Čo má spoločné Slovensko s výskumom čiernych dier, elementárnych častíc či raného vesmíru? Viac, než by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Slovenskí fyzici a astrofyzici pracujú v medzinárodných tímoch v CERN-e, využívajú dáta z veľkých astronomických observatórií a podieľajú sa na teoretických modeloch, ktoré sa snažia vysvetliť najhlbšie zákonitosti prírody.
Táto oblasť patrí medzi tie, v ktorých sa slovenský výskum najprirodzenejšie prepája so svetovou špičkou. Vedci tu riešia otázky, ktoré patria medzi najťažšie vo fyzike: z čoho sa skladá hmota, ako fungujú základné interakcie, ako vznikol a vyvíja sa vesmír a čo sa deje v extrémnych podmienkach pri čiernych dierach, neutrónových hviezdach či zrážkach elementárnych častíc.
Slovensko v CERN-e
Najviditeľnejším príkladom medzinárodného prepojenia je Európska organizácia pre jadrový výskum – CERN. Slovenská republika je jeho členským štátom od 1. júla 1993. Slovenský výskum vysokoenergetickej fyziky sa sústreďuje predovšetkým na experimenty ATLAS a ALICE na Veľkom hadrónovom urýchľovači LHC. Slovenské tímy sú zapojené aj do experimentov NA62 a ISOLDE.
LHC umožňuje skúmať hmotu pri energiách, ktoré vytvárajú podmienky neporovnateľné s bežným svetom. ATLAS patrí medzi experimenty zamerané na široké skúmanie základných častíc a interakcií. ALICE sa špecializuje na hmotu pri extrémnych hustotách energie – najmä pri zrážkach ťažkých iónov, pri ktorých môže vznikať kvarkovo-gluónová plazma, stav, ktorý existoval v ranom vesmíre.
Slovenská účasť nie je formálna. Fyzici sa podieľajú na vývoji experimentálnej techniky, softvéru, spracovaní dát aj na interpretácii výsledkov. V kolaborácii ALICE pôsobia tímy Katedry jadrovej fyziky a biofyziky a Katedry teoretickej fyziky z Univerzity Komenského, Ústavu fyzikálnych vied Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, Ústavu experimentálnej fyziky SAV a Technickej univerzity v Košiciach.
Košická stopa v ALICE
Najkonkrétnejším príkladom je Ústav fyzikálnych vied Prírodovedeckej fakulty UPJŠ. Jeho pracovníci sú súčasťou experimentu ALICE už desaťročia. Venujú sa analýze častíc obsahujúcich podivný kvark a vývoju softvéru na monitorovanie kvality dát pre spúšťací systém experimentu.
Jedným z významných výsledkov, na ktorom sa podieľali aj pracovníci Katedry jadrovej a subjadrovej fyziky ÚFV PF UPJŠ, bolo priame pozorovanie takzvaného dead-cone effect – „efektu mŕtveho kužeľa“. Ide o jav predpovedaný kvantovou chromodynamikou: ťažké kvarky (napríklad charm) vyžarujú gluóny inak ako ľahké častice – okolo nich vzniká oblasť potlačeného žiarenia. ALICE ho ako prvá priamo pozorovala. Výsledok bol v roku 2022 publikovaný v časopise Nature a potvrdil základnú predikciu teórie silnej interakcie.
Tento príklad ukazuje, že slovenská účasť v CERN-e nie je iba o tom, že „sme pri tom“. Slovenské tímy prinášajú konkrétnu odbornú prácu a podieľajú sa na výsledkoch, ktoré posúvajú poznanie.
Keď teória opisuje vesmír
Experiment ukazuje, čo sa v prírode deje. Teoretická fyzika sa snaží vytvoriť matematický opis, ktorý pozorované javy vysvetľuje a umožňuje formulovať nové predpovede.
Na Slovensku má toto odvetvie výrazné zázemie na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského a vo Fyzikálnom ústave SAV. Na FMFI UK sa výskum v teoretickej fyzike venuje matematickej fyzike, fyzike elementárnych častíc, gravitácii a kozmológii aj mnohočasticovým systémom. Fakulta má samostatný magisterský program teoretickej fyziky a doktorandský program teoretickej a matematickej fyziky.
Teoretická fyzika tu nie je izolovaným premýšľaním. Je súčasťou cyklu medzi matematickým modelom, simuláciou, experimentom a astronomickým pozorovaním. Otázky o povahe gravitácie, štruktúre priestoru a času či vývoji raného vesmíru sa bez experimentálnych a pozorovacích dát nedajú zmysluplne riešiť.
Vesmír ako laboratórium
Podobné prepojenie existuje medzi teoretickou fyzikou a astrofyzikou. Vesmír poskytuje podmienky, ktoré na Zemi často nemožno vytvoriť.
Neutrónové hviezdy, čierne diery, výbuchy supernov či aktívne galaktické jadrá sú prirodzenými laboratóriami fyziky. Ich pozorovanie umožňuje testovať teórie a odhaľovať javy, ktoré by sme inak nemuseli vôbec zaznamenať.
Významným slovenským pracoviskom je Astronomický ústav SAV v Tatranskej Lomnici. Slovenskí astronómovia a astrofyzici sa zapájajú do medzinárodných pozorovacích programov a využívajú dáta z veľkých zahraničných observatórií, vrátane Európskeho južného observatória (ESO). Kvalita výsledku tu nezávisí od veľkosti krajiny, ale od schopnosti analyzovať dáta a pracovať v medzinárodných tímoch.
Košice: miesto, kde sa stretáva fyzika a astrofyzika
Na Prírodovedeckej fakulte UPJŠ pôsobí Katedra teoretickej fyziky a astrofyziky, ktorá prepája teoretickú fyziku so štúdiom vesmíru. Spolupráca s Astronomickým ústavom SAV vytvára priestor pre výskum a vzdelávanie na rozhraní viacerých odborov.
Moderná astrofyzika je interdisciplinárna. Astronóm dnes pracuje s veľkými dátovými súbormi, štatistickými metódami, numerickými simuláciami a programovaním. Za každým obrazom vzdialenej galaxie alebo spektrálnou čiarou sa môže skrývať informácia o fyzikálnych podmienkach, chemickom zložení či vývoji objektu.
Najväčšou hodnotou sú ľudia
Jedným z najdôležitejších výsledkov fundamentálneho výskumu nie je vedecký článok ani prístroj. Sú ním ľudia, ktorí sa naučia riešiť problémy, na ktoré neexistuje hotový návod.
Študent teoretickej fyziky pracuje s náročnou matematikou a modelmi. Študent časticovej fyziky sa stretáva s experimentálnymi dátami, programovaním a štatistickou analýzou. Astrofyzik spája pozorovania so simuláciami a veľkými dátovými súbormi.
Tieto zručnosti sú prenositeľné aj mimo akademickej sféry – do informatiky, dátovej analytiky, softvérového inžinierstva, modelovania, umelej inteligencie či kvantových technológií. Medzinárodné projekty navyše učia mladých vedcov pracovať v rozsiahlych tímoch a niesť zodpovednosť za časť spoločného výsledku.
Malá krajina môže byť súčasťou veľkej vedy
Slovensko nemôže konkurovať najväčším vedeckým mocnostiam počtom výskumníkov ani objemom investícií. Môže však byť súčasťou projektov, ktorých význam ďaleko presahuje hranice jedného štátu.
CERN je toho jasným príkladom. Slovensko je jeho plnoprávnym členským štátom a slovenskí vedci pôsobia v experimentoch, ktoré skúmajú samotné základy hmoty. Rovnaký princíp funguje aj v astronómii prostredníctvom medzinárodných observatórií a dátových archívov.
Nie každá krajina musí postaviť vlastný urýchľovač alebo obrovský teleskop. Musí však mať ľudí, ktorí dokážu výsledky týchto zariadení využívať, rozvíjať a prinášať do spoločných projektov vlastné nápady.
Investícia do otázok, na ktoré ešte nepoznáme odpoveď
Fundamentálny výskum nemá vždy okamžitý ekonomický výsledok. Keď sa fyzik pýta, čo sa deje v blízkosti čiernej diery, ako vznikla štruktúra vesmíru alebo prečo má hmota práve také vlastnosti, aké pozorujeme, odpoveď nemusí zajtra viesť k novému výrobku.
To však nie je jeho slabina. Úlohou fundamentálnej vedy je posúvať hranice toho, čo ľudstvo vie. Práve pri takomto výskume vznikajú metódy, technológie a odborné schopnosti, ktorých budúce využitie často nemožno predvídať.
Slovenská teoretická fyzika, časticová fyzika, kozmológia a astrofyzika nie sú okrajovou disciplínou. Sú súčasťou globálneho vedeckého priestoru, v ktorom sa rozhoduje o tom, ako budeme rozumieť hmote, priestoru, času a samotnému vesmíru.
A slovenskí vedci v ňom nie sú iba divákmi. Od CERN-u až po vzdialené galaxie ukazujú, že aj malá krajina môže prispievať k veľkej vede – ak dokáže udržať kvalitných ľudí, podporovať ich a dať im priestor klásť otázky, na ktoré zatiaľ nepoznáme odpoveď.
