Để làm nóng một lát bánh pizza, có lẽ bạn sẽ xem xét việc làm lạnh nó trong tủ lạnh. Nhưng một nghiên cứu lý thuyết cho thấy rằng làm mát, là bước đầu tiên trước khi làm nóng, có thể là cách nhanh nhất để làm nóng các vật liệu nhất định. Trên thực tế, việc lọc tiền như vậy đôi khi có thể dẫn đến sự gia nhiệt nhanh hơn theo cấp số nhân, hai nhà vật lý tính toán trong một nghiên cứu được chấp nhận trong Thư đánh giá vật lý.
Khái niệm này tương tự như hiệu ứng Mpemba, phản trực giác - và gây tranh cãi - quan sát rằng nước nóng đôi khi đóng băng nhanh hơn nước lạnh (SN: 1/6/17). Các nhà khoa học vẫn không đồng ý về lý do tại sao hiệu ứng Mpemba xảy ra và rất khó để tái tạo hiệu ứng này một cách nhất quán. Nghiên cứu mới này là cách suy nghĩ về các hiệu ứng như hiệu ứng Mpemba từ một góc nhìn khác, chuyên gia vật lý Andrés Santos của Đại học de Extremadura ở Badajoz, Tây Ban Nha, người không tham gia nghiên cứu cho biết.
Tiềm năng này để làm nóng nhanh hơn không thực sự áp dụng cho các lát bánh pizza, nhưng đối với các mô hình lý thuyết đơn giản nhất định, mà các nhà khoa học sử dụng để thực hiện các tính toán giúp họ hiểu được các vật liệu thực. Các nhà vật lý Amit Gal và Oren Raz thuộc Viện Khoa học Weizmann ở Rehovot, Israel, đã nghiên cứu một hệ thống lý thuyết gọi là mô hình Ising, một lưới các nguyên tử 2 chiều có các cực từ hướng lên hoặc xuống. Cụ thể, họ đã xem xét một phiên bản của mô hình Ising trong đó các nguyên tử lân cận có xu hướng hướng các cực của chúng theo hướng ngược lại, hành vi được gọi là phản sắt từ. Trong hệ thống đó, quá trình gia nhiệt có thể xảy ra nhanh hơn sau giai đoạn tiền lọc.
Để hiệu ứng mới xảy ra, phải có một số thuộc tính có liên quan của hệ thống ngoài nhiệt độ đồng nhất bị ảnh hưởng bởi quá trình tiền lọc. Mặt khác, có một sự khác biệt giữa một hệ thống đã được tiền mã hóa và được tua lại, và một hệ thống đã có. Nhiệt độ không thể thực sự nói lên toàn bộ câu chuyện.
Trong trường hợp của mô hình Isiferromag từ Ising, các nhà nghiên cứu đã xem xét tổng từ hóa được tạo ra từ tất cả các nguyên tử, cũng như có bao nhiêu nam châm chỉ theo hướng ngược lại với các nước láng giềng. Làm mát vật liệu có thể thay đổi tỷ lệ giữa hai tính chất này theo cách cho phép quá trình gia nhiệt diễn ra nhanh hơn.
Raz hy vọng rằng các nhà vật lý có thể tìm kiếm hiệu ứng trong các vật liệu thực tiếp theo, chẳng hạn như hợp kim từ tính.
Những người có triển vọng rất thú vị, chuyên gia vật lý Adolfo del Campo của Trung tâm Vật lý Quốc tế Donostia ở Tây Ban Nha cho biết. Các nhà khoa học đã tìm kiếm các cách để tăng tốc độ gia nhiệt trong các máy nhỏ tuân theo các quy tắc của cơ học lượng tử và có thể vượt qua một số giới hạn của máy tiêu chuẩn (SN: 4/1/19). Nếu hiệu ứng có thể được khai thác trong các máy phút như vậy, thì theo ông, nó sẽ [khá] tiện dụng.
Từ các proton, electron đến hạt nhân nguyên tử, các nhà vật lý thích đập vỡ những thứ nhỏ bé lại với nhau. Và ngay sau đó, họ có thể có một cách thậm chí tốt hơn để có được cú đá của họ.
Một thí nghiệm mới làm tăng triển vọng xây dựng máy gia tốc hạt va chạm các hạt gọi là muon, điều này có thể dẫn đến sự phá vỡ năng lượng cao hơn bất kỳ thiết kế nào trước đây. Các nhà khoa học với Thí nghiệm làm mát ion hóa Muon, hay MICE, đã làm mát một chùm muon, một phần cần thiết để chuẩn bị các hạt để sử dụng trong máy va chạm, nhóm nghiên cứu báo cáo trực tuyến vào ngày 5 tháng 2 trên tạp chí Nature.
Để nghiên cứu vật chất ở cấp độ cơ bản nhất của nó, các nhà vật lý đập các hạt lại với nhau ở năng lượng cao và lọc qua đống đổ nát. Chiến lược này đã tiết lộ các hạt chưa được biết đến trước đây, chẳng hạn như boson Higgs (SN: 4/4/12), được phát hiện tại Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, gần Geneva, vào năm 2012.
Máy va chạm dài 27 km đó đã là cỗ máy lớn nhất từng được chế tạo. Để tiếp tục tìm kiếm các hạt mới, các nhà khoa học phải tìm đến những năng lượng cao hơn. Năng lượng va chạm càng cao, các nhà khoa học hạt nặng hơn có thể khám phá ra. Để có được năng lượng cao hơn đòi hỏi một máy gia tốc mạnh hơn. Vì vậy, các nhà khoa học đang lên kế hoạch cho các phiên bản lớn hơn, xấu hơn - và đắt hơn - của máy va chạm hiện tại (SN: 1/22/19).
Nhưng các máy va chạm đập các proton lại với nhau, như LHC, có một nhược điểm lớn: Proton được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là quark, mỗi hạt chỉ mang một phần năng lượng của proton. Điều đó có nghĩa là mỗi vụ va chạm hạt có ít oomph. Sự va chạm của các hạt cơ bản như muon, mà aren làm từ các hạt nhỏ hơn, không có vấn đề gì.
Một số máy va chạm có vấn đề về proton bằng cách đập vỡ các electron và các phản vật chất của chúng, positron. Nhưng những máy đó cũng có một nhược điểm: electron và positron mất năng lượng xoay quanh vòng tăng tốc bằng cách phun tia X. Những tia đó, được gọi là bức xạ synchrotron, ít quan trọng hơn đối với các hạt nặng hơn như muon, có khối lượng lớn gấp 200 lần electron, cho phép muon đạt được năng lượng cao hơn.
Nhưng va chạm muon không phải là một kỳ công đơn giản. Để tạo ra muon, các nhà khoa học đập một chùm proton vào mục tiêu, tạo ra các hạt khác phân rã và tạo ra muon. Những muon đó nổi lên với nhiều loại năng lượng và hướng khác nhau. Để sử dụng các hạt trong máy va chạm, chúng phải được làm lạnh hoặc được đưa vào một đội hình có trật tự, giống như việc làm mát một loại khí làm giảm chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử của nó.
To create muons, scientists slammed a beam of protons into a target, contained within the device shown.STFC
Không có sự làm mát này, muon đã thắng va chạm khi hai chùm hạt được giao nhau. Nhà máy vật lý Chris Rogers thuộc Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Didcot, Anh cho biết, chùm tia này quá khuếch tán và các muon chỉ nhớ nhau. Bây giờ, lần đầu tiên, Rogers và đồng nghiệp đã chứng minh làm mát muon.
Muon phân rã thành các hạt khác trong khoảng hai phần triệu giây. Nhà khoa học Nadia Pastrone thuộc Viện Vật lý hạt nhân Quốc gia ở Ý, người rất không quan tâm đến việc tìm ra một cách hiệu quả để làm mát những muon này rất nhanh.
Để thực hiện quá trình làm lạnh nhanh chóng đó, các nhà nghiên cứu chuyển các muon qua các vật liệu, khiến các muon đánh bật các electron khỏi các nguyên tử trong vật liệu. Điều đó làm mất đi một số động lượng muon muôn theo mọi hướng. Sau đó, các nhà nghiên cứu tăng tốc tất cả các muon theo cùng một hướng bằng cách sử dụng các trường điện từ. Lặp đi lặp lại quá trình này nhiều lần sẽ tạo ra một chùm có trật tự, dày đặc phù hợp.
Phương pháp có thể thay đổi mạnh mẽ cách chúng ta xây dựng các máy gia tốc lớn, chuyên gia vật lý gia tốc Vladimir Shiltsev của Fermilab ở Batavia, Ill, người không thuộc MICE. Hiện tại, những gì chúng ta đang nói đến là bình minh của một kỷ nguyên mới có thể có trong vật lý hạt và chắc chắn là trong vật lý chùm gia tốc.
Một loại hạt ít được biết đến gọi là kaon có thể đang bước vào ánh đèn sân khấu.
Các hạt hạ nguyên tử kỳ lạ đang thu hút sự chú ý cho hành vi bất ngờ của chúng trong một thí nghiệm tại máy gia tốc hạt của Nhật Bản. Theo phân tích của KOTO, các phân rã kaon hiếm dường như xảy ra thường xuyên hơn dự kiến. Nếu kết quả giữ được sự xem xét kỹ lưỡng hơn, nó có thể gợi ý về các hạt chưa từng thấy sẽ làm truất ngôi lý thuyết vật lý hạt trần, mô hình chuẩn.
Yuval Grossman của Đại học Cornell cho biết, vẫn có một cơ hội tốt, kết quả KOTO sẽ bị đảo ngược. Nhưng ở đó, có khả năng cực kỳ thú vị khi họ thấy một thứ hoàn toàn mới.
Mô hình chuẩn mô tả các hạt và lực làm nền tảng cho vũ trụ. Nhưng vẫn còn những câu đố cần giải quyết, chẳng hạn như tại sao lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ (SN: 11/11/19). Vì vậy, các nhà vật lý không để lại bất kỳ viên đá nào - hay kaon - trong những nỗ lực kiểm tra lý thuyết. Một lĩnh vực phải xem xét kỹ lưỡng là sự phân rã rất hiếm của kaons. Mô hình chuẩn dự đoán chính xác mức độ hiếm của các phân rã đó và KOTO, có trụ sở tại Tổ hợp nghiên cứu máy gia tốc Proton Nhật Bản ở Tokai, được chế tạo để kiểm tra dự đoán đó.
Theo mô hình tiêu chuẩn, KOTO lẽ ra chỉ nhìn thấy một phần nhỏ của sự phân rã, trung bình, trong một vài năm dữ liệu có giá trị. Nhưng vào tháng 9 năm ngoái, tại Hội nghị quốc tế về Vật lý Kaon ở Perugia, Ý, các nhà nghiên cứu từ KOTO đã báo cáo sơ bộ về tiền thưởng của bốn sự phân rã tiềm năng.
Chắc chắn rằng, nhà sản xuất tóc của Yig Wah, Yau Wah, thuộc trường đại học Chicago, đồng phát ngôn viên của KOTO. Nhưng các thí nghiệm vật lý hạt nổi tiếng với các tín hiệu giả có thể bắt chước các hạt thực (SN: 8/5/16). Nghiên cứu bổ sung phải được thực hiện trước khi tuyên bố sự phân rã là có thật, Wah nói.
Điều đó đã ngăn chặn các nhà vật lý xem xét các hàm ý. Đã có một loạt các bài báo khoa học đã đề xuất giải thích cho sự bất thường.
KOTO đang tìm kiếm sự phân rã cụ thể của kaon thành ba hạt khác. Một trong những hạt đó, một pion, tạo ra ánh sáng mà KOTO phát hiện. Hai người còn lại, một neutrino và một antineutrino, đi xuyên qua máy dò mà không có một đốm sáng. Điều đó có nghĩa là KOTO đang tìm kiếm một chữ ký cụ thể: một pion và không có gì khác. Một lời giải thích khả dĩ cho bốn phân rã là kaon có thể đang phân rã thành pion cộng với một loại hạt mới, như neutrino, không để lại dấu vết. Kịch bản đó sẽ tái tạo chữ ký một pion mà KOTO đang tìm kiếm và có thể xảy ra thường xuyên hơn, giải thích các phân rã thêm.
Nhưng có một cái bẫy. KOTO nghiên cứu các kaon không có điện tích, nhưng các thí nghiệm khác nghiên cứu các kaon tích điện không thấy sự bất thường. Sự khác biệt đó rất khó để giải thích: Nếu hạt mới thực sự tồn tại, nó sẽ hiển thị cho cả hai loại kaon.
Tuy nhiên, vẫn có nhiều cách giải quyết vấn đề này, nhà vật lý Teppei Kitahara và các đồng nghiệp đã báo cáo trong một bài báo được chấp nhận trong Thư đánh giá vật lý. Ví dụ, các kích thước khác nhau của thí nghiệm kaon có thể là một phần của câu trả lời. Kitahara, thuộc Đại học Nagoya, Nhật Bản cho biết, chỉ dài vài mét, nhưng KOTO rất nhỏ so với các thí nghiệm kaon khác. Điều này có nghĩa là các hạt mới không ổn định có thể dễ dàng thoát khỏi máy dò.
Trong một máy dò lớn hơn, nó khó khăn hơn để các hạt thoát ra ngoài không quan sát được. Các hạt mới có thể phân rã thành các hạt khác có thể được phát hiện, do đó chữ ký một pion của các kaon phân rã sẽ được sao chép. Điều đó có thể giải thích tại sao KOTO nhìn thấy sự phân rã dư thừa nhưng các thí nghiệm khác không được.
Các vấn đề phát sinh không chỉ ở các hạt Có khả năng thoát ra khỏi các thiết bị trong phòng thí nghiệm, mà còn từ các ngôi sao nổ tung, hoặc siêu tân tinh, có thể tạo ra các hạt mới. Nếu những hạt đó thoát khỏi siêu tân tinh, chúng sẽ mang theo năng lượng bên mình. Nhưng sự mất năng lượng đó sẽ làm mất ngân sách năng lượng đã biết của supernovas, đưa ra một số lời giải thích cho sự phân rã kaon không thể tin được, nhà vật lý Bhupal Dev của Đại học Washington ở St. Louis và các đồng nghiệp đã báo cáo vào ngày 27 tháng 11 tại arXiv.org. Vì vậy, Dev và các đồng nghiệp đề xuất một hạt sẽ bị mắc kẹt bên trong các siêu tân tinh bởi sự tương tác của nó với các hạt khác.
Các nhà khoa học cũng đang xem xét các kết nối tiềm năng với các câu đố vật lý khác. Ví dụ, các phép đo thử nghiệm không đồng ý với các dự đoán về tính chất từ của các hạt giống như electron gọi là muon (SN: 9/19/18). Nếu bạn muốn giải thích về vấn đề này, bạn cần một mô hình vượt ra ngoài mô hình chuẩn, theo nhà vật lý học Xiaoping Wang của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Lemont, Ill. phân rã kaon bất ngờ, nhóