CERN і університети. Що там ще у Швейцарії
У травні 2019 року за підтримки посольства Швейцарії група українських журналістів відвідала центри інновацій при найбільших університетах цієї країни, а також знаменитий дослідний центр CERN
— Не підкажете, в який бік Швейцарія?
— Пливіть прямо, поки не відчуєте запах грошей і не вступите в шоколад.
— ситуація на Женевському озері з фільму «Куди приводять мрії».
Надійні Альпи і високі банки. Точний сир і смачні годинники. Мінімалістична кава і розчинний дизайн. Продукти Швейцарії так широко відомі, що кожен зможе правильно розставити прикметники сам.
Варто додати до чого-небудь слово «швейцарський» і це вже буде якісним елітним продуктом, який ви, найімовірніше, не можете собі дозволити.
Та й сама Швейцарія дозволяє собі те, що недоступно іншим країнам. Будучи в центрі Європи, вона примудряється зберігати нейтралітет. Не входить у НАТО. Навіть не є частиною ЄС. Тут відразу чотири офіційні мови: німецька, французька, італійська та ретороманська. З населенням у 8 млн жителів, не маючи корисних копалин і великих міст, Швейцарія займає 4 місце в світі за економічним розвитком. Її валюта — найстабільніша в світі. Три її міста входять у топ-10 найкращих за якістю життя.
У Швейцарії немає кавових плантацій, але ця країна є світовим лідером торгівлі кавою, одним з лідерів з експорту шоколаду і утримує світове лідерство і в торгівлі золотом.
Нарешті, маленька Швейцарія, чия територія приблизно дорівнює Київській та половині Чернігівської областей — четвертий головний інвестор в економіку України.
Міжнародний хаб для дослідників та інновацій
Аліса скаржилася Червоній Королеві: «У нас, коли довго біжиш, неодмінно потрапляєш в інше місце». На що Червона Королева відповідала їй: «Ну а тут, знаєш, доводиться бігти щодуху, щоб тільки залишитися на тому ж місці. А щоб потрапити в інше місце, потрібно бігти вдвічі швидше»,
— Льюїс Керролл «Аліса в Задзеркаллі»
Минули часи, коли за винаходом стояла блискуча ідея генія-одинака. Інновації, які потрібні нам сьогодні, набагато складніші. Вони вимагають зусиль як з боку інженерів і вчених, так і з боку ринку, який диктує умови, здійснюючи величезні фінансові вливання. Відкриття сьогодні неможливі в підвалі або гаражі. Це мільярди даних, тисячі досліджень, які потребують створення спеціального середовища, як наприклад Кремнієва Долина в США.
Лідери світового ринку вкладають величезні кошти в «підривні інновації» — ті, які перевертають ринок, роблячи попередні технології застарілими.
Штучна кров, предиктивна поліція, роботи-компаньйони, бездротова передача енергії, інтернет через аеростати, м’ясо з пробірки, концентрована сонячна енергія, розумні контактні лінзи, автономні пасажирські літаки, вакуумні поїзди, 3D-принтери органів, комп’ютеризований одяг, предиктивна генна медицина… — у найближчому майбутньому нас чекає поява маси нових технологій, які вчора ще були фантазією письменників і сценаристів.
Ці технології мають горизонт виходу на ринок у найближчі 0−20 років. Над ними працюють вже зараз.
Для подібних досліджень потрібні потужні лабораторії та найкращі уми. І в цьому Швейцарія знову досягає успіху. Ця країна посідає перше місце в світі із залучення й утримання талантів.
Ось список лише деяких компаній, які розмістили в Швейцарії свої дослідницькі (R&D) центри:
ABB, Basf, Bosch, Cisco, Du pont, Facebook, Google, HP, IBM, Intel, Jonson&Jonson, Logitech, Microsoft, Nestle, Nissan, Novartis, Roshe, Siemens, UBS
Швейцарія витрачає 2,2% свого ВВП на дослідження і розробки. Це вдвічі більше, ніж у середньому по ЄС. І це один з найвищих показників у світі. При цьому 60% інвестицій в розробки приходять безпосередньо від компаній.
Швейцарія зі стабільними політичною та фінансовою системами, однією з найкращих систем освіти і найбільшим дослідницьким центром у світі — живильне середовище для культивування вищих інноваційних процесів. Словом, — система всьому голова.
Освіта по-швейцарськи
Тільки 30% швейцарських підлітків після закінчення школи йдуть до університету. Інша частина надає перевагу так званій Vocational education system в університеті прикладних наук. Згідно з цією системою студент 2 дні на тиждень ходить на заняття, а 3 — працює в компанії. Це означає, що:
- а) компанії частково сплачують за навчання студентів;
- б) компанії зацікавлені в тому, щоб одержувані знання були застосовані в роботі. Таким чином, студенти вивчають саме те, що необхідно для їхньої роботи. Їхні знання завжди up to date.
Про успішність такого підходу говорить хоча б той факт, що нинішній міністр фінансів Швейцарії навчався у подібній системі дуальної освіти. Як і головний виконавчий директор найбільшого банку країни, UBS.
Після трьох років такого навчання студенти можуть продовжити навчання у звичайних університетах.
Найкращі з найкращих
Швейцарія — це федеративна республіка, що складається з 26 кантонів. Кожен кантон має свою конституцію і закони, і зовсім самостійний у вирішенні внутрішніх проблем. Наприклад, вигідно чи ні мати власний університет. Адже за кожного студента, який навчається в університеті іншого кантону, рідний кантон буде змушений платити.
Кантональних, тобто місцевих, університетів 10. Незважаючи на свою «містечковість», всі вони входять у рейтинг 200 найкращих університетів світу за версією QS University Rankings. До речі, в топ-200 немає жодного українського університету. Найкращий показник у Харківського університету імені В. Н. Каразіна. Він займає 491 місце.
Ще у Швейцарії два федеральних, тобто загальнонаціональних, університети, — це вища ліга. ETH Цюріх і EPFL в Лозанні. Два полюси швейцарської системи освіти — один знаходиться в німецькій частині Швейцарії, інший — у французькій. Обидва — у топ-20 найкращих університетів світу. ETH — 6-й. А EPFL — 18-й.
- ETH Zurich
Швейцарська вища технічна школа в Цюріху подарувала світові 21 Нобелівського лауреата, а головне — Альберта Ейнштейна. Тут він навчався, а після викладав.
При університеті є Парк Інновацій. Всього в Швейцарії 5 таких парків або, як їх ще називають, інноваційних кластерів, — при університетах ETH Zurich і EPFL в Лозанні, а також в кантонах Ааргау, Берн і Базель. Разом вони утворюють єдиний Швейцарський парк інновацій.
- EPFL в Лозанні
У Лозанні знаходиться один з найкращих технічних ВНЗ — EPFL. 5-й у світі серед найбільш інноваційних (вираховується коефіцієнт поданих у патентне бюро і виданих патентів). EPFL спеціалізується на природничих науках, робототехніці, архітектурі та інженерії. Це тут збирають біонічні руки, якими зможуть управляти паралізовані однією лише силою думки. Тут же випускають ігри, які зможуть допомогти в реабілітації людей, що пережили інсульт.
До університету можна дістатися через лінію наземного метро. Станція оформлена цитатами різними мовами світу, формулами і числом пі. Симпатично, чисто, лаконічно, і є про що подумати. Квінтесенція самої Швейцарії.
Освітній центр Rolex. Один з корпусів університету EPFL в Лозанні. Хвиляста поверхня — відсилання до Женевського озера. Круглі патіо — до дірок у швейцарському сирі. Всередині: мультимедійна бібліотека, яка містить 500 000 томів, конференц-зал, зали для занять студентів, кафетерій, лабораторії та мітинг-руми. Будівля гармонійно вписалася в навколишній ландшафт, незважаючи на свій ультрасучасний вид. «Люди не пересуваються по прямій, як поїзди. Вони надають перевагу руху по зігнутих траєкторіях, це більш органічно», — пояснив ідею архітектор. Так це чи ні, тут доводиться органічно підніматися і спускатися, не зустрівши жодної сходинки. Ніби прогулюєшся пагорбами. Деякі студенти, як на траві, влаштовують привал прямо на підлозі, гордо, на узвишші. Найкраще — студентам.CERN
Коли потрапляєш у CERN, раптом усвідомлюєш, що все інше в цьому житті — подих літньої мошки перед очима Всесвіту.
CERN (ЦЕРН) — це Європейська організація з ядерних досліджень. Саме тут знаходиться знаменитий Великий адронний коллайдер — можливо один з найзагадковіших пристроїв у світі. Це найбільший у світі прискорювач заряджених частинок, в якому розганяють і зіштовхують між собою протони і важкі іони на швидкості близькій до швидкості світла. Мета цих зіткнень — відтворити умови, за яких зародився наш всесвіт, розкрити з чого він складається і як працює.
ЦЕРН був створений лише через 8 років після закінчення Другої світової війни і його мотто: «Наука заради миру». Угоду з утворення ЦЕРН спочатку підписали 12 країн-учасників, зараз їх 23. Ще кілька країн є спостерігачами і асоційованими членами, в їх числі Україна. Країни-учасники вносять загалом близько 1 млрд швейцарських франків на рік. Щорічний внесок України за асоційовану участь — 1 млн швейцарських франків. Це дозволяє українським вченим брати участь у дослідженнях на базі ЦЕРН, а компаніям — участь у тендерах.
Було важко повірити в те, що ми зможемо не тільки прогулятися будівлями ЦЕРНу, побачити коллайдер, а й безперешкодно зняти все це. «А вам хіба хтось сказав, що фотографувати не можна?» — здивувався Крістоф Шефер, радник генерального директора CERN. «Наша організація була створена з метою об’єднати людей з різних країн. У ЦЕРНі займаються тільки мирною наукою. І для цього організація повинна бути максимально прозорою. Жодних секретів. Все, що ми робимо — ми публікуємо. Так що, будь ласка, робіть фото. Але, якщо можна, тільки красиві».
Чим займається ЦЕРН?
ЦЕРН подарував світові World Wide Web, який цього року відзначив своє 30-річчя. У 1989 році британський вчений Тім Бернерс-Лі запропонував використовувати систему документів, пов’язаних між собою гіперпосиланнями, для внутрішньої мережі ЦЕРН. Проект було реалізовано. Незабаром, завдяки Бернерс-Лі з’явилися мова html і протокол http.
За сенсорний екран ми теж повинні дякувати ЦЕРН. Його розробили ще в 70-х, коли всі необхідні кнопки управління прискорювачем часток не могли вміститися на одному пульті.
Зменшена копія прискорювача частинок з 2016 року служить на стороні медицини. Для лікування раку. Вона б’є точно в ціль, тоді як раніше радіотерапія шкодила організму в цілому.
ЦЕРН створює новітні технології, якими ми будемо користуватися багато років потому. ЦЕРН — це центр фундаментальної науки.
Існують два типи досліджень: фундаментальні наукові дослідження і прикладні. Перші засновані на теоріях і експериментах, вони покликані отримувати нові знання. Другі створені для того, щоб застосовувати знання на практиці.
Головна відмінність між ними у швидкості отримання результатів. Прикладні наукові дослідження домагаються поставлених цілей в десятки разів швидше. Чому? Просто тому, що їхня мета відома. Давайте зробимо машину швидше, екран більше, скло стійкіше до механічних пошкоджень, і т. д. І в чому ж тоді головний недолік прикладних досліджень? У знанні самої мети. Вона обмежує пошук і фантазію.
«Уявіть, що у вас є цукерка. Звичайна цукерка. Поставте перед сотнею інженерів завдання зробити цукерку краще. Чи думаєте ви, що зрештою вони прийдуть до вас з маленьким ножем? Ні. Після року досліджень вони прийдуть зі своїми поліпшеннями цукерки — цукерками великих розмірів, яскравіше або смачніше, але це все одно буде цукерка».
Інновації можливі тільки за наявності фундаментальних наукових досліджень.
У них — свій недолік. Вчені не можуть спрогнозувати, коли і де їхні дослідження послужать суспільству.
Пояснює цей феномен відома розповідь про британського фізика Майкла Фарадя. На початку 1830-х він відкрив електромагнітну індукцію, взаємодію магнітного поля і провідника зі струмом, що лежить в основі роботи будь-якого електричного двигуна. Лондонське королівське товариство запросило Фарадея розповісти про свій винахід. Після довгої доповіді фізику поставили запитання: «Добре, містере Фарадей, а де ваш винахід можна використовувати?». І Фарадей відповів: «Не знаю … Але! Через сотню років, ваші наступники, будуть стягувати податки з мого винаходу».
Що ж зараз дають нам фундаментальні дослідження ЦЕРН? Ніхто не знає. Але щоразу, коли вони проводяться, є результат. Який наразі ми не в змозі осмислити.
Теорія великого вибуху
Щоразу, дивлячись у нічне небо, ми бачимо минуле. Бачимо сонце, яким воно було 8 хвилин тому. Світло далеких зірок летить до нас багато років. Бачимо Полярну зірку, якою вона була 447 років тому. Поглянувши в телескоп на зірку V509 із сузір’я Кассіопеї, ми опинимося на 7800 років у минулому.
Вчені говорять, що Всесвіт утворився 13.77 млрд років тому. Виникає питання. Якби ми побудували достатньо потужний телескоп, щоб побачити щось на відстані 13.77 млрд світлових років? Ми б змогли побачити зародження всесвіту?
Відповідь фізиків — ні. Тому що Всесвіт на початку свого існування не був прозорим, як зараз. Точка межі — 380 000 років після Великого вибуху. Жоден телескоп не зможе зазирнути далі.
Великий адронний коллайдер відтворює стан частинок відразу після Великого вибуху. Тільки так ми можемо «зазирнути» в момент народження Всесвіту.
Великий адронний колайдер
2010 рік став початком нової ери фундаментальних досліджень. Було відкрито великий адронний коллайдер. Кільце на глибині близько 50 метрів під землею, 27 км у діаметрі, прямо на кордоні Швейцарії та Франції. Зверху над ним у невеликих селах живуть люди. В основному це співробітники ЦЕРН.
Мета коллайдера — надати вченим зі всього світу інструмент, який допоможе дати відповіді на питання, що хвилюють багато десятиліть. Головний виклик сучасних фізиків — зрозуміти, що відбувалося в найперші миті нашого Всесвіту після Великого вибуху.
Невловимий бозон Хіггса
Найбільший на сьогоднішній день прорив у сучасній фізиці, досягнутий завдяки коллайдеру — виявлення бозона Хіггса. Математичні обчислення допомогли передбачити його ще 40 років тому, і тільки у 2012 році вчені змогли його виявити.
У 1993 році американський фізик українсько-єврейського походження Леон Ледерман у своїй книзі «Частка Бога: якщо Всесвіт це Відповідь, то Яке Питання?» для зображення процесу пошуку фізиками елементарних частинок і однієї конкретної — бозона Хіггса, використовував метафору гри у футбол з невидимим м’ячем. Ми граємо в гру, в якій не бачимо м’яч і не знаємо правил.
Багато років тисячі вчених билися над питанням, чому при утворенні Всесвіту одні частинки отримали масу, а інші, наприклад, фотони, найпоширеніші частки у Всесвіті, — ні. Саме бозон Хіггса був тому причиною.
Бозон Хіггса — першоцеглинка матерії, єдиний видимий прояв поля Хіггса, який виник в результаті Великого вибуху. Відразу після вибуху поле Хіггса було дорівнювало нулю, але коли Всесвіт охолов, і температура впала нижче критичної позначки, поле стало спонтанно зростати, і будь-яка частка, що взаємодіяла з ним, набувала маси. Чим більше частка взаємодіяла з цим полем, тим вона ставала важче.
ALICE
Довжина: 26 метрів
Висота: 16 метрів
Ширина: 16 метрів
Вага: 10 000 тонн
Вартість: 115 млн швейцарських франків
Локація: Сержі, Франція
Дні відкритих дверей в ЦЕРНі відбулися завдяки періоду підготовки до наступного запуску коллайдера, який намічено на 2021 рік.
В результаті, журналісти з усього світу змогли побачити на власні очі та «помацати» своїми руками Великий адронний коллайдер.
ALICE — детектор, що спеціалізується на вимірюванні та аналізі свинцево-іонних зіткнень. Детектор елементарних часток — камеру, яка фіксує, як на плівці, рух частинок після зіткнення — розробив і зібрав Жорж Шарпак. Український єврей, співробітник CERN, який у 1992 році отримав Нобелівську премію з фізики завдяки цій розробці.
Субатомні частинки майже неможливо спостерігати через їхній розмір. Вони менше за атом, коротше довжини видимого світла. Вважається, що до розпаду Бозон Хіггса існує лише одну септілліонну секунди, що серйозно ускладнює роботу з його виявлення серед трильйонів зіткнень, які відбуваються під час експерименту. Пучок може циркулювати у ВАК більше 10 годин, долаючи понад 10 мільярдів кілометрів. Цього достатньо, наприклад, щоб дістатися до планети Нептун і назад. За майже світлової швидкості протон долає 11 245 кіл всередині коллайдера щосекунди.
На Великому адронному колайдері 7 детекторів: ALICE, ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, LHCf і MoEDAL. Вони розташовані в різних ділянках кільця. Всі вони займаються різними дослідженнями, іноді не пов’язаними одне з одним.
Чи небезпечний Великий адронний коллайдер?
Оскільки зіткнення з набагато більш високими енергіями, які природа створила протягом мільярдів років, завдали шкоди Землі, немає підстав вважати, що будь-яке явище, викликане ВАК, зробить це. Космічні промені також стикаються з Місяцем, Юпітером, Сонцем та іншими астрономічними тілами.
Чи можна створити в ВАК чорну діру, яка поглине нас усіх?
Чорні діри утворюються у Всесвіті внаслідок колапсу масивних зірок, які містять величезну кількість гравітаційної енергії, що притягає навколишню матерію. Гравітаційне тяжіння чорної діри пов’язано з кількістю речовини або енергії, яке вона містить — чим більше, тим сильніше тяжіння. Деякі фізики припускають, що в зіткненнях на ВАК можуть виникати мікроскопічні чорні діри. Проте, якщо вони виникнуть, їхня енергія дорівнюватиме енергій частинок, що стикаються (еквівалентно енергії комарів). Тому ніякі мікроскопічні чорні діри, які утворюються всередині LHC, не можуть генерувати достатньо сильну гравітаційну силу, щоб притягувати навколишню речовину. Стівен Хокінг відкрив, що чорні діри втрачають матерію через те, що випускають тепле випромінювання. Це означає, що будь-яка чорна діра, яка не здатна притягнути матерію, буде стискатися, випаровуватися і зникати. Чим менше діра, тим швидше вона зникне. Якби на ВАК були зафіксовані мікроскопічні чорні діри, вони були б настільки недовговічні, що єдиний спосіб, яким можна було б їх знайти — виявити продукти їх розпаду.
Big Data або як зберігається вся ця інформація
Тільки Google і Facebook можуть похвалитися тим, що за рік вони виробляють більше даних, ніж ЦЕРН. 50 млн гігабайт (50 петабайт) інформації. Цей величезний масив даних обробляють тисячі вчених по всьому світу.
Одна копія даних зберігається на серверах самого ЦЕРНу, і термін її життя не встановлено. Вона може стати в нагоді ще багатьом поколінням вчених. Друга копія розподілена на серверах по всьому світу, в так званих центрах першого рівня. Наразі їх 13. Чи існують також центри другого рівня — їх безліч. У тому числі два в Україні — Харкові та Києві.
Потужність одного ЦЕРНу для реконструкції даних недостатньо. Так вчені вигадали концепцію grid-computing — великого віртуального комп’ютера, що використовує обчислювальні потужності більше 200 комп’ютерів по всьому світу. ЦЕРН залишається ядром цієї системи.
_____
Ми досі не знаємо що собою являє темна матерія. У нас немає загальної теорії, яка об’єднала б загальну теорію відносності і квантову теорію поля. У нас багато питань. І ніхто не знає, що може виявиться в наступному експерименті.
