Řada lidí v Česku i západní Evropě zná evropské středisko jaderného výzkumu CERN. Jen málo z nich ale ví o existenci podobného ústavu v Dubně u Moskvy, který byl založený ve stejné době, v roce 1956. Tehdy tam Sovětský svaz vybudoval nejvýkonnější urychlovač svého druhu na světě – synchrofázotron, urychlovač protonů. Spojený ústav jaderných výzkumů v Dubně, organizaci, která se proslavila syntézou supertěžkých prvků, dnes vede jaderný fyzik Viktor A. Matvějev.

Proč ústav jaderné fyziky v Dubně vznikl, čím jste se tehdy zabývali?

Termín „jaderný výzkum“ v názvu ústavu neznamenal výzkum jaderné energie, protože tehdy už se většinu teoretických i praktických problémů podařilo vyřešit. V novém ústavu se fyzikové spíš snažili prohloubit znalosti jaderných sil a struktury atomu. Zkoumání jaderných procesů v urychlovačích, k nimž dochází po srážce protonů s terčem v podobě atomového jádra, otevřelo úžasný nový svět, novou éru základního výzkumu: studium nejhlubších struktur hmoty.

Synchrofázotron, velmi výkonný urychlovač protonů, mohl být v Dubně vybudován díky objevu, který učinil sovětský fyzik Vladimir Veksler. Přišel na to, jak dosáhnout vysoké energie urychlených částic a jak protonové svazky fokusovat. Za tenhle objev byla udělena Nobelova cena, dostal ji ale Američan Edwin McMillan. Kvůli uzavřenosti sovětského systému a utajování se totiž nevědělo, že Veksler byl první.

Jak se od té doby fyzika změnila?

Hodně jsme se toho od té doby dozvěděli o elementárních částicích a fundamentálních vlastnostech hmoty. Čím víc toho ale víme, tím víc nezodpovězených otázek se objevuje: co je temná energie a temná hmota, které dominují vývoji vesmíru, zatímco my a náš svět tvoří jen nepatrnou část kosmu, ne více než pět procent? Proč nenacházíme v kosmu antihmotu? Většině z těchto problémů se věnuje i náš ústav. Především se ale zaměřujeme na studium fyziky supertěžkých chemických prvků.

Jaké prvky to jsou a proč je zkoumáte?

Jsou to velmi těžké prvky, které se v přírodě běžně nevyskytují. Tím, že se je snažíme objevit a uměle syntetizovat, vlastně rozšiřujeme hranice známého světa. Vytváříme tyto prvky pomocí srážek urychlených těžkých iontů. V posledních deseti letech se fyzikům naší Flerovovy laboratoře jaderných reakcí podařilo takto objevit šest nových supertěžkých prvků (např. nobelium, rutherfordium, dubnium, pozn. red.). Letos byl náš ústav spolu s  Livermorskou laboratoří v USA uznán za objevitele dvou dalších nových prvků s atomovými čísly 114 a 116, které budou brzy zařazeny do Mendělejevovy tabulky prvků pod názvy Flerovium a Livermorium.

Proč příroda tyto prvky na rozdíl od lidí nedokáže vyrobit?

V prvních minutách po velkém třesku se začaly formovat ty nejjednodušší atomy vodíku. Tvořil je pouze jeden proton a jeden elektron. Poté, s jistou účastí slabé jaderné a elektromagnetické interakce (dvě ze čtyř základních přírodních sil, další jsou silná interakce a gravitace) se objevila atomová jádra těžkého vodíku. To by ale ještě k vytvoření našeho světa – vás, mne, hmoty kolem nás – nestačilo. Aby mohly vzniknout těžší prvky, musely se zformovat hvězdy - velká oblaka vodíku stlačeného gravitačními silami tak, že v něm začala probíhat termojaderná reakce, syntéza těžších jader. Tímto způsobem mohou postupně, v určitých skokových fázích, vznikat prvky až po železo. Hvězdy, jejichž podstatnou část tvoří železo, jsou tak horké, že explodují. Těžší prvky mají proto jen velmi malou šanci vzniknout. Třeba olovo nebo uran jsou tedy vzácné. Vlastně dosud přesně nevíme, jakým mechanismem je hvězdy vytvářejí (astrofyzici se obecně domnívají, že se to děje při výbuších supernov, pozn. red.)

Akademik Fjodorov z našeho ústavu a další vědci se pokoušeli supertěžké prvky v přírodě nalézt. Hledali v meteoritech, na dnech oceánů, studovali pomocí speciálních mikroskopů tisíce vzorků. Objevili jen velice málo stop něčeho, co se svou hmotností a atomovým číslem podobalo prvkům, které teď umíme uměle syntetizovat. Thorium nebo uran nalézt lze, tím to ale v podstatě končí.

Je pravda, že prvky, které dovedete syntetizovat, existují velice krátce, nepatrné zlomky vteřiny?

Záleží na tom, o které prvky jde. Některé z nich existují zhruba vteřinu, některé „žijí“ několik dní. Dovedeme určitými metodami stanovit jejich chemické vlastnosti a zjišťujeme, že Mendělejevův periodický zákon, podle něhož se vlastnosti prvků periodicky opakují podle atomových hmotností, pro ně platí, ale s určitými korekcemi.

Někteří vědci se domnívají, že existují ještě těžší prvky než ty, které dosud známe, a ty mohou být stabilní dlouhodobě. Vytvářely by jakýsi ostrov stability – „žily“ by déle, spontánně by se nerozpadaly. V přírodě tyto prvky nevznikají, protože hvězdy explodují příliš prudce na to, aby je vytvořily, na jejich syntézu není dost času. Ale možná je půjde vyrobit uměle. V našem ústavu se k tomu blížíme.

09

Půjde supertěžké prvky nějak využít v praxi?

Možná ano. Přítomnost jediného atomu běžně známého těžkého kovu v molekule nějaké organické látky způsobuje, že tato molekula má určité specifické vlastnosti. Už dnes se to využívá v biologii. Třeba se nám podaří připravit určitý prvek z onoho ostrovu stability a zjistíme, že dramaticky mění vlastnosti určitých molekul a jejich velikost. Můžeme tak získat třeba nový lék.

Teorie všeho

Členskými státy vašeho ústavu jsou výlučně bývalé postkomunistické země. Proč nemáte členy i třeba ze Západní Evropy?

Ústav zakládalo dvanáct zemí Varšavské smlouvy, dnes je členských států osmnáct včetně některých členů Evropské unie. Kromě toho s námi spolupracuje šest přidružených zemí na bázi smlouvy mezi naším ústavem a vládou dané země. Je to třeba Itálie, Německo, Maďarsko, Jihoafrická republika nebo Egypt. Intenzivně také spolupracujeme s CERN, podíleli jsme se například na stavbě urychlovače LHC. Naopak CERN se podílí na stavbě urychlovače těžkých iontů NIKA v Dubně. Možná se ale chcete zeptat, proč svět potřebuje dva tak velké, podobně zaměřené výzkumné ústavy, jako je CERN a JINR.

Položme tu otázku jinak: výzkum v CERN a zřejmě i ve vašem ústavu je dnes nesmírně drahý, rozpočty jsou astronomické. Americký fyzik Lee Smolin přitom napsal, že za poslední čtvrtstoletí nedošlo ve fundamentální fyzice k žádnému objevu, který by byl nezpochybnitelným kandidátem na Nobelovu cenu. Nebylo by tedy lepší dát ty peníze třeba na výzkum malárie nebo na potraviny pro Afriku?

Vlády financují výzkum ve fundamentální fyzice, ale ve skutečnosti tím podporují průmyslové inovace. Abychom například mohli začít měřit na novém urychlovači, musíme postavit i nové velmi složité detektory. Vyžaduje to inovace prakticky v každém směru. Ty peníze tedy vlastně podporují aktivity průmyslových firem včetně malých a středních podniků. A je tu i další věc: jde také o hledání mladých talentů a to, zda je dokážeme nasměrovat na vědeckou dráhu. Oni zvyšují intelektuální potenciál Evropy. Teď, když v CERN začal fungovat obří urychlovač LHC, potkáte tu obrovské množství velmi motivovaných mladých lidí. Perfektně pracují s výpočetní technikou, umí řešit spoustu inženýrských problémů. Je to líheň talentů, které se mohou uplatnit i v průmyslu.

Zatím poslední Nobelova cena za fyziku byla udělena za objev toho, že se vesmír nejen rozpíná, ale že se tato expanze kupodivu v současnosti stále zrychluje. To není jen prosté pozorování, ze kterého nic dalšího neplyne. Mění to naše chápání historie vesmíru. Musíme zjistit, čím je zrychlování expanze způsobeno. Hovoří se o zmíněné temné energii, o kosmologické konstantě, nikdo ale neumí vysvětlit, proč kvantová fyzika nedokáže objasnit realitu na tak malých vzdálenostech, abychom povahu kosmologické konstanty skutečně pochopili. (Kosmologická konstanta je člen, který do rovnic popisujících vývoj vesmíru zavedl Albert Einstein a později to označil za omyl. Dnes se však ukazuje, že kosmologická konstanta přece jen může reprezentovat sílu, která v kosmu působí a urychluje jeho expanzi. Její povahu však neznáme, pozn red.).

08

Současná fyzika řeší řadu oddělených problémů, které se příliš nespojují do jednotného obrazu. Podaří se někdy sjednotit kvantovou fyziku a teorii gravitace do jediné teorie, vytvořit tzv. Teorii všeho, která podle některých vědců přinese konečné pochopení přírody?

Ještě v 90. letech vytvářely naše znalosti struktury hmoty, interakcí mezi základními částicemi a raného vývoje vesmíru po velkém třesku poměrně ucelený obraz. Na přelomu 20. a 21. století se ale situace zkomplikovala, objevilo se množství nových hádanek, třeba právě to, že se vesmír rozpíná vzrůstající rychlostí. Máme kvalitní teorii mikrosvěta zvanou Standardní model, která je spolu s Newtonovou a Einsteinovou teorií gravitace patrně největším intelektuálním výdobytkem fundamentální vědy. Dokáže vysvětlit třeba chování elementárních částic, oscilace neutrin, vývoj hmoty. Řadu věcí ale vysvětlit nedokáže. Jak jsem už zmínil, nevíme například, proč v kosmu pozorujeme hmotu a nikoliv antihmotu. Všechny naše rovnice popisující vývoj kosmu, veškeré teorie vycházejí z počáteční symetrie mezi částicemi a antičásticemi. Kam antihmota zmizela? Teorie umí ukázat, že se to nějak stalo – že nepatrný okamžik po vzniku vesmíru připadalo na deset miliard antikvarků stejné množství kvarků plus jeden navíc. Ale proč? Antikvarky pak anihilovaly s kvarky a vznikly z toho fotony reliktního záření, které v kosmu dodnes pozorujeme. Z onoho jednoho kvarku navíc na každých deset miliard vznikla běžná hmota.

I ta je přitom jen malou částí vesmíru…

Ano, běžná hmota je v kosmu téměř výjimkou. Nicméně existuje. Z počátečního téměř homogenního a izotropního stavu přitom vznikly ve vesmíru hvězdy, galaxie, skupiny galaxií a další struktury. Díky tomu tu jsou dnes lidé, kteří chápou, že na mnoho otázek nám současný stupeň poznání neposkytuje odpověď. Lidstvo existuje mnohem kratší dobu, než je třeba stáří Slunce, přesto tu je a klade si otázky. Pokládá za důležité, dokonce nezbytné na ně hledat odpovědi, ačkoliv se mu nedostalo mnoha přímých informací, které by mu pomohly.

Vytvoříme tedy k Teorii všeho?

Můžeme v ni věřit, ale nikdy k k této finální konstrukci nedospějeme. Kdyby se to podařilo, znamenalo by to konec fundamentálních přírodních věd. Už by nebyly žádné nezodpovězené otázky, žádné hádanky. Všechno by bylo předem jasné. To je samozřejmě nemožné. Historie vědy ukazuje, že čím víc toho objevíme, tím víc se neprozkoumaná oblast rozšíří.

Druhou část rozhovoru - o členství Severní Koreje, možnosti ruských vědců kritizovat vládu a jaderné energii - si budete moci přečíst ve čtvrtek 13. září.