Atsisveikinimas su 2016-ais: įdomiausi moksliniai įvykiai

Skaitydamas lietuviškus internetus pasigedau spaudoje įdomesnės praėjusiųjų metų mokslinių įvykių apžvalgos. Viešojoje erdvėje visus metus dominavo keletas naujienų – vieną buvo susijusi su gravitacinių bangų eksperimentiniu patvirtinimu. Kitą – su garsiai spaudos išreklamuotu „lietuvišku Nobeliu“ už CRISP genų „karpymo“ technologiją, kurią, anot visų Lietuvoje, „turėjo“ gauti VU profesorius Virginijus Šikšnys.

Tačiau su lietuviškais Nobeliais viskas yra kaip su „lietuviškomis“ Eurovizijomis – daug triukšmo renkant kandidatą, daug šurmulio apie „garantuotą“ kandidato laimėjimą, o po finalo – eilinės kaltųjų paieškos dėl prastų rezultatų. Taip ir šiais metais Nobelio komitetas visus Lietuvoje „nustebino“ skyręs premiją už molekulinės mašinas, apie kurias nei kas Lietuvoje rašė, nei kas ką nors girdėjo, nors užsienio spaudoje jas minėjo visi, kas tik netingėjo. Tiesą pasakius, ko norėti: mokslą Lietuvoje rimtai niekas nepopuliarina, naujienų portaluose mokslo skyrelis yra dažnu atveju „dėl vaizdo“, o specializuoti žurnalai (pvz. „Iliustruotas mokslas“) senai užsitarnavo tarp mokslininkų anekdotų rinkinių šlovę.

Taigi. Apie kokias įdomias naujienas neperskaitėte ir kokie praeitų metų moksliniai ir technologiniai pasiekimai yra verti mano (ir Jūsų) dėmesio? Jei norite sužinoti, skaitykite toliau.

Šie metai gali drąsiai pasivadinti ekstremalaus mokslo metais. Nepamenu dar tokių metų, kad tiek daug būtų proveržių ir tikrai ekstremalių pasiekimų tiek moksle, tiek technologijose. Šiemet mes išvydome naują superkompiuterių našumo lygį, pastatėme didžiausią saulės jėgainę bei sukonstravome stambiausią kosminį teleskopą. Pirmą kartą mokslo istorijoje mokslininkai išnagrinėjo antimedžiagos spektrą ir net suskystino šviesą! Ir dar daugiau, bet apie viską iš eilės…

Naujas Rentgeno spindulių lazeris ir jo 3,2 km ilgio schema. Naujas superlaidus greitintuvas pažymėtas mėlynai (kairėje), senasis varinis raudonai (dešinėje).

Visi mes gerai žinome, kad Lietuva – lazerių šalis, lietuviški lazeriai – geriausi pasaulyje, o Lietuvos fizikai – „gražiausi pasaulyje“ ((c) FIDI). Bet laikas sužinoti, kad šie metai „padovanojo“ patį galingiausią pasaulyje Rentgeno spindulių lazerį. Tenka apgailestauti, jog tai įvyko ne Lietuvoje, o Stenfordo tiesinių greitintuvų centre.  Šis lazeris yra 8 000 kartų greitesnė ir 10 000 kartų galingesnė senesnio, dar 2009 metais sukonstruoto Rentgeno spindulių lazerio versija. Lazerio ilgis yra 3,2 km ir jis geba generuoti net iki 1 mln Rentgeno spindulių lazerinių impulsų! Palyginimui, pradinė lazerio versija buvo 3 kartus trumpesnė ir galėjo generuoti tik 120 impulsų per sekundę.

Unduliatorius – elektroninio lazerio pagrindinis elementas. Pastovūs magnetai yra išdėliojami elektronų pluošto kelyje, o jų poliškumas periodiškai kinta. Magnetai (1), elektronų spindulys (2) ir sinchrotrono spinduliuotė (3).

Stenfordo mokslininkams nepavyko patiems be kitų pagalbos pagerinti šio milžiniško lazerio – jie pasitelkė dar penkių stambių mokslinių tyrimo centrų specialistus. Lazerio veikimo principas yra paprastas. Elektronai yra greitinami tiesiniame greitintuve, kurio kelyje yra patalpinti elektromagnetai, kurių poliai keičiasi kas tam tikrą apskaičiuotą atstumą. Kuomet elektronas skrieja pro tokius periodinius magnetus, jis juda ne tiesiai, o zigzagais. Kai elektronas praskrieja pro tą vietą, kur staigia pasikeičia magnetinio lauko kryptis, elektronas praranda energiją ir spinduliuoja šviesą. Atstumas tarp magnetų {displaystyle lambda _{u}} yra susijęs su spinduliuojamos šviesos bangos ilgiu. Keisdami magnetinio lauko stiprį, elektronų greitį, mokslininkai gali valdyti spinduliuojamos šviesos bangos ilgį.

Skalė, parodanti skirtingų gamtoje sutinkamų objektų dydžius. Palyginimui punktirinė linija parodo regimosios šviesos skyros ribą.

Senesnis lazeris naudojo paprastus varinius elektromagnetus, tačiau naujasis turi iš superlaidininkų pagamintus magnetus, panašius į tuos, kurie yra naudojami didžiajame hadronų greitintuve. Galite paklausti manęs, kam to reikia. Matote, mes kartu su jumis matome regimojoje šviesoje. Gamta pasidarbavo su mūsų ir kitų gyvų padarų akimis ir jos yra lyg mažos fotokameros, veikiančios su tam tikro bangos ilgio šviesa. Mikroskopai gali išskirti du taškus, kurie yra nutolę daugiau nei bangos ilgis, o mūsų matomos šviesos bangos ilgiai yra nuo 400 iki 700 nanometrų. Ką tai reiškia? Tai reiškia labai daug ir verta atskiro straipsnio, nes kitaip Jus neįsivaizduosite kiek gi daug tai mums reiškia.

Šviesa yra labai įvairi. Jos bangos ilgis – atstumas tarp bangos keterų – gali būti labai skirtingų dydžių.

Jei gi kalbėti visus atsiskaitymo terminus praleidusio studento kalba (supraskit, trumpai), mikroskopai tiesiog nemato objektų mažesnių už 400 nm ir jei tarp dvejų mikropasaulio daiktų atstumas mažesnis nei 400 nm, jie atrodys lyg vienas. Taip yra dėl to, kad šviesa yra elektromagnetinių laukų svyravimas. Lyg banga vandens paviršiuje, ji turi įdubas ir keteras, o atstumas tarp įdubų arba keterų vadinamas bangos ilgiu. Jei norime pamatyti daiktą, mažesnį už bangos ilgį, mums reiktų labai labai pasistengti. Tačiau paprastesnis kelias būtų tiesiog paimti mažesnio bangos ilgio šviesos šaltinį. Pavyzdžiui ultravioletą. Jei neužtenka ultravioleto, reikia imti Rentgeną!

Rentgeno bangos ilgis yra sulyginamas su atomų dydžiu. Tokioje šviesoje atstumas tarp bangos keterų yra mažiau nei 10 nanometrų ir gali būti gerokai mažesnis už atomo dydi (0,5 nm). Tai reikštų, kad su tokiu lazeriu mes galėtume pamatyti pavienes molekules bei stebėti chemines reakcijas realiu laiku!

Europoje esantis LHC šiemet pagaminto tiek daug duomenų, kiek buvo prieš tai pagaminęs per visą savo istoriją.

Jei šis su greitintuvais susijęs projektas yra labiau panašūs į tiksliausią žmogui pavaldų mikroskopą, didysis adronų greitintuvas yra labiau panašus į kūjį. Ekstremalų kūjį. Jį valdantį organizaciją – CERN – yra pripratusi prie ekstremalių dalykų. Visa CERN istorija yra vis galingesnių kūjų ir vis ambicingesnių pasiekimų virtinė. Tarkim, ar žinote, kad pernai didžiausias pasaulyje greitintuvas pagamino tiek duomenų, kiek buvo pagaminęs per visus prieš tai buvusius metus? Net 300 terabaitų tapo šiemet viešai prieinami visiems besidomintiems dalelių fizika (jei turite ambicijų, pirmyn, gal padarysite kokį atradimą). Šiuo metu greitintuvas veikia su didžiausiomis žmonijai žinomomis dalelių energijomis (13 TeV, reiktų prie progos parašyt apie tai) ir didžiausiu dalelių tankių kada nors žmogaus pagamintu. Šie skaičiai bus pagerinti ateinančiais metais ne mažiau kaip dešimt kartų.

Iki šiol buvusi didžiausia pasaulyje Saulės jėgainė Ivanpah (JAV).

Dalelių fizika yra ne vienintelė technologijų šaka, kur yra būtina labai stipriai sufokusuoti pluoštą. Ir, jei apie LHC pernai kalbėjo visi, kas neturėjo ką geresnio nuveikti, tai apie didžiausią Saulės jėgainę Lietuvoje neparašė niekas (jei suklydau, parašykite nuorodą komentaruose). Tačiau ten, kur Saulės yra planetoje vos ne daugiausia, apie Saulės energetiką galvoja. Arabų šalys, tokios kaip Dubajus, žvelgia į atsinaujinančius energijos šaltinius kaip į savo naują melžiamą karvę, skuba finansuot ambicingus projektus.

