Thế giới âm thanh bí ẩn này

14

KVANT 2009/№2

Thế giới âm thanh bí ẩn này

E.SOKOLOV

Thật tuyệt vời vào một buổi tối tháng 8 yên tĩnh để ngồi trên bờ sông Oka cao và dốc và ngắm nhìn thế giới xung quanh. Cái nóng ban ngày đã dịu đi, mùi cỏ cắt, đàn ruồi bu trong tia nắng xiên, suy nghĩ bay xa, rất xa… Và rồi một ngày, khi tôi đang ngắm hoàng hôn trong tâm trạng sung sướng đến thế, tôi nghe thấy tiếng động cơ máy bay trên đầu. Trong một lúc, tôi nhìn vào đám mây từ phía sau có âm thanh vang lên, nhưng chiếc máy bay không xuất hiện. Và đột nhiên, qua khóe mắt, tôi nhận thấy một chiếc máy bay vụt qua khe hở giữa các đám mây, nhưng hoàn toàn không ở nơi tôi mong đợi (hình1).

Nếu tàu đã đi qua, liệu bạn có còn lang thang trong rừng nữa không? Nhưng đường sắt chỉ cách đó 50 mét. Chỉ có điều bạn không thể nhìn thấy gì, nhưng bạn có thể nghe rõ tiếng tàu. – Và trong đại dương, ngay cả trong làn nước trong, bạn không thể nhìn thấy gì xa hơn 20 mét. Nếu không có sóng siêu âm, tàu ngầm sẽ vào cảng nước ngoài như quê hương. Còn cá heo thì sao? Còn cá nhà táng thì sao? Còn dơi thì sao? “Vậy hãy tóm tắt lại nhé,” tôi xen vào cuộc tranh luận. – Mọi người có đồng ý rằng thế giới âm thanh có thể quan trọng và hữu ích như thế giới hữu hình không? Và nếu vậy thì hãy cùng tìm hiểu xem thế giới âm thanh bí ẩn này hoạt động như thế nào nhé. Để làm được điều này, chúng ta cần rất ít: một công thức và tư duy logic.

Công thức đầu tiên và tư duy logic

Hình 1

“Đúng, tôi nhầm rồi! - tôi nghĩ. - Tất nhiên, người ta có thể dễ dàng nhận ra rằng điểm mà chúng ta nhìn thấy máy bay và điểm mà chúng ta nghe thấy máy bay là những điểm hoàn toàn khác nhau. Rốt cuộc, vào thời điểm âm thanh truyền đến chúng ta từ điểm A, máy bay đã di chuyển đến điểm B.” Trong bữa tối, tôi kể lại sự việc này với các học sinh của mình - những người tham gia trại hè - như một ví dụ cho thấy rằng trong mọi vấn đề, dù đơn giản, người ta cũng nên sử dụng tư duy logic, không nên chỉ dựa vào thói quen. Và sau một thời gian, Câu hỏi chính đầu tiên đã ra đời. Như thường lệ, Alexander bắt đầu. – Hóa ra điều thú vị là: những gì chúng ta thấy và những gì chúng ta nghe là những thứ hoàn toàn khác nhau. Vậy thì từ đó Thế giới chúng ta nhìn thấy và Thế giới chúng ta nghe thấy là những Thế giới hoàn toàn khác nhau!? “Vậy thì sao, cứ nghĩ về điều đó đi,” Tatyana can thiệp. “Chúng ta sống bằng cách dựa vào thị lực của mình.” - Và ai đã lạc giữa đám trẻ ngày hôm qua và nếu không thì

Hãy bắt đầu, như thường lệ, với sự đơn giản hóa hợp lý. Giả sử rằng trên một hành tinh Yalmez nào đó, phẳng như một cái bàn, không có núi, không có rừng, không có mây mà âm thanh có thể được phản xạ mà chỉ có một người quan sát ở điểm H và một chiếc máy bay đang bay theo đường thẳng với tốc độ không đổi v ở độ cao h (hình2). Chúng ta sẽ lấy thời điểm $ког-_{Рис.} 2$ làm tham chiếu thời gian bằng 0 và mặt phẳng sẽ ở ngay phía trên người quan sát. Với sự lựa chọn này, định luật chuyển động của máy bay sẽ có dạng

$x_{c} ( t ) = vt$.

Đối với chúng ta, một chiếc máy bay đang bay bây giờ chỉ đơn giản là một nguồn âm thanh, được tạo ra bởi các bộ phận động cơ rung khi hoạt động và các luồng phản lực hỗn loạn và lan truyền theo mọi hướng với tốc độ âm thanh c. Một người quan sát, noi gương những người lái tàu ngầm, tốt hơn nên được gọi là người lắng nghe, lắng nghe cẩn thận tiếng gầm rú của máy bay lao tới chỗ anh ta, và chúng ta bắt đầu tìm hiểu những gì anh ta nghe thấy. Chúng ta sẽ thu được công thức làm việc chính nếu dịch những từ đã nói ở trên sang ngôn ngữ toán học: “vào thời điểm âm thanh truyền đến chúng ta từ điểm A, mặt phẳng sẽ chuyển sang điểm B”. Hãy làm theo cách này. Đặt mặt phẳng lúc $\tau$ tại điểm A có tọa độ $x_{c} = v\tau$. Âm thanh phát ra lúc này bắt đầu lan ra mọi hướng.

20

KVANT 2009/№2

Tuy nhiên, vào cuối những năm 80, rõ ràng là để hoàn thành việc xác minh mô hình chuẩn và một số vấn đề khác nảy sinh, năng lượng của hạt cần phải có cường độ cao hơn - lên tới 10 TeV. Giai đoạn tiếp theo của cuộc đua giành năng lượng đã bắt đầu. Một siêu máy va chạm đã được thiết kế ở Hoa Kỳ, việc xây dựng nó thậm chí còn bắt đầu, nhưng vào năm 2002, nguồn tài trợ của chính phủ đã bị dừng lại. Ngược lại, tại CERN vào ngày 16 tháng 12 năm 1994, người ta quyết định lời giải tạo ra một máy va chạm mới. Năm 1999, việc xây dựng nó bắt đầu, nhờ một đường hầm khổng lồ đã được xây dựng - nó chứa một máy gia tốc electron-positron. Tên của thiết bị mới cũng ra đời - Máy Va chạm Hadron Lớn hay gọi tắt là LHC. Chi phí gần đúng cũng đã được xác định - 4 tỷ euro. Việc tài trợ đã bắt đầu và tiến hành thành công, với sự tham gia của 20 quốc gia Châu Âu. Sự tham gia tài trợ của chúng tôi tương đối nhỏ và gián tiếp - 60 triệu đô la cho Viện nghiên cứu hạt nhân chung ở Dubna để trả công lao động của các nhà khoa học Nga (và các nước CIS), những người đã tham gia nhóm quốc tế để tạo ra các công cụ trong đó kết quả của các vụ va chạm hạt sẽ được phân tích. Nga được đưa vào dự án với tư cách là nước quan sát viên (tuy nhiên, Mỹ và Nhật Bản có cùng tư cách). Thời hạn đưa LHC vào hoạt động đã bị vi phạm - một số tai nạn nhỏ đã xảy ra, nguyên nhân là do đánh giá thấp “độ bền”, tức là khả năng chịu được quá tải lớn của vật liệu. Máy va chạm dự kiến ​​​​sẽ ra mắt vào mùa thu này. Các đặc điểm chính của máy va chạm như sau. Đường hầm chính, trong đó có các kênh dành cho các hạt gia tốc, không chỉ là một vòng tròn mà là bốn vòng cung được nối với nhau bằng các đoạn thẳng, nơi các hạt được gia tốc bởi điện trường tần số cao, quỹ đạo của chúng được tinh chỉnh và các hạt gặp nhau. Ở những khu vực này có máy dò - thiết bị phân tích kết quả va chạm. Tổng chiều dài của đường hầm khoảng 27 km, chiều ngang khoảng 8 km, độ sâu của đường hầm khoảng 100 m (để làm giảm bức xạ vũ trụ gây nhiễu). Đường hầm nằm ở biên giới Thụy Sĩ-Pháp, gần Geneva. Điều tò mò là thủy triều do Mặt trăng gây ra (chúng không chỉ tồn tại trong đại dương mà còn trong vỏ trái đất) ở đây có phạm vi dao động lên tới 0,5 m, khiến chiều dài của đường hầm tăng thêm 1 mm. Tuy nhiên, cần phải tính đến tác động tưởng chừng như cực kỳ nhỏ này. LHC không phải là máy va chạm proton-phản proton mà là máy va chạm proton-proton. Những khó khăn trong việc tạo ra các chùm phản proton hẹp ở mức năng lượng cần thiết cỡ 7 TeV lớn đến mức việc thực hiện chuyển động ngược chiều của proton trong đường hầm ở hai kênh riêng biệt có hướng từ trường ngược nhau hóa ra lại dễ dàng hơn. Đầu tiên, proton được gia tốc đến năng lượng thấp trong một vòng nhỏ có đường kính khoảng 50 m, sau đó trong một vòng có đường kính khoảng một km đến năng lượng 0,45 TeV. Dòng proton này sau đó tách thành hai, và hai dòng di chuyển theo những đường ngược nhau vào đường hầm chính, nơi chúng sẽ được gia tốc lên 7 TeV (hay đạt tốc độ 0,999999991 tốc độ ánh sáng). Máy dò được lắp đặt tại bốn điểm gặp nhau của proton trong các hành lang khổng lồ dưới lòng đất (cao tới 20 mét). Một trong những thiết bị này được thiết kế để nghiên cứu sự va chạm không phải của proton mà của các ion nặng – ion chì. Trong máy dò, các sản phẩm va chạm cuối cùng làm phát sinh các xung dòng điện được truyền qua hàng triệu dây dẫn đến các thiết bị máy tính chiếm không gian rộng lớn đã có trên bề mặt. Lượng thông tin này là petabyte ($( 10^{15}$ byte) mỗi giây. Các thiết bị máy tính lọc thông tin và chỉ những thông tin tốt nhất

Theo quan điểm của họ, dữ liệu quan trọng nhất được truyền đến mạng toàn cầu kết nối hàng chục nghìn máy tính trên ba lục địa. Như vậy, LHC không chỉ là một đường hầm mà là một nhà máy hoành tráng với nhiều xưởng. Bây giờ hãy nói về đặc điểm của thí nghiệm. Proton sẽ bay thành từng chùm. Mỗi cục máu đông là một chiếc kim chứa $10^{11}$ hạt có chiều dài 3 cm và độ dày 16 micron (giống như sợi tóc mỏng nhất). Trong quá trình chạy thử, chỉ một bó như vậy sẽ được tăng tốc trong toàn bộ đường hầm và khi nó chuyển sang chế độ vận hành, 2808 bó sẽ được tăng tốc. Điều này có nghĩa là 600 triệu kim sẽ va chạm vào máy dò mỗi giây. Để đảm bảo chuyển động của các proton được gia tốc trong vòng tròn, cần có từ trường có cảm ứng lên tới 20 Tesla và dòng điện hàng chục nghìn ampe phải chạy trong cuộn dây của nam châm điện. Các dây dẫn của cuộn dây chỉ có thể chịu được dòng điện như vậy ở trạng thái siêu dẫn, đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ chỉ khác một chút so với độ không tuyệt đối. 60 tấn helium lỏng sẽ cung cấp nhiệt độ không cao hơn 1,9 K, nhưng trước đó 10.100 tấn nitơ lỏng sẽ hạ nhiệt độ xuống 80 K. Áp suất trong các kênh đường hầm không được vượt quá $10 -^{8}$ Pa. Thí nghiệm đã có sự tham gia của 3.000 nhà nghiên cứu cố định và 6.500 nhà khoa học đến thăm. Số lượng cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật đông hơn gấp mấy lần. Và tại sao tất cả điều này là cần thiết? Các nhà vật lý hàng đầu không tiết kiệm những câu chữ (chưa kể đến các nhà báo giả khoa học): “đây sẽ là một điều gì đó vĩ đại”, “cuộc cách mạng sắp tới trong vật lý”. Cụ thể hơn? Than ôi, phạm vi của bài viết này không cho phép chúng ta xem xét những kỳ vọng này ở cấp độ khoa học nghiêm túc và việc đơn giản hóa sự thô tục hóa là không thể chấp nhận được ở đây. Chúng tôi sẽ hạn chế chỉ liệt kê các mục tiêu dự định chính của thử nghiệm. 1) Khám phá và thiết lập một số tính chất và thông số của hạt cơ bản gọi là boson Higgs. Hạt này hoàn toàn “cần thiết” trong mô hình chuẩn lý thuyết của thế giới vi mô. Nếu nó vẫn chưa được phát hiện thì cần phải xem xét lại toàn bộ nền vật lý hiện đại một cách nghiêm túc. 2) Tìm kiếm siêu hạt - nghi phạm chính là nội dung chính của “vật chất tối” được phát hiện gần đây, chiếm tới 95% tổng khối lượng của Vũ trụ. 3) Khám phá các chiều ẩn giấu của hình học thế giới ngoài ba chiều thông thường. Đặc biệt, trong lý thuyết hiện đại về thế giới vi mô, số chiều là 11. Những nghiên cứu này cũng có thể liên quan đến việc phát hiện ra lỗ đen ảo. Điều này, không phải không có sự giúp đỡ của các nhà báo giả khoa học, đã khiến công chúng vô cùng sợ hãi. Nhưng trên thực tế, hoàn toàn không có gì phải sợ - thứ nhất, khối lượng của những vật thể này không đáng kể, thứ hai, chúng là ảo, tức là nằm trong một số không gian nhất định của các chiều không gian khác. 4) Tiếp tục nghiên cứu (trong các thí nghiệm với các ion chì được gia tốc) về các tính chất của trạng thái quark-gluon (plasma quark-gluon), trong đó vật chất của Vũ trụ được định vị ngay sau khi nó ra đời. Và tiếp theo là một dự án toàn cầu (với sự tham gia của Hoa Kỳ và Nhật Bản) nhằm xây dựng một máy gia tốc thậm chí còn tham vọng hơn, lần này là máy va chạm tuyến tính electron-positron, dự kiến ​​sẽ được phóng vào năm 2020. Ước tính sơ bộ chi phí của nó ít nhất là 8 tỷ USD. Thật vậy, theo nhận xét thích hợp của Viện sĩ L. Artsimovich, “khoa học là một cách để thỏa mãn trí tò mò của các nhà khoa học mà gây tổn hại cho xã hội”. L. Belopukhov