnost a druhý, úsporný, pro odbornou komunikaci mezi astronauty a řídícím střediskem. Šlo o krátké elektronické zprávy, které se staly základem pozdější elektronické pošty. I dnešní emaily mají tedy prapůvod v programu Apollo. Společnost Black & Decker řešila pro program Apollo další důležitý úkol: odstranit prach z povrchu Měsíce v místě, kde měly být odebrány vzorky. Vyvinula speciální vysavač napájený akumulátory. Ten se stal prvním akunářadím v historii. Dnešní akuvrtačky a podobná udělátka pocházejí z programu Apollo. Když v roce 1967 zemřeli astronauti Apolla 1 při požáru kabiny, došlo k rozsáhlému zabezpečování kabiny i astronautů před případným požárem. V rámci nových opatření byly vyvinuty první nehořlavé skafandry. Ohnivzdorné obleky se zanedlouho staly běžným vybavením hasičů, záchranářů i armády. V kabinách nebylo možné každému astronautovi udělat vlastní sedačku šitou na míru jeho proporcím. Proto byla vyvinuta speciální paměťová pěna, která se vytvarovala podle těla astronauta. Tato pěna způsobila revoluci v nábytkářském a textilním průmyslu. A ještě jeden příklad na závěr. Potraviny připravené pro astronauty musely být lehké a bylo nutné, aby se nekazily. Při jejich přípravě bylo využito sušení mrazem (lyofylizace), které po programu Apollo zdomácnělo jak při přípravě potravin, tak například při záchraně starých vlhkých tisků. Připravené potraviny byly baleny do fólie, z níž byl odsán vzduch. V programu Apollo bylo tedy vyvinuto i vakuové balení potravin, které je dnes naprostou samozřejmostí v potravinovém průmyslu.

Uvedl jsem jen několik technologií vyvinutých v programu Apollo, který byl na první pohled jakoby odtržený od reality běžného života. Těch technologií je samozřejme mnohem víc: čočky odolné proti poškrábání, kamery s CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. senzory a mnohé další. Program Apollo se netýkal jen dobytí Měsíce, ale také technologických výzev, v rámci nichž se řešily problémy, které do té doby lidstvo zajímaly jen okrajově a nikoho nic nenutilo se jimi zabývat podrobněji.

Přistávací modul programu Apollo s měsícem a Zemí v pozadí. Zdroj: NASA.

Výzkum elementárních částic

CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. – Mekka částicové fyziky, největší urychlovač světa a výzkum, jehož význam dovede jen málokdo docenit. Nicméně poznání nejmenších částic látky, způsobů, jak spolu interagují, jak se srážejí a rozpadají, umožňuje to základní: dozvědět se, jak látka drží pohromadě, jak se chovají základní kameny jejích struktur v běžných i extrémních podmínkách. Bez tohoto poznání bychom nikdy nepochopili, jak zkrotit pro nás nepředstavitelný mikrosvět a přimět ho pracovat ve prospěch nás, lidí. Tohle je samozřejmě běh na dlouhou trať lemovaný dílčími úspěchy, slepými cestami a desetiletími mravenčí práce obřích výzkumných týmů. Přináší běžnému člověku takovýto výzkum také něco okamžitě využitelného až hmatatelného? Samozřejmě ano. Právě v komplexu urychlovačů CERN bylo třeba vyřešit přenos dat mezi jednotlivými počítači. Anglický informatik Tim Bernes-Lee vytvořil první protokol pro přenos souborů a návrh sítě propojující počítače (se zkratkou WWW, World Wide Web) už v roce 1989. V roce 1991 zprovoznil první internetový server světa na počítači NeXT. Dodnes je tento server součástí návštěvnické expozice v CERN. Následující rozmach internetu nemá v dějinách technologií obdoby. Studium světa elementárních částic změnilo civilizaci k nepoznání. Nebylo to ani poprvé, ani naposledy.

První internetový server světa, dnes muzeální kousek, v komplexu CERN. Zdroj: CDS.

Další obří částicová laboratoř se nachází na poloostrově Long Island v blízkosti amerického New Yorku. Brookhavenská národní laboratořBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω⁻ předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku. je jednou z mála laboratoří Spojených států, které jsou financovány přímo ze státního rozpočtu. Kromě slavných objevů na poli částicové fyziky nám tato laboratoř přinesla i technologie využívané dnes téměř v každé domácnosti. V BNL byla vyvinuta antikorozní ochrana kovů pomocí nanočástic, která rychle nahradila do té doby využívané sloučeniny obsahující jedovatý chróm. V současných automobilech je motor chráněn vícestupňovými motorovými oleji (například 10W30), které byly vyvinuty při vývoji nových komponent pro brookhavenský grafitový reaktor. Výzkum elementárních částic se neobejde bez magnetických polí. Ta udržují svazek částic na vhodné dráze v urychlovači, fokusují ho a jsou součástí většiny detektorů částic vylétajících z oblasti srážky. Není proto divu, že právě v Brookhavenu byl vyvinut a v roce 1968 patentován koncept vlaku Maglev (jde o zkratku ze slov magnetická levitace) pohybujícího se na magnetickém polštáři. Takové vlaky dnes jezní v Číně, Německu, Japonsku i dalších zemích světa. Jejich rychlosti hravě přesáhnou hranici 500 kilometrů za hodinu. A ještě jedno úsměvné prvenství z Brookhavenu. V roce 1958 byla v návštěvnickém centru instalována první videohra (tenis pro dva). Bez počítačových her, které později následovaly, bychom se jako lidstvo pravděpodobně obešli, na druhou stranu, kdo si hraje, nezlobí.

Areál Brookhavenské národní laboratoře. Napravo v popředí je zdroj synchrotronního
záření NSLS, vlevo vzadu je dobře patrný prstenec urychlovače RHIC. Zdroj: BNL.

SKA

Na jihu Afriky, v Austrálii a na Novém Zélandu je budována obří síť radioteleskopů a dalších zařízení pro příjem rádiových vln, jejíž celková sběrná plocha by měla ve finále dosáhnout kilometru čtverečního. Odsud anglický název tohoto ambiciózního projektu: Square Kilometer ArraySKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km². K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory). (viz AB 12/2018). S dokončením a prvním světlem se počítá v roce 2027, nicméně u takto gigantických projektů lze očekávat zpoždění. Každý obří vědecký projektu je spojen s vývojem nejrůznějších nových technologií. Jedna z nich je u SKA dokonce už na světě, a to dlouho před dobudováním nové observatoře. Inženýři totiž museli řešit přenosy velkého množství dat a v letech 2013 až 2015 vyvinuli nové, velmi účinné kompresní algoritmy dat, a to jak ztrátové, tak bezeztrátové. Tyto algoritmy se dnes už běžně využívají ve výpočetní technice. Jde o krásnou ukázku užitečnosti obřího vědeckého projektu ještě v době před jeho zahájením.

*  *  *

Snad těch několik příkladů ukázalo, že velké vědecké projekty se, aniž bychom si to uvědomovali, opravdu dotýkají každého z nás. Základní potraviny nám „velká věda“ samozřejmě nezlevní, jejich cenu určují jiné mechanizmy. Věda nám ale přináší dlouhodobý pokrok v pochopení, jak věci fungují, a nečekané nové technologie, které se objevují souběžně s řešením vědeckých problémů. Mnohé z těchto „náhodně“ objevených technologií mění směrování celé naší civilizace a stávají se trvalou součástí našich životů.

Square Kilometer Array – obří projekt stavby největší radiooteleskopické sítě světa. Dobře patrné jsou tři druhy antén, centrální hustě pokrytá část i větve stanic rozvíjející se po spirálách z centra. Zdroj: Square Kilometer Array Observatory.

Odkazy