Anties formos kreivė geriausiai atspindi atsinaujinančių energetikos šaltinių bėda – nepastovų elektros energijos tiekimą.

Taip, dažno lietuvio galvoje Saulės jėgaine asocijuojasi su Saulės baterijų panelėmis ir fotovoltaikais. Tačiau „rimti vyrai“ su šitais žaislais nesiterlioja. Yra naudojama kita technologija – Saulės spinduliuotės koncentratoriai. Milžiniškas veidrodžių plotas, kur kiekvienas veidrodis lyg milžiniško lęšio elementas, sufokusuoja šviesą į centre esantį elementą su karšta druska. Galite vėl paklausti, kodėl ne ant stogų montuojamos Saulės baterijos? Atsakymas elementarus. Įprastos Saulės baterijos generuoja elektros energiją tada, kai šviečia Saulė. Akivaizdu, kad kai šviesu, mums elektros energijos nereikia. Jei mes be saiko didinsime Saulės jėgainių skaičių, jos elektrą generuos dieną, kai jos nereikia. Tačiau nusileidus Saulei, visi žmonės puola jungt šviesą bei elektros prietaisus, tačiau įprastos Saulės jėgainės nebegamina elektros.

Šią problemą išsprendžia Saulės jėgainės, kur šviesa kaitina druskas arba kitą medžiagą, o ta medžiaga specialiame cikle atiduoda savo šilumą ir gamina elektrą. Nusileidus Saulei, druskos dar 4-8 valandas būna karštos, to pakanka gamint elektrą ir naktį. Iki šiol didžiausia tokia jėgainė buvo JAV, tai buvo Ivanpah. Tačiau vienas iš naujų ambicingų projektų startavo pernai Dubajuje (Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park) ir jo tikslas yra gaminti iki 2020 metų apie 1GW, o vėliau šį skaičių padidinti 2030 metais iki 5 GW.

Skrydis tarp Saulės jėgainės veidrodžių turi pasekmių paukščių sveikatai.

Tokie milžiniški intensyvumai pakepina paukščius, kurie įskrenda į sukoncentruotą Saulės spindulių pluoštą.  Tarkime, jei Ivanpah (iki šiol didžiausia tokio tipo jegainė) turi 176 000 heliostatų aplink savo trejetą bokštų, kiekvienas turi aplink save po 58 000 heliostatų. Jei padarome prielaidą, kad veidrodis yra padengtas dulkėmis ir mirusiais vabzdžiais bei retai valomas, jis atspindi apie 90% Saulės energijos. Jei paukštis praskrenda tą erdvę ir paukščio matmuo yra kažkur apie vieną kampinį laipsnį (apie 1/360 apskritimo), tuomet nesunki matematika mums pasako, kad paukštį degina ne viena, o net 150 Saulių!  Ir kuo paukštis praskrenda arčiau bokšto, tuo didesnė energija jį pačirškina. Tiesa, mokslininkai jau turi sprendimą, kuris apsaugotų fauną. Tam reikia lengvai pakeist Saulės jėgainės heliostatų kryptis, tada bendra spinduliuotė nebebus tokia kryptinga. Nežiūrint į tai, jei paukštis praskristų tokią zoną, jis patirtų optimaliausiu atveju keturgubos Saulės „įdegį“.

Skysta šviesa. Elektronų ir fotonų kondensatas elgiasi lyg skystis.

Be didelių intensyvumų, didelių energijų ir panašių dalykų, praėję metai pasižymėjo ir pasiekimais labai mažų ir labai šaltų dalykų pasaulyje.  Mokslininkai apšvietė lazeriu puslaidininkinės medžiagos plokštelę labai nuolaidžiu kampu. Taip jie privertė puslaidininkinėje medžiagoje egzistuojančias pseudodaleles eksitonus sąveikauti su šviesa. Šios sąveikos metu atsirado labai specifinės šviesos-medžiagos dalelės vadinamos poliaritonais. Šiame bandyme nebūtų įvykę nieko neįprasto, jei ne žema temperatūrą. Atšaldžius puslaidininkinę plokštelę iki labai žemų temperatūrų, poliaritonai suformavo labai specifinę medžiagos būseną – Boze-Einšteino kondensatą. Kadangi viena iš poliaritonų sudedamųjų dalių yra šviesa, grubiai tariant mokslininkai gavo… „skystą“ šviesą.

Kaip tai gali būti? Prisiminkime, kad fotonai ir elektronai turi vienu metu tiek bangos tiek dalelių savybes. Esu apie tai rašęs, nes šis faktas yra sunkiai suvokiamas ne tik paprastam žmogui bet ir portalų mokslo skilčių žurnalistams. Jei aš skaičiuočiau, kiek kartų tokie portalai kaip „technologijos.lt“, „lrt.lt“, „delfi.lt“ ir kiti yra parašę atvirą nesamonę apie kvantinių dalelių dualumo principą, gaudamas po eurą už kartą, dabar konkuruočiau su „Perlo“ loterijų milijonieriais.

Poliaritoną sudaro fotonas ir elektronas. Todėl jis juda tik paviršiais tarp medžiagos, kur yra elektronų, ir vakuumo, kur yra fotonų.

Taigi, kai fotonai ir elektronai poliaritono dalelėje yra surišami, jie yra priversti gyventi kartu. Panašiai kaip mergina ir vaikinas gali nenorėt susituokt, nu, nes nesutampa „čakros“, „fibrai“, „karmos“ bei Zodiako ženklai, nors, žmogiškai kalbant, tėvai nori vieno, bet charakteriams žmonių neįsakysi. Taip ir poliaritone elgiasi elektronas su protonu. Kuomet mes verčiame juos sąveikauti, nors šios dalelės nenori tos sąveikos, kadangi šviesos fotonai beturi krūvio ir masės, tačiau fotonų elektrinis laukas interferuoja su elektrono lauku, o šiai sąveikai pagelbėja aplinkinės medžiagos atomai.

Šviesos dalelės fotono ir krūvininko – elektrono judesiai susisieja. Tiesa, kaip ir santuokoje, čia kažkas paima „viršų“. Duotu atveju „viršų“ paima elektronai – fotonai paklūsta. Kombinuotų dalelių sukimasis, pasirodo, priklauso ne nuo fotonų, o nuo elektronų „įgeidžių“. Bet tiek jau to, nekalbėkime apie šį „patriarchalizmą“ 🙂

Medžiaga ir antimedžiaga

Jei jau grįžt prie lietuviškos tematikos, pernai pirmą kartą žmonijos istorijoje buvo išmatuotas antimedžiagos elgesys.  Antimedžiaga yra mus sudarančios medžiagos priešininkė. Jei mūsų atomus sudaro elektronai, kurie sukasi apie branduolį, tai antimedžiagoje apie branduolį sukasi pozitronai. Teigiami elektronai. Mūsų atomų branduolį sudaro teigiamo krūvio protonai ir neutralūs neutronai. Antimedžiagoje gi tai yra antiprotonai su NEIGIAMU krūviu ir antineutronai.  Kažkodėl mūsų pasaulyje vyrauja įprasta medžiaga, iš kurios esame sudaryti. Antimedžiaga kažkur dingo. Nors nekeista, kai medžiaga sutinka antimedžiagą įvyksta milžiniškos galio sprogimas – anihiliacija.

Gana ilgą laiką vyko ginčas, ar antimedžiaga yra tokia pati, kaip medžiaga. Ar šviesa su ja sąveikauja taip pat. Pernai, mokslininkai sugebėjo sukaupti pakankamai daug antimedžiagos – antivandenilio. Jie išnagrinėjo, kaip antimedžiaga reaguoja į šviesą ir… nerado skirtumų. Tiesa, tai vis dar nepaaiškina, kodėl antimedžiagos aplink nestebime.

Dar norėčiau pakomentuoti su sūkuriais susijusią šių metų Nobelio premiją fizikoje, tačiau ją gana nerangiai ir blogai (lyg kokie atgrubnagiai) paaiškino porą mūsų vietinių mokslo populiarintojų, tai atitaisysiu jų padarytą žalą kitą kartą, kuomet papasakosiu, ką bendro su šia Nobelio premija turi lietuviai. O iki tol žinokite, viskas, ką rašė apie tai LT spauda buvo nevykęs košmariškas vertimas. Aplamai, kai atrodo, jog blogiau su mokslo naujienomis Lietuvoje būti blogiau jau tiesiog fiziškai nebegali, iš dugno pasibeldžia koks top -10 portalas ir parodo, kad gali. Ir dar kaip!

Jau 7 metus iš eilės sparčiausias kinų superkompiuteris.

Jei gi likti optimistinėje gaidoje, praeiti metai pasižymėjo ir ekstremaliais skaičiavimo greičiais. Net septinti metai iš eilės galingiausias pasaulio superkompiuteris yra Kinijoje.  Tai yra daugiau nei 3 kartus greitesnis superkompiuteris negu pernai buvęs Tianhe-2, kuris irgi priklausę Kinijai. Keista, kad Jungtinės Amerikos Valstybės pralošia rungtynes Kinijai. Klausimas, ką gi kinai darys?

Globalinio atšilimo modeliavimas ir klimato kaitos modeliai yra pagrindiniai kinų uždaviniai. Nors Lietuvoje visokie užkalniai tebekvestionoja globalinį atšilimą ir, kas keista, susilaukia aibė palaikymo, net komunistinė Kinija puikiai suvokia šio reiškinio realumą. Bet žinote, per daug vienam tekstui informacijos, aš apie visokius užkalnizmus pakalbėsiu vėliau.

Muro dėsnio mirties pranašystės.

Tačiau šiame tekste noriu paminėti vis dar tebegaliojantį Muro dėsnį, kaip dar viena ekstremalios žmonijos technologinės sėkmes pavyzdį. Šiam dėsniu mirtį pranašauja jau nuo 1995 metų. Pagrindų rasdavo visokių. Nors jis tebegaliodavo ir tebegaliodavo. Be abejo, Mūro dėsnis nėra fizikinis. Tai yra veikiau technologinė pastaba, kuri tiesiog fiziškai negali būti amžina. Tačiau inžinieriai vis randa būdų, kaip atitolint jos mirtį bent dar 3 metams.

Naujo tipo kompaktiška supergreita atminties komponuotė.

Ir 2016 metai pasižymėjo dar vienu proveržiu Mūro dėsnio galiojimo pratęsime. Vienas iš būdų pagaminti daugiau tranzistorių nesumažinant jų geometrinių dydžių yra naudoti trimatę tranzistorių architektūrą. Tarkime, korporacija Samsung perėjo nuo 32 sluoksnių atminties prie 48 sluoksnių. Jei tikėti korėjiečių firma, kietų SSD diskų kaina smuks. Tuo tarpu Hynix eksperimentuoja su naujo tipo atmintimi, kur atminties mikroschemų sluoksniai nėra išsidėstę plokštumoje. Toje atmintyje čipai auga trimatėje erdvėje, lyg žmogaus proto ląstelės.

Teksto pabaigai noriu driokstelėti bombą. Ši tema verta savo teksto ir aš apie tai parašysiu, tačiau jos nepaminėti šioje apžvalgoje būtų profesionali gėda. Kalbu apie „Stellarator“ – vokišką branduolinės sintezės įrenginį. Šis inžinerijos šedevras kaip tik prieš Naujus metus sugebėjo gerokai pasidarbuoti ir pademonstravo savo funkcionalumą.

Šiame įrenginyje yra įkalinta maža Saulė. Galingi plazmos srautai, turintys milijonų laipsnių temperatūras, yra uždaromi superdidelių magnetinių laukų įrenginio viduje. Esant tokioms sąlygoms, kurios yra panašios į sąlygas mūsų Saulės viduje, vandenilio plazmoje esantys branduoliai vienas su kitu susijungia ir susidaro helio branduoliai. Šios reakcijos metu išsiskiria milžiniškas energijos kiekis, panašus į tą, kurį generuoja reakcija Saulės gelmėse.

Esu kadaise rašęs, kad būtent branduolinė energetika yra žalioji mūsų ateitis. Jei žmonija kada galvoja tapti pirmo tipo kosminė civilizacija, Saulės energetika nepadės, teks užsiimt būtent branduolinė energetika. Belieka savęs paklausti, kada gi pirmoji žmonijos suvaldyta Saulė duos mums savo energijos… Gal kitais metais? Kantrybės ir sulauksime.

5 komentarai

  1. Labai saunus blogas, dziaugiuosi, kad uztikau.

    Negalejau nepastebeti, jog prastai vertinate populiariuosius mokslo populiarinimo kanalus Lietuvoje. Norejau paklausti, gal yra ir galite pasidalinti geraisiais pavyzdziais (zurnalai, portalai, blogai)?

  2. Labai šaunus straipsnis, sveikinu!
    Vienas netikslumas dėl LCLS-II. Kadangi dirbu šioje srityje, negalėjau nepastebėti: superlaidininkai (Niobis) naudojami pačiame tiesiniame greitintuve, o ne unduliatoriuje. Būtent superlaidus tiesinis greitintuvas leido ženkliai padidindi impulsų dažnį lyginant su variniu.
    Unduliatorius susideda iš ‘paprastų’, nuolatinių Neodimio magnetų.

Parašykite komentarą