در سال 2008 برخوردهندۀ هادرونی بزرگ(LHC) پس از 20 سال آماده سازی شروع به کار کرد. همه کارهای علمی بزرگی که تا حالا در این آزمایشگاه صورت گرفته از جمله کشف بوزون هیگز به این برخورددهندۀ هادرونی بزرگ برمیگرده. پس ما در اینجا هدفمون اینه که این برخورددهندۀ بسیار مهم رو معرفی کنیم و در ادامه کارهایی که در اون صورت گرفته رو معرفی کنیم.

LHC مخفف چیست؟

L=Large این حرف به بزرگ بودن سایز این برخوردهنده اشاره داره که طول(یا به نوعی محیطش) این برخورددهنده 27 کیلومتر هستش که این عدد نشان دهنده بزرگی این برخورددهنده هستش. حالا سوالی که به وجود میاد اینه که چرا اینقد بزرگ؟؟ آیا لازمه این همه برای بزرگ ساختن این برخورددهنده هزینه بشه؟؟؟ اگه تاپیکو دنبال کرده باشین ما گفتیم توی رابطه نسبیت انیشتین(نسبیت خاص) جرم و انرژی به هم تبدیل میشدن اما برای این تبدیل ها نیاز بود شرایط رابطه برقرار باشه. بزار یه بار دیگه رابطه رو ببینیم: E=mc^2

خب همونطور که از رابطه معلومه ما باید برای تبدیل جرم و انرژی به همدیگه سرعت ذرات رو تا اندازه سرعت نور© بالا ببریم تا در لحظه برخورد ذرات انرژی در حدود تریلیون الکترون ولت داشته باشند، با توجه به مکانیزمی که برای شتاب دادن به ذرات استفاده میکنند لازمه که در مسیری طولانی و بزرگ این کار در نظر بگیرن در غیر این صورت در لحظه برخورد ذرات چنین انرژی رو ندارن یا به چنین انرژی نمیرسن. پس دلیل بزرگ ساختن این برخورددهنده تولید انرژی بالا هستش.

H=Hadron در زبان یونانی هادرون به معنای محکم و سخت می باشد و در فیزیک ذرات بنیادی هادرون به ذراتی میگن که از ترکیب دو یا سه کوارک(درباره کوارک ها توضیح دادم) به وجود اومده باشن(اون نیرویی که این کوارک هارو در کنار هم قرار میده یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت یعنی نیروی هسته ای قوی هستش). هادرون ها دوتا زیر محموعه دارن: باریون ها(از ترکیب سه کوارک) و مزون ها(از ترکیب 2کوارک). که پروتون و نوترون جزء باریون ها هستن. خلاصه اینکه هدف از به کاربردن هادرون اینه که این برخورددهنده قراره به ذرات بنیادی مثل پروتون شتاب بده. نکته دیگه ای که باید در نظر داشت باریون ها مثل پروتون و نوترون ها به دلیل جرم خیلی بیشترشون نسبت به ذره ای مانند الکترون خیلی بهتر در چنین آزمایشی جواب میدن.

C=Collider چرا برخورددهنده؟؟ چرا برخورد ذرات باهم؟؟ چرا برخورد یه ذره با یه تارگت مشخص نباشه؟؟؟ جوابش واضح هستش چون ما اینجا دنبال انرژی بالا هستیم و خب وقتی دو ذره با هم برخورد میکنن انرژی نهایی برابر مجموع انرژی این دوذره هستش یعنی: (E = Ebeam1 + Ebeam2). و اگه یک ذره با یه هدف یا تارگت برخورد کنه انرژی نهایی هم ار هستش با: (E ∝ √Ebeam). پس میتونیم نتیجه بگیریم برخورد دو ذره باهم میتونه انرژی بالاتری رو برای ما تولید کنه.

هزینه این آزمایشگاه بزرگ تا حالا چقد بوده؟؟ تا حالا چقد برای LHC برای آشکارسازها، برای ابرکامپیوترهای محاسبه گر هزینه شده؟؟؟ به تصویر زیر دقت کنید(این رقم ها از سایت خود سرن گرفته شده و دقیق می باشند):

اونطوری که من از سرچ توی نت متوجه شدم CHF کد واحد پول سوئیس یعنی فرانک هستش پس با این حساب هزینه کل این کار تاحالا 4332 میلیون فرانک سوئیس هستش.دیگه دوستان عزیز که سرتون توی حساب کتابای رقم بالاس خودتون فرانک سوئیس رو به دلار تبدیل کنین و متوجه میزان هزینه این آزمایشگاه بشین.

ادامه مطالب رو در پست های بعدی میزارم.

هرموقع تو دبیرستان خانوممون این قسمتو(بایرونو اینا) اموزش میداد همش فک میکردم داره انگلیسی صحبت میکنه:dولی الان خیلی خوب فهمیدم ممنون

خب تا اینجا گفتیم که یه برخورد دهنده هادرونی خیلی بزرگ در آزمایشگاه سرن ساختن و درباره خصوصیاتش توضیح دادیم در این پست میخوام اهداف این برخورددهنده رو بگم:

این یه واقعیته که درک فعلی ما از جهان ناقصه و کامل نیس. میشه گفت مدل استاندارد ذرات و نیروها، خلاصه ای از دانش فعلی ما از فیزیک ذرات هستش. اگه بخوایم در یه جمله مدل استاندارد رو بیان کنیم باید گفت: مدل استاندارد نظریه ای مربوط به نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف و قوی هستش. هرچند این مدل تا حالا در ارائه پیش فرض های تجربی فیزیک ذرات بنیادی موفقیت های زیادی داشته اما درباره یکی دیگر از نیروهای بنیادی یعنی گرانش توضیح خاصی نداره، درباره انبساط جهان، درباره ماده تاریک، درباره اسرار حاکم بر نوترینوها و ... این نظریه ناقص هستش و به عبارتی میشه بگیم مدل استاندارد سوالات زیادی رو بی جواب گذاشته که هدف LHC اینه کمک کنه که به این سوالات جواب بدیم.

در سال 1964 سه تا دانشمند(Robert Brout, François Englert, Peter Higgs) تئوری رو ارائه دادن که منشاء جرم رو توضیح میداد. یعنی به زبان ساده میگفت روز اول یعنی همون روزی که این کیهان شکل گرفته جرم چگونه به وجود اومده. درسته شاید بگیم هر جسمی قطعا از مولکول و اتم تشکیل شده و جرم جسم به این ذرات ریزاتمی برمیگرده اما بحث اینجا فراتر از این حرفاس. این تئوری توضیح میداد که خود این ذرات ریزاتمی منشا جرمشون چی بوده(اینجا دقیقا همون بحث تبدیل جرم به انرژی هستش که با فرمول نسبیت انیشتین توضیح دادم). یکی از کارهای مهمی که در سال 2012 توی آزمایشگاه سرن اثبات شد همین بحث بود یعنی پیدا کردن منشا جرم(درباره این موضوع در یه تاپیک جداگانه در آینده بحث خواهد شد). به تصویر زیر دقت کنید که اثبات بوزون هیگر و همچنین پیدا کردن منشا جرم هستش( که جایزه نوبل سال 2013 رو برد اگه اشتباه نکنم). توی تصویر زیر در قسمتی که دورش رو خط کشیدم برخورد ذره بنیادی رو در LHC میبینید که توسط این آزمایش منشا جرم اثبات شده در باره این تصویر و چگونی انجام آزمایشش بعدا در تاپیکی جداگانه صحبت خواهم کرد.

مشاهدات کیهانشناسان نشون داده که مطابق هم ارزی جرم-انرژی هرچیزی که از این کیهان برای ما قابل درک هستش فقط 5 درصد این جهان رو تشکیل میده و حدود 28 درصد جهان رو ماده تاریک و 68 درصد رو انرژی تاریک تشکیل میده. شاید درک نکردن این پدیده ها از عدم تقارن یا یگانگی گرانش و دنیای کوانتومی هستش(همون بحث وحدت نیروها). یکی از اهداف LHC و در آینده برخورددهنده های بزرگتر از LHC، اثبات و درک بهتر انرژی تاریک و ماده تاریک هستش. "درباره انرژی تاریک و ماده تاریک به صورت تخصصی بعدها صحبت میشه."

یکی دیگه از بحث های بسیار مهم در فیزیک کیهان و همچنین فیزیک ذرات بنیادی بحث ماده و پادماده هستش. خیلی خیلی بحث مهمیه. وقتی به تئوری بیگ بنگ توجه کنیم میبینیم اساس شکل گیری کیهان صرفا ماده(یعنی پروتون، نوترون، الکترون و ...) نبوده بلکه پادماده شامل پاد ذره ها نیز وجود داشتن. در یک کلام بخوام درباره پادماده بگم باید گفت که برعکس ماده هسته اتم این مواد بار منفی داره و بار ذرات مداری مثبت هستش(در ماده هسته اتم بار مثبت داشت و ذرات مداری که همون الکترون بود بار منفی داشت). درباره ماده و پاد ماده در آینده در تاپیکی جداگانه بحث میشه. هدف بحث در اینجا این بود که بگیم یکی از اهداف LHC بررسی همین رازهای مربوط به پادماده هستش. برای درک بهتر پادماده در زمان بیگ بنگ به تصویر زیر توجه کنید: قسمت هایی که دورشون خط زرد کشیدم پوزیترون هستش که همون پادماده الکترون هست.

و نکته پایانی دراین باره: همونطور که گفتیم C در LHC مخفف برخورددهنده هست یعنی این دستگاه دو تا چیز رو بهم برخورد میده . در LHC ذرات بنیادی بهم برخورد میکنن که اینجا دوتا ذره پروتون به هم برخورد میکنن اما در کنار این در LHC برخورد یون های سنگین هم داریم که این نوع برخورددهنده میتونه پنجره ای باشه به روی حالتی از مواد که در اولین مرحله شکل گیری کیهان وجود داشتن یعنی کوارک-گلوئون و پلاسما. پلاسمای کوارک-گلوئون که بهش سوپ کوارک هم میگن یه فاز یا حالتی از ماده هستش که در دما و چگالی بسیار بالا رخ میده. دانشمندان فیزیک ذرات بر این عقیده‌اند که این پلاسما در اولین میکروثانیه‌های پس از بیگ بنگ وجود داشته‌است و بررسی خواص این پلاسما کمک بزرگی به درک چگونگی آغاز جهان می کند یعنی ما در اینجا میتونیم توسط این برخورددهنده های یون سنگین، در فضای آزمایشگاهی بیگ بنگ رو ایجاد کنیم. در این برخورددهنده ها دما فراتر از 100 هزار برابر دمای مرکز خورشید میشه که در این حالت کوارک ها آزاد میشن این دقیقا شبیه مرحله "سوپ" در بیگ بنگ هستش یعنی یه مرحله قبل از اینکه پرتون ها و نوترون ها شکل بگیرن. این هم یکی دیگه از اهداف LHC هستش.

خب دوستان گرام در این پست کامل درباره اهداف ساخت این برخورددهنده غول پیکر توضیح داده شد. پس هدف اصلی پی بردن به رازهای نهفته در طبیعت هستش. من در ادامه ویژگی های دیگه این برخورددهنده غول پیکر رو خدمتتون عرض میکنم تا شناختتون کامل بشه سپس در آینده در تاپیک هایی جداگانه کارهای بزرگی که برای پی بردن به این رازهای طبیعت تاحالا در این آزمایشگاه غول پیکر صورت گرفته رو تحلیل میکنم مانند کشف بوزون هیگز.

پیدا نشه بهتره, هنوز که هنوزه گیر کردیم توی درک تعریف انتگلمنت که آیا مکانیزم پشتش می تونه باعث واکنش آنی فارق از فاصله بشه یا. این روابط انیشتین هم اگه زیر سوال برن دیگه واقعا از فیزیک مدرن و کوانتومی فقط یه علامت سوال واسمون میمونه که معلوم هم نیست بتونیم حالا حالاها جوابی براش پیدا کنیم.
یکم به فکر اون بنده خداهایی باش که قراره 3 واحد فیزیک مدرن پاس کنن, هنوز که هنوزه معادله شرودینگر پشتمو می لرزونه ! ?

البته من از فیزیک زیاد سر رشته ندارم ولی بار اولی که معادله شرودینگر و دیدم خایه فنگ شدم! لامصب یه خط معادله بود فک کنم هیچ عدد درست و حسابی توش نبود. همش نماد…

تو احتمال معادله شرودینگر رو با کت تابع سای دیدی واسه همین طبیعیه خایه فنگ شدی. احتمالا یکی از دو رابطه زیر رو دیدی:

ببین دو رابطه بالا یکی هستن. من اگه بخوام توضیح بدم درباره روابط بالا باید بگم که اچ بار ثابت پلانک هستش و یه عدد ثابته. i در اینجا همون رادیکال منفی یک هستش این دقیقا تفاوت کوانتوم از کلاسیکه چرا؟ چون ما در کوانتوم با فضای حقیقی روبرو نیستیم بلکه با فضای هیلبرت روبرو هستیم و خود فضای حقیقی فیزیک کلاسیک به نوعی زیر مجموعه این فضاس. وقتی میایم درباره نظریه ریسمان و جهان های 11 بعدی و ... حرف بزنیم دیگه نمیتونیم توی فضای سه بعدی یا چهاربعدی حقیقی خودمون به بحث بپردازیم اینجاس وارد فضای هیلبرت میشیم این فضا میتونه بی نهایت بعد داشته باشه و دلیلش اینه که این فضا مختلط هستش یعنی مجموع دو فضای حقیقی و موهومی هستش. تابع سای داخل یه خط راست و یه فلش مانند قرار گرفته به اون کت میگن. این یه جور نمادگذاری کوانتومیه. که بهش میگن برا و کت که عملا این نماد گذاری یه نوع مختصر نویسی نمایش انتگرالی روابط هستش. فرمول زیر معادل سازی برا و کت با انتگرال رو نشون میده:

تا اینجا درباره طرف چپ معادله توضیح دادم. طرف راست هم شامل دو قسمته یه قسمت کِت میدان سای هستش که توضیح دادم درباره کت اما یه قسمت با حرف بزرگ H نوشته شده. اون اچ یه عملگره به نام عملگر هامیلتون. ببین کلا در کوانتوم سه تا عملگر داریم عملگر جنبشی، عملگر تکانه زاویه ای و عملگر هامیلتونی. عمگر هامیلتونی رو در رابطه دوم معادلشو نوشته اینه:

قسمت قبل +، همون عملگر انرژی جنبشی هستش(اچ بار ثابت پلانک، ام جرم هستش و اون عملگر هم لاپلاسین یا دیفرانسیل دوم هستش، به زبان ساده دوبار مشتق گرفتن هستش که فک کنم باهاش اشنایی داشته باشی). قسمت بعد + هم پتانسیل میدان هستش. ماهیت ماجرا همون ماهیت مکانیک کلاسیک و قوانین نیوتون هستش اما چون فضای کوانتوم دیگه فضای حقیقی نیس پس قطعا صورت معادلات هم کوانتومی میشه. دیگه از این ساده تر نمیتونستم بگم اگه بد بود ببخش بر من.

البته من از فیزیک زیاد سر رشته ندارم ولی بار اولی که معادله شرودینگر و دیدم خایه فنگ شدم! لامصب یه خط معادله بود فک کنم هیچ عدد درست و حسابی توش نبود. همش نماد…

تو احتمال معادله شرودینگر رو با کت تابع سای دیدی واسه همین طبیعیه خایه فنگ شدی. احتمالا یکی از دو رابطه زیر رو دیدی:

ببین دو رابطه بالا یکی هستن. من اگه بخوام توضیح بدم درباره روابط بالا باید بگم که اچ بار ثابت پلانک هستش و یه عدد ثابته. i در اینجا همون رادیکال منفی یک هستش این دقیقا تفاوت کوانتوم از کلاسیکه چرا؟ چون ما در کوانتوم با فضای حقیقی روبرو نیستیم بلکه با فضای هیلبرت روبرو هستیم و خود فضای حقیقی فیزیک کلاسیک به نوعی زیر مجموعه این فضاس. وقتی میایم درباره نظریه ریسمان و جهان های 11 بعدی و … حرف بزنیم دیگه نمیتونیم توی فضای سه بعدی یا چهاربعدی حقیقی خودمون به بحث بپردازیم اینجاس وارد فضای هیلبرت میشیم این فضا میتونه بی نهایت بعد داشته باشه و دلیلش اینه که این فضا مختلط هستش یعنی مجموع دو فضای حقیقی و موهومی هستش. تابع سای داخل یه خط راست و یه فلش مانند قرار گرفته به اون کت میگن. این یه جور نمادگذاری کوانتومیه. که بهش میگن برا و کت که عملا این نماد گذاری یه نوع مختصر نویسی نمایش انتگرالی روابط هستش. فرمول زیر معادل سازی برا و کت با انتگرال رو نشون میده:



تا اینجا درباره طرف چپ معادله توضیح دادم. طرف راست هم شامل دو قسمته یه قسمت کِت میدان سای هستش که توضیح دادم درباره کت اما یه قسمت با حرف بزرگ H نوشته شده. اون اچ یه عملگره به نام عملگر هامیلتون. ببین کلا در کوانتوم سه تا عملگر داریم عملگر جنبشی، عملگر تکانه زاویه ای و عملگر هامیلتونی. عمگر هامیلتونی رو در رابطه دوم معادلشو نوشته اینه:

قسمت قبل +، همون عملگر انرژی جنبشی هستش(اچ بار ثابت پلانک، ام جرم هستش و اون عملگر هم لاپلاسین یا دیفرانسیل دوم هستش، به زبان ساده دوبار مشتق گرفتن هستش که فک کنم باهاش اشنایی داشته باشی). قسمت بعد + هم پتانسیل میدان هستش. ماهیت ماجرا همون ماهیت مکانیک کلاسیک و قوانین نیوتون هستش اما چون فضای کوانتوم دیگه فضای حقیقی نیس پس قطعا صورت معادلات هم کوانتومی میشه. دیگه از این ساده تر نمیتونستم بگم اگه بد بود ببخش بر من.

? ?

ببخشید اینو میگم میدونم اینجا جای اینجور مزه پرونیا نیس ولی نمیتونم جلو خودمو بگیرم :(

من از شرودینگر فقط با گربه اش آشنایی دارم :D

نه اتفاقا مزه پرونی نیس و یه توصیف کاملا کوانتومیه و به نوعی به عدم قطعیت در کوانتوم برمیگرده مبحثش. حالا یه سوال: با خود گربه آشنایی داری یا مبحث گربه شرودینگر؟؟ دچار کژتابی کوانتومی شدم :D

من کلا به گربه علاقه دارم گربه شرودینگرم که سلبریتی گربه هاس :D

مبحثشم همونی بود که تا وقتی در جعبه رو باز نکنیم نمیدونیم توش گربه هس یا نه, دیگه؟

البته من از طریق سریال big bang theory و کارتون rick and morty آشنا شدم با این مبحث ?