10 největších vědeckých experimentů na Zemi

Od sítě dalekohledů, která pokrývá většinu zeměkoule, přes urychlovač částic, jímž byste se procházeli 24 hodin, až po psychologickou studii, která zahrnuje 67 zemí – podívejte se na dosud největší vědecké experimenty na naší planetě.

Někdy musí věda nasadit těžký kalibr - resp. rozmáchnout se do šířky (a výšky a hloubky). Tyto experimenty patří k největším, jaké kdy byly provedeny.

1) Lovec gravitačních vln

Vlnění v gravitačním poli vesmíru, známé jako gravitační vlny, jsou pozůstatky masivních galaktických událostí, jako jsou srážky černých děr a slučování neutronových hvězd. Tyto vlny mohou dokonce zaznamenávat ozvěny Velkého třesku. K jejich detekci vědci potřebují velké vybavení, jakým je observatoř LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory).

LIGO se skládá ze dvou velkých přístrojů, z nichž každý má dvě ramena o délce 2,5 míle (4 km). Přístroje jsou ve státě Washington a Louisianě, vzdálené přibližně 3 000 km od sebe. Ramena tvoří  laserové interferometry uspořádané do tvaru L. Jeden laserový paprsek je rozdělen na polovinu, přičemž každá polovina se vyšle jedním z ramen. Na konci každého ramene je sada zrcadel, která několikrát odrážejí každý poloviční laserový paprsek a pak zpět, aby se znovu spojily.

Zkoumáním interferenčního vzoru – způsobu, jakým se spojují vrcholy a prohlubně světelných vln – mohou vědci určit, zda během experimentu došlo ke gravitačnímu zvlnění. Pokud ano, mohou si jej podrobně prostudovat. Čím větší (delší) jsou ramena, tím je přístroj citlivější, což je důvod, proč se LIGO může pochlubit nejdelším laserovým interferometrem, jaký byl kdy vyroben.

LIGO detekoval všechny druhy záhadných galaktických jevů, od splynutí neutronové hvězdy a (pravděpodobně) superlehké černé díry až po četné kolize mezi neutronovými hvězdami. (Také detekoval hejno havranů klovajících do rampouchů ve washingtonském zařízení (což ovšem bylo pozorování s menšími důsledky pro dynamiku vesmíru.)

2) Největší rozbíječ atomů na světě

Ke studiu velmi malých věcí musejí vědci někdy používat velmi veliké přístroje. Není však většího přístroje než Velký hadronový urychlovač (LHC), největší urychlovač částic na světě. Podzemní prstenec o průměru 27 km je osazený čtyřmi detektory, známými jako ATLAS, CMS, ALICE a LHCb. ATLAS o váze 7 000 tun je největším detektorem částic, jaký byl kdy postaven. Přístroj měří širokou škálu subatomárních částic, které vznikají, když se na sebe vysokou rychlostí vrhají paprsky částic a vytvářejí kolize, v nichž se rodí exotické, dříve neznámé a nepolapitelné elementární částice, jako je např. Higgsův boson.

LHC se může pochlubit více než 10 000 tunami železa ve svých magnetických systémech a tisíci kilometrů niob-titanového kabelu. Je to také největší a nejchladnější lednička na Zemi, protože magnety musejí být udržovány na minus 271,25 stupňů Celsia, což je jen o něco chladněji než je běžné ve vesmíru.

3) Miniaturní amazonské deštné pralesy

Projekt Amazon FACE: Sledujte zde

Tím, že lidstvo každoročně pumpuje do atmosféry tuny oxidu uhličitého (CO₂) prostřednictvím spalování fosilních paliv, provádí extrémně rozsáhlý – a velmi nekontrolovaný – experiment. V amazonském deštném pralese se vědci snaží získat přehled o důsledcích působení tohoto skleníkového plynu ve vlastním velkém experimentu.

Projekt s názvem AmazonFACE si klade za cíl zvýšit koncentraci oxidu uhličitého ve vybraných částech největší tropické lesní pánve na světě, aby bylo možné pochopit dopady zvýšeného CO₂ na „plíce planety“. FACE je zkratka pro „Free-Air Carbon Dioxide Enrichment“. Experiment se skládá z 12 pozorovacích polí na šesti plochách o průměru 30 m: tři při koncentracích oxidu uhličitého v okolním prostředí a tři při vyšších koncentracích. Předpokládá se, že nejvyšší koncentrace – 615 ppm (částic na milion) – bude dosaženo do roku 2070.

Na každém pozemku roste přibližně 400 druhů rostlin a mnohem více exemplářů hub a půdních mikrobů – rozsáhlé ekosystémy. Jak se hladina oxidu uhličitého zvyšuje, rostliny fotosyntetizují rychleji a uvolňují méně vody ze svých listů, vysvětlil Beto Quesada, výkonný manažer projektu a výzkumný pracovník Národního institutu pro amazonský výzkum. To by mohlo pomoci ochránit prales před dopady změny klimatu, která by měla podle předpovědí do amazonské oblasti přinést sucho.

„Rovnováha mezi těmito dvěma procesy a bod zvratu mezi zdravým lesem a kolabujícím ekosystémem nejsou známy“, řekl David Lapola, vědecký koordinátor projektu a výzkumný pracovník v Centru pro meteorologický a klimatický výzkum aplikovaný na zemědělství na univerzitě v Campinas (UNICAMP) v Brazílii. „Budeme se snažit vyřešit jednu z největších nejistot ohledně budoucnosti amazonského pralesa ve světle změny klimatu,“ řekl Lapola.

Výzkumníci budou měřit dopad dodatečného CO₂ na fyziologii rostlin, včetně toho, zda rostliny v atmosféře bohaté na uhlík přidávají dočasné struktury, jako jsou listy, nebo trvalejší prvky, jako je dřevo. To je důležité studovat, protože dřevo zadržuje uhlík po staletí, zatímco uhlík z listů se znovu dostává do životního prostředí během jednoho nebo dvou let. Očekává se, že experiment bude probíhat nejméně deset let. „Je to experiment v měřítku ekosystému,“ řekl Quesada, „ale je to mnohem víc než to. Jde o sociální, ekonomické a environmentální dopady, které by měla ztráta deštného pralesa.“

4) Skutečně masivní zařízení na zachycování uhlíku

Podle Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) lidstvo nemusí jen přestat vypouštět oxid uhličitý do atmosféry, aby se vyhnulo zvýšení globální teploty o více než 1,5 °C nad předindustriální úroveň. Musíme také stáhnout uhlík zpět ze vzduchu.

Do roku 2050 je třeba odstranit 6 až 10 gigatun uhlíkového ekvivalentu, aby se zabránilo dosažení prahu oteplování stanoveného Pařížskou dohodou. Existuje mnoho možností sekvestrace (ukládání) uhlíku, jako je zachycování toků průmyslového odpadu a pohřbívání biomasy. Ale vůbec první zařízení na zachycování uhlíku v komerčním měřítku v moři má za cíl odstraňovat uhlík přímo z oceánu.

Oceán přirozeně přijímá uhlík z atmosféry, ale nemůže ho absorbovat dostatečně rychle, aby způsobil klimatický rozdíl v měřítku délky lidského života. Společnost Equatic, která se zabývá zachycováním uhlíku, si klade za cíl tento časový plán urychlit. „Komerční továrně společnosti Equatic trvá pět minut, než odstraní jednu tunu uhlíku tím, že do nádrže napumpuje mořskou vodu, pustí do ní elektrický proud a poté se s mořskou vodou spojí proud vzduchu z atmosféry,“ řekl Edward Sanders, provozní ředitel společnosti Equatic. „Ekvivalentní ploše otevřeného oceánu trvá 12 měsíců, než odstraní jednu tunu uhlíku.“

Chemický proces, který odstraňuje uhlík z mořské vody, také vytváří vodík, prvek, který je vhodný pro mnoho průmyslových odvětví a lze jej spalovat jako palivo pro pokrytí 40 % energetických nákladů procesu zachycování uhlíku. Uhlík se pak izoluje jako hydrogenuhličitan, stejný materiál, který tvoří schránky mušlí, a který udrží uhlík mimo atmosféru až 10 000 let. Tento hydrogenuhličitan lze vrátit zpět do moře nebo použít v hnojivech. Může také sloužit jako stavební materiál při obnově pobřeží.

Podobné experimenty byly provedeny v pilotním měřítku, ale zařízení společnosti Equatic v Quebecu bude mít od roku 2027 za cíl sekvestrovat 109 500 tun uhlíku ročně. Půjde o první pokus v komerčním měřítku, o snížení přetížení atmosféry skleníkovými plyny prostřednictvím oceánů.

5) Svět miminek

Jak se miminka učí jazyk? Kdy rozumí gestům? Jsou naprogramována k napodobování dospělých? Na všechny tyto otázky je těžké odpovědět, protože miminka jsou náročnými výzkumnými objekty, náchylnými k pláči či nečekanému spánku, když to výzkumníci nejméně potřebují.

Obtížnost náboru zaneprázdněných, vyčerpaných rodičů a jejich často nespolupracujících dětí pro výzkumné studie vedla ke vzniku organizace ManyBabies. Tato globální spolupráce výzkumníků z více než 50 zemí sdružuje studie vývoje kojenců od menších měřítek do velkých vzorků – často do tisíců dětí.

V rámci výzkumné spolupráce se již zjistilo, že kojenci skutečně preferují dětskou řeč před řečí ve stylu dospělých, což naznačuje, že přirozená tendence žvatlat na děti je evoluční adaptací, která jim pomáhá učit se jazyk. Vědci nyní studují, jak se u dětí rozvíjí porozumění jiným lidem, dovednost známá jako teorie mysli, a snaží se zjistit, kdy se naučí aplikovat na různé situace abstraktní pravidla. Vyvíjejí také nové metody, jako je technologie sledování očí a neinvazivní zobrazovací techniky mozku, aby zjistili, co se kojenci učí.

6) Kus antarktického ledu o velikosti města

Neutrina jsou často nazývána „částicemi duchů“, protože téměř nehmotné částice při průchodu hmotou v podstatě neinteragují. Protože jen zřídka narušují jinou hmotu, je obtížné je odhalit. Ale nalezení neutrin ze vzdálených kosmických zdrojů může být způsob, jak pozorovat a analyzovat prostředí s vysokou energií, jako jsou pulsary, supernovy a černé díry. Potřebujeme velmi velký cíl, miliardu tun materiálu, abychom měli šanci jednou za čas některé z nich chytit. A tak se to vědci snaží udělat. Tyto miliardy tun materiálu jsou např. krychlový kilometr ledu na jižním pólu. Neutrinová observatoř IceCube je pozoruhodná jak svou velikostí, tak odlehlostí. IceCube se skládá z řady optických detektorů na provázcích, které procházejí otvory vyvrtanými do hloubky 1 450 m až 2 450 m do antarktického ledu.

Když neutrino interaguje s ledem, vytváří další částice, které mohou dále vyzařovat fotony, záblesky světla. Senzory toto světlo detekují a mohou měřit jeho vlnovou délku, aby odhalily vlastnosti neutrina a jeho zdroj. (To je důvod, proč je důležité průhledné médium, jako je led – materiál musí být čirý, aby bylo světlo detekovatelné.)

Data z IceCube umožnila vědcům vytvořit první mapu Mléčné dráhy s použitím hmoty, nejen světla. Observatoř také odhalila podivné vysokoenergetické kosmické záření, které nelze jednoduše vysvětlit. A vědci mají v plánu jít ještě dál. V současné době připravují plán pro IceCube Gen-2, který by rozšířil nynější observatoř na osminásobek její současné velikosti, s polem rádiových detektorů o rozloze 500 km² pro zesílení příchozích neutrin. To by velmi zvýšilo citlivost detektoru a umožnilo lepší klasifikaci neutrin, která jím procházejí.

7) Psychologická studie s celosvětovým rozsahem

Pandemie COVID-19 byla svým vlastním globálním experimentem, i když s obrovským množstvím nekontrolovaných proměnných. Psychologové využili této sdílené globální zkušenosti pro několik největších psychologických studií všech dob.

Jedna z nich, s téměř 50 000 účastníky, zjistila, že lidé se silnější národní identitou reagovali lépe na úsilí v oblasti veřejného zdraví. V 67 zemích lidé se silnějším pocitem identifikace se svým národem zůstávali během karantény na místě, podporovali politiku veřejného zdraví a po nástupu pandemie dodržovali sociální distancování a přísnější fyzickou hygienu častěji než lidé se slabším smyslem pro národní identitu. Národní identita je o pocitu kolektivní sounáležitosti a vzájemné spolupráci.

„Tyto výsledky jsou v souladu se sociálně psychologickou literaturou o výhodách identifikace se svými sociálními skupinami,“ napsali autoři. „Také zdůrazňují potenciální přínos [národní identity], který by mohl být významný během jiné národní nebo globální zdravotní krize.“

Další významná studie z doby COVID s téměř 27 000 účastníky zjistila, že zprávy zdůrazňující autonomii povzbuzují k dodržování doporučení pro sociální distancování. Studie testovala různé strategie zasílání zpráv o sociálním distancování v 89 zemích a zjistila, že ty, které se zaměřovaly na osobní autonomii a hodnotu promyšlených rozhodnutí, byly účinnější než zprávy, které zdůrazňovaly stud a tlak.

8) Staletí trvající rostlinný experiment

Malý velikostí, ale velký trváním. Experiment životaschopnosti semen botanika Williama Jamese Beala z Michiganské státní univerzity probíhá nepřetržitě od roku 1879. Cílem tohoto experimentu je zjistit, jak dlouho mohou semena různých rostlin ležet v klidu, než vyklíčí. Aby to zjistil, Beal zakopal lahve se semeny 23 různých rostlin 3 stopy (0,9 m) hluboko na neporušeném (a tajném) místě, aby nemohly vyklíčit. Začal odkrývat lahve v pětiletých intervalech – interval se nakonec protáhl na 10 let.

Je neuvěřitelné, že experiment stále probíhá. Nyní vědci prodlužují mezeru mezi otevřením lahví na 20 let, protože semena stále klíčí. Poslední lahve byly otevřeny v roce 2021 a další sada dostane svůj čas zazářit v roce 2040. Zjištění mají důsledky pro evoluci rostlin a klíčení semen a mohou být užitečná pro pochopení procesu obnovy stanovišť, pro semenné banky nebo pro uchování semen pro potenciální použití ve vzdálené budoucnosti.

Podle státu Michigan je v plánu udržet experiment v chodu až do roku 2100. Bude to stačit na zjištění maximálního věku, kdy mohou některá ze semen odpočívat než vyklíčí? Pravděpodobně ne; je známo, že rostliny vyklíčily i ze semen starých až 2 000 let. 

9) Čínský monstrózně obrovský radioteleskop

Čínský pětisetmetrový sférický dalekohled FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) je největším radioteleskopem na světě s jednou parabolou o průměru 1 640 stop. Parabolu drží 328 stop (100 m) vysoké ocelové věže a 6 670 kabelů. Nyní je v nové fázi výstavby přidáno 24 pohyblivých radioteleskopů o průměru 40 m.

Pole se nachází v přírodní proláklině zvané Dawodang v členité topografii čínské provincie Guizhou. To jej chrání před elektromagnetickým rušením z lidských zdrojů a zvyšuje jeho citlivost na kosmické rádiové signály. Podle Čínské akademie věd je cílem využít citlivost dalekohledu k provádění rozsáhlých prohlídek vesmíru.

FAST zahájil provoz na plnou kapacitu v roce 2020 a již objevil více než 200 pulsarů, což jsou rotující neutronové hvězdy, které vyzařují pravidelné pulsy elektromagnetického záření. Patří mezi ně i pulsar PSR J0318+0253, který je ve vzdálenosti 4 000 světelných let a s rotační periodou menší než 10 milisekund jedním z nejslabších rádiových milisekundových pulsarů, jaké kdy byly objeveny. 

10) Síť dalekohledů, která pokrývá většinu světa

Co byste mohli vidět dalekohledem o velikosti světa? Například černou díru v srdci Mléčné dráhy. Event Horizon Telescope (EHT) je síť radioteleskopů táhnoucích se od Grónska k jižnímu pólu (ze severu na jih) a ze Španělska na Havaj (z východu na západ). Přesný počet observatoří v EHT se mění s časem (v roce 2021 to bylo 11) a v budoucnu budou přibývat nové dalekohledy – včetně jednoho plánovaného na Kanárských ostrovech.

Tyto observatoře spolupracují na detekci slabých rádiových signálů spojených s černými dírami. Tato spolupráce vytvořila vůbec první pohled na černou díru, včetně obrysů horizontu událostí, hranice, přes kterou nemůže uniknout žádné světlo ani hmota. Vědci také pozorovali fascinující vír černé díry v centru naší vlastní Galaxie a pozorovali obří elektromagnetické výtrysky vystřelující ze supermasivní černé díry v srdci galaxie Perseus A. Nedávno nahlédli do srdce kvasaru, supersvítivého galaktického jádra poháněného masivní černou dírou.

EHT musí být velký, protože se spoléhá na schopnost pozorovat vesmír nepřetržitě po dobu osmi až 14 hodin z několika úhlů, jak uvádí Black Hole Partnerships for International Research and Education, partner, který vyvíjí algoritmy používané dalekohledem. Tyto algoritmy také počítají s rotací Země, aby se pozorování překrývala, což vědcům umožňuje kombinovat snímky z mnoha dalekohledů. Teprve pak mohou nahlédnout do některých z největších, ale zároveň nejhůře pozorovatelných jevů ve vesmíru.

Zdroj: The 10 biggest science experiments on Earth | Live Science