10 найбільших наукових експериментів на Землі

Від мережі телескопів, яка охоплює більшу частину земної кулі, до психологічного дослідження, яке охоплює 67 країн, ось найбільші наукові експерименти на планеті. Іноді наука потребує великого розвитку. Від телескопів, що охоплюють земну кулю, до прискорювачів елементарних частинок, обхід яких займає більше 24 годин, ці експерименти є одними з найбільших, які коли-небудь проводилися.

Полювання за гравітаційними хвилями

Брижі в полі тяжіння Всесвіту, відомі як гравітаційні хвилі, є залишками масивних галактичних подій, таких як зіткнення чорних дір і злиття нейтронних зірок. Ці хвилі можуть навіть записати відлуння Великого вибуху. Щоб виявити їх, вченим потрібне велике обладнання, таке як лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO).

LIGO складається з двох великих інструментів, кожен з яких має дві руки довжиною 2,5 милі (4 кілометри). Прилади знаходяться в штаті Вашингтон і Луїзіана, приблизно на відстані 1900 миль (3000 км один від одного) . Плечі — це лазерні інтерферометри, розташовані у формі L. Один лазерний промінь ділиться навпіл, і кожна половина направляється вниз по одному з рукавів. На кінці кожного плеча є набір дзеркал, які відбивають кожну половину лазерного променя кілька сотень разів, а потім повертають плечі, щоб вони знову з’єдналися.

Досліджуючи інтерференційну картину — спосіб поєднання піків і спадів світлових хвиль — вчені можуть визначити, чи відбулася під час експерименту гравітаційна пульсація. Якщо так, то вони можуть його детально вивчити. Чим більші плечі, тим чутливіший інструмент, тому LIGO може похвалитися найдовшими лазерними інтерферометрами, які коли-небудь створювали. LIGO виявив усілякі таємничі галактичні явища, від злиття нейтронної зірки та (імовірно) надлегкої чорної діри до численних зіткнень між нейтронними зірками. (Він також виявив зграю ворон, які клюють бурульки на об’єкті у Вашингтоні — спостереження з меншими наслідками для динаміки Всесвіту.)

Найбільший у світі атомний розгромник

Щоб досліджувати дуже маленькі, вченим іноді доводиться використовувати дуже великі інструменти. Вони не більші за Великий адронний колайдер (LHC), найбільший у світі прискорювач елементарних частинок. Це кільце діаметром 16,7 миль (27 км), кероване CERN, Європейською організацією ядерних досліджень, усіяне чотирма детекторами, відомими як ATLAS, CMS, ALICE та LHCb. Відповідно до свого розташування, ATLAS вагою 7700 тонн (7000 метричних тонн) є найбільшим детектором частинок, коли-небудь створеним . Прилад вимірює широкий діапазон субатомних частинок, які утворюються, коли вчені на великій швидкості перетинають промені частинок, створюючи зіткнення, які викидають невловимі елементарні частинки, такі як бозон Хіггса.

LHC може похвалитися понад 10 000 тоннами (9000 метричними тоннами) заліза в своїх магнітних системах і достатньою кількістю ніобієво-титанового кабелю, щоб протягнутись до Сонця та назад понад шість разів, а потім між Землею та Місяцем ще кілька разів. Це також найбільший і найхолодніший холодильник на Землі, тому що магніти повинні зберігатися при температурі мінус 456,25 градусів за Фаренгейтом (мінус 271,25 градусів за Цельсієм), трохи холоднішою, ніж у космосі.

Мініатюрні тропічні ліси Амазонки

Викидаючи тонни вуглекислого газу (CO2) в атмосферу щороку через спалювання викопного палива, людство проводить надзвичайно масштабний — і дуже неконтрольований — експеримент. У тропічних лісах Амазонки дослідники намагаються розібратися в наслідках цих парникових газів у власному великому експерименті. Проект під назвою AmazonFACE має на меті підвищити концентрацію вуглекислого газу в частинах найбільшого у світі басейну тропічних лісів, щоб зрозуміти вплив підвищеного рівня CO2 на «легені планети».

FACE розшифровується як «Free-Air Carbon Dioxide Enrichment». Експеримент складається з 12 спостережних масивів на шести ділянках діаметром 98 футів (30 м): три з концентраціями вуглекислого газу в навколишньому середовищі та три з вищими концентраціями. Очікується, що найвища концентрація — 615 частин на мільйон — буде досягнута до 2070-х років на середньому шляху до пом’якшення клімату, коли країни повільно й нерівномірно просуваються до сталого розвитку.

Кожна ділянка містить близько 400 видів рослин і багато інших зразків грибів і ґрунтових мікробів — повна екосистема. Коли вуглекислий газ збільшується, рослини швидше фотосинтезують і виділяють менше води з листя, пояснив Бето Кесада, виконавчий менеджер проекту та дослідник Національного інституту досліджень Амазонки. Це може допомогти захистити ліс від наслідків зміни клімату, яка, як очікується, принесе посуху в регіон Амазонки.

Але баланс між цими двома процесами та переломний момент між здоровим лісом і екосистемою, що руйнується, невідомі, сказав Девід Лапола, науковий координатор проекту та дослідник Центру метеорологічних і кліматичних досліджень, прикладних для сільського господарства Університету Кампінаса ( UNICAMP) у Бразилії.

«Ми спробуємо вирішити одну з найбільших невизначеностей щодо майбутнього лісу Амазонки у світлі зміни клімату», — сказав Лапола Live Science.

Дослідники вимірюватимуть вплив додаткового CO2 на фізіологію рослин, зокрема, чи додають рослини в атмосфері, багатій вуглецем, тимчасові структури, такі як листя, чи більш постійні елементи, такі як деревина. Це важливо для вивчення, оскільки деревина затримує вуглець протягом століть, тоді як вуглець, який використовується для вирощування листя, повертається в навколишнє середовище протягом року або двох. Очікується, що експеримент триватиме щонайменше десять років.

«Це експеримент масштабу екосистеми, — сказав Кесада, — але це набагато більше. Це стосується соціальних, економічних та екологічних наслідків, які матиме втрата тропічного лісу».

Дійсно величезна установка для уловлювання вуглецю

За даними Міжурядової групи експертів зі зміни клімату, людству не просто потрібно припинити викиди вуглекислого газу в атмосферу, щоб уникнути підвищення глобальної температури більш ніж на 1,5 C (2,7 F) вище доіндустріального рівня. Ми також повинні вилучити вуглець з повітря. До 2050 року необхідно видалити від 6 до 10 гігатонн вуглецевого еквіваленту, щоб уникнути досягнення порогового значення потепління, встановленого Паризькою угодою. Існує багато варіантів поглинання вуглецю, таких як уловлювання потоків промислових відходів і поховання біомаси. Але перша в історії морська установка для уловлювання вуглецю комерційного масштабу спрямована на видалення вуглецю прямо з океану.

Океан природним чином поглинає вуглець з атмосфери, але він не може поглинати його достатньо швидко, щоб змінити клімат у масштабі тривалості людського життя. Компанія з уловлювання вуглецю Equatic прагне прискорити цей графік.

«Комерційній установці Equatic потрібно п’ять хвилин, щоб видалити одну тонну вуглецю шляхом закачування морської води, пропускання електричного струму, а потім контактування морської води з потоком повітря з атмосфери», — сказав Едвард Сандерс, головний операційний директор Equatic, Live Science. в електронному листі. «Еквівалентна площа відкритого океану займає 12 місяців, щоб видалити одну тонну вуглецю».

Хімічний процес, який видаляє вуглець із морської води, також створює водень, хімічну речовину, яка використовується в багатьох галузях промисловості та може спалюватися як паливо для забезпечення 40% енергетичних витрат процесу уловлювання вуглецю. Потім вуглець поглинається у вигляді бікарбонату, того самого матеріалу, що міститься в черепашках, який не дасть вуглецю потрапити в атмосферу протягом 10 000 років. Цей бікарбонат можна повернути в море або використовувати в якості добрив. Він також може служити будівельним матеріалом для відновлення узбережжя, сказав Сандерс.

Подібні експерименти були проведені в пілотному масштабі, але об’єкт Equatic у Квебеку планує поглинати 120 700 тонн (109 500 метричних тонн) вуглецю на рік, починаючи з 2027 року. Це буде перша комерційна спроба зробити пролом у теплиці. перевантаження газу в атмосферу через океани.

Світ немовлят

Як немовлята вивчають мову? Коли вони розуміють жести? Чи налаштовані вони наслідувати дорослих? На всі ці запитання важко відповісти, оскільки немовлята є складними суб’єктами дослідження, схильні до плачу та неочікуваної дрімоти. Труднощі із залученням зайнятих, виснажених батьків та їхніх немовлят, які часто відмовляються співпрацювати, для проведення досліджень призвели до народження ManyBabies. Ця глобальна співпраця дослідників із понад 50 країн об’єднує невеликі дослідження розвитку немовлят у великі вибірки — часто тисячі немовлят.

Співпраця дослідників виявила, що немовлята справді віддають перевагу дитячій розмові, аніж розмові у стилі дорослих, що свідчить про те, що природна схильність воркувати про дитячі пальчики є еволюційною адаптацією, яка допомагає їм вивчати мову. Зараз дослідники вивчають, як немовлята розвивають розуміння переконань інших людей — навик, відомий як теорія розуму — і намагаються з’ясувати, коли вони навчаться застосовувати абстрактні правила до ситуацій . Вони також розробляють нові методи, такі як технологія стеження за очима та неінвазивні методи візуалізації мозку, щоб дізнатися, чого навчаються немовлята.

Шматок антарктичного льоду розміром з місто

Нейтрино часто називають «частинками-привидами», оскільки майже безмасові частинки майже не взаємодіють, проходячи крізь речовину. Оскільки вони рідко заважають іншій матерії, їх важко виявити. Але пошук нейтрино з віддалених космічних джерел може бути способом спостереження та аналізу високоенергетичних середовищ, таких як пульсари, наднові зірки та чорні діри.

«Нам потрібна дуже велика ціль, наприклад мільярд тонн матеріалу, щоб мати бойовий шанс — час від часу — зловити деякі з них», — сказав Альбрехт Карле, професор фізики Університету Вісконсіна-Медісон.

Ці мільярди тонн матеріалу походять із кубічного кілометра льоду на Південному полюсі. Карле є помічником директора з науки та приладів в нейтринній обсерваторії IceCube, яка вражає як своїми розмірами, так і віддаленістю. IceCube складається з серії оптичних детекторів на нитках, що проходять через отвори, пробурені на глибині від 4800 до 8000 футів (1450-2450 метрів) в антарктичному льоду.

Коли нейтрино взаємодіє з льодом, воно створює інші частинки, які випромінюють крихітні спалахи світла. Датчики виявляють це світло та можуть вимірювати його довжину хвилі, щоб виявити смак нейтрино та його джерело. (Ось чому прозорий носій, такий як лід, важливий, сказав Карле Live Science — матеріал має бути прозорим, щоб світло можна було виявити.)

Дані IceCube дозволили вченим створити першу карту Чумацького Шляху, використовуючи матерію, а не лише світло. Обсерваторія також виявила дивні космічні промені високої енергії, пояснення яких непросте. А Карле та його колеги планують ще більше. Зараз вони розробляють план для IceCube Gen-2, який розширить нинішню обсерваторію у вісім разів за нинішній розмір, з масивом радіодетекторів площею 200 квадратних миль (500 квадратних кілометрів) для посилення вхідних нейтрино. Це значно підвищить чутливість детектора та дозволить краще класифікувати нейтрино, які проходять через нього, сказав Карле.

Всесвітнє психологічне дослідження

Пандемія COVID-19 була власним глобальним експериментом, хоч і з величезною кількістю неконтрольованих змінних. Психологи скористалися цим спільним глобальним досвідом у деяких з найбільших психологічних досліджень усіх часів.

Один з них, у якому взяли участь майже 50 000 учасників, виявив, що люди з більш сильною національною ідентичністю реагували більшою мірою на зусилля громадської охорони здоров’я . У 67 країнах люди з більш сильним почуттям ідентифікації зі своєю нацією частіше, ніж люди зі слабким почуттям, залишатимуться на місці під час карантину, підтримуватимуть політику охорони здоров’я та скажуть, що вони дотримуються соціального дистанціювання та суворішої фізичної гігієни після початку захворювання. пандемії. Національна ідентичність — це відчуття колективної приналежності та взаємної співпраці, зазначають автори. Це відрізняється від переконань про національну перевагу, тобто віри в те, що чиясь країна краща за інші.

«Ці результати узгоджуються з соціально-психологічною літературою про переваги ідентифікації людини зі своїми соціальними групами», — пишуть автори. «Вони також підкреслюють потенційну користь [національної ідентичності], яка може бути помітною під час національної чи глобальної кризи охорони здоров’я».

Інше велике дослідження епохи COVID, у якому взяли участь майже 27 000 учасників, виявило, що повідомлення, в яких наголошується на автономії, заохочують дотримуватись рекомендацій щодо соціального дистанціювання. Дослідження протестувало різні стратегії обміну повідомленнями соціального дистанціювання в 89 країнах і виявило, що ті, які зосереджені на особистій автономії та цінності продуманого вибору, були ефективнішими, ніж повідомлення, які підкреслювали сором і тиск.

Багатовіковий експеримент із рослинами

Невеликий за розміром, але великий за тривалістю експеримент ботаніка Мічиганського державного університету Вільяма Джеймса Біла з життєздатності насіння триває безперервно з 1879 року. Мета цього експерименту — з’ясувати, як довго насіння різних рослин може перебувати в стані спокою, перш ніж проросте. Щоб з’ясувати це, Біл закопав пляшки з насінням 23 різних рослин на глибину 3 фути (0,9 м) у непорушеному (і таємному) місці, щоб вони не могли прорости. Він почав викопувати пляшки з кроком у п’ять років — цей проміжок згодом збільшився до кожні 10 років.

Неймовірно, але експеримент все ще триває — і тепер дослідники збільшують проміжок між відкриттями пляшок до 20 років, тому що насіння просто продовжують проростати. Останні пляшки були відкриті у 2021 році, а наступний набір засяє у 2040 році. Отримані дані впливають на еволюцію рослин і проростання насіння та можуть бути корисними для розуміння процесу відновлення середовища існування та зберігання насіння або збереження насіння для потенційне використання у віддаленому майбутньому.

За даними штату Мічиган, експеримент планується продовжити до 2100 року . Чи вистачить цього часу, щоб визначити максимальний вік, протягом якого будь-яке їхнє насіння може прорости до проростання? Напевно ні; рослини проросли з насіння віком до 2000 років.

Жахливо величезний радіотелескоп Китаю

Китайська решітка сферичного телескопа з п’ятистою апертурою (FAST) є найбільшим у світі однотарілковим радіотелескопом діаметром 1640 футів. Антену тримають сталеві вежі висотою 328 футів (100 м) і 6670 тросів. Тепер новий етап будівництва додає 24 131-футових (40-метрових) рухомих радіотелескопів до об’єкта. Масив розташований у природній западині під назвою Даводанг у нерівній топографії китайської провінції Гуйчжоу. Це захищає його від електромагнітних перешкод від людських джерел і підвищує його чутливість до космічних радіосигналів. За даними Китайської академії наук (CAS), метою є використання чутливості телескопа для проведення широкомасштабних досліджень Всесвіту.

FAST почав працювати на повну потужність у 2020 році і вже виявив понад 200 пульсарів, які є обертовими нейтронними зірками, які випускають регулярні імпульси електромагнітного випромінювання. До них відноситься пульсар PSR J0318+0253, який на відстані 4000 світлових років і з періодом обертання менше 10 мілісекунд є одним із найслабкіших мілісекундних радіопульсарів, коли-небудь знайдених, згідно з CAS.

Мережа телескопів, яка охоплює більшу частину світу

Що можна побачити в телескоп розміром зі світ? Ну, з одного боку, чорна діра в центрі Чумацького Шляху. Телескоп горизонту подій (EHT) — це мережа радіотелескопів, що тягнеться від Гренландії до Південного полюса (з півночі на південь) і від Іспанії до Гаваїв (схід на захід). Точна кількість обсерваторій в EHT змінюється з часом (станом на 2021 рік було 11), і в майбутньому будуть додані нові телескопи, зокрема один, запланований на Канарських островах.

Ці обсерваторії працюють разом, щоб виявляти слабкі радіосигнали, пов’язані з чорними дірами. Ця співпраця створила перше в історії зображення чорної діри, включно з контурами горизонту подій , межі, через яку не може вийти світло чи матерія. Вчені також бачили захоплюючий вир чорної діри в центрі нашої галактики та спостерігали гігантські електромагнітні струмені, що вилітали з надмасивної чорної діри в серці галактики Персей А. Нещодавно вони зазирнули в серце квазара , надсвітле галактичне ядро, що живиться від масивної чорної діри.

Згідно з Black Hole Partnerships for International Research and Education, EHT має бути великим, тому що він ґрунтується на здатності безперервно спостерігати за Всесвітом протягом від восьми до 14 годин під різними кутами зору. телескоп. Ці алгоритми також покладаються на обертання Землі для накладання спостережень, що дозволяє дослідникам комбінувати зображення з багатьох телескопів. Тільки тоді вони зможуть вдивитися в деякі з найбільших, але найважчих для спостереження явищ у Всесвіті.