Nếu hai proton va chạm ở tốc độ bằng 99,9999991% tốc độ ánh sáng thì chúng có tạo ra âm thanh hay không?
Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) gia tốc các chùm hạt, thường là proton, đi vòng quanh vành đai dài 27 km cho đến khi chúng đạt tới 99,9999991% tốc độ ánh sáng. Nếu bạn có thể quan sát hiện tượng này xảy ra, bạn sẽ nhìn thấy gì?
Vành đai LHC thật ra gồm những đoạn thẳng và những đoạn cong. Nếu bạn quan sát các proton đang bay qua những đoạn thẳng thì mọi thứ sẽ hoàn toàn tối đen như mực. Nhưng khi các proton đi qua những đoạn cong của LHC, chúng phát ra bức xạ synchrotron ở dạng các photon.
Ở năng lượng thấp, các photon trên thường thuộc vùng hồng ngoại, nhưng có hai điểm đặc biệt trên vành đai LHC, các nam châm đặc biệt gọi là bộ uốn sóng làm cho proton phát ra ánh sáng khả kiến.
Trong quá trình gia tốc, năng lượng proton tăng dần, và năng lượng của các photon mà chúng phát ra cũng tăng dần. Một khi các proton đạt tới năng lượng tối đa của chúng, thì phần lớn các photon thuộc vùng tử ngoại. Nếu bạn nhìn vào ống dẫn chùm hạt tại điểm đó, thì mắt bạn chẳng thấy gì cả, nhưng bạn sẽ bị sạm da như đang phơi nắng ngoài trời.
Đối với một proton chuyển động ở 99,9999991% tốc độ ánh sáng, không gian và thời gian trông như thế nào?
Hai hiệu ứng lạ nhưng đã được biết tường tận về sự chuyển động ở tốc độ cao đáng kể so với tốc độ ánh sáng là sự giãn nở thời gian (đồng hồ đang chuyển động chạy chậm lại) và sự co chiều dài.
Sự giãn nở thời gian cho chúng ta biết rằng thời gian mà một nhà quan sát đang chuyển động cảm nhận sẽ ngắn hơn thời gian trôi qua đối với một nhà quan sát đứng yên. Sự co chiều dài cho chúng ta biết rằng một nhà quan sát đứng yên sẽ quan sát một vật đang chuyển động có chiều dài ngắn đi so với khi nó ở trạng thái đứng yên.
Đối với một proton đang chuyển động ở rất gần tốc độ ánh sáng, thời gian có vẻ như trôi qua bình thường. Thời gian của proton chỉ có vẻ kì lạ khi so với một nhà quan sát ở bên ngoài LHC, đối với người này 1 giây đối với hạt proton kia sẽ kéo dài như khoảng 2 giờ đồng hồ.
Cái trông có vẻ lạ từ góc nhìn của proton sẽ là chiều dài. Đối với hạt proton đang lao đi vèo vèo xung quanh LHC, chu vi 27 km của máy gia tốc này sẽ còn có 4 m mà thôi.
Nói proton lao đi vèo vèo, phải chăng các hạt chuyển động bên trong LHC có tạo ra âm thanh? Nếu bạn áp tai mình lên ống dẫn chùm hạt và lắng nghe các proton va chạm thì bạn sẽ nghe thấy gì?
Các hạt bên trong LHC đang chuyển động trong một chân không rất tốt, và chẳng có âm thanh nào trong chân không cả. Nhưng người ta có ghi âm chùm proton lao vào lõi graphite của bộ chặn chùm tia, nơi các hạt bị gửi vào khi các nhà khoa học muốn dừng chuyển động quay tròn của chúng trong máy gia tốc, và chúng đập vào bia với một tiếng nổ lớn.
Các va chạm trong LHC mạnh cỡ nào?
LHC cho va chạm hai chùm proton có năng lượng tổng cộng 13 TeV, hay 13 nghìn tỉ electron-volt. Electron-volt là một đơn vị của năng lượng, giống như calorie hay joule. Người ta dùng electron-volt khi nói về năng lượng chuyển động của những thứ thật sự nhỏ như các hạt hay các nguyên tử.
Một photon hồng ngoại có năng lượng khoảng 1 eV. Một con muỗi đang bay có năng lượng khoảng 4 nghìn tỉ eV.
Bạn có thể nghĩ 13 nghìn tỉ eV chẳng là gì. Nhưng cái gây ấn tượng không phải năng lượng nhiều bao nhiêu mà là mật độ năng lượng: Đó là năng lượng của khoảng 3 con muỗi bay nhồi nhét vào một không gian nhỏ hơn 1 nghìn tỉ lần so với kích cỡ của một con muỗi khó ưa. Chẳng có nơi nào trên Trái Đất chúng ta có thể tập trung năng lượng đến mức ấy.
Thay vì cho các proton va chạm ở 13 TeV, bạn có thể cho các quả táo va chạm ở tốc độ cao như vậy hay không?
Nếu bạn có thể làm như thế, bạn sẽ thu được một loại nước ép táo vô cùng đặc biệt – và một lượng năng lượng khổng lồ: gần 1020 joule. Đó là cỡ mức năng lượng được giải phóng khi một thiên thạch lao xuống Canada hồi 39 triệu năm trước. Kết quả của vụ va chạm đó là Hố thiên thạch Haughton có đường kính khoảng 23 km.
Tuy nhiên, LHC không thể gia tốc quả táo nào cả. Hiện nay, nó có thể gia tốc khoảng 600 nghìn tỉ proton cùng một lúc. Con số đó nghe có vẻ như nhiều lắm, nhưng cộng gộp lại mới bằng khoảng 1 nano gam vật chất – xấp xỉ khối lượng của một tế bào ở người mà thôi.
Nguồn: Symmetry Magazine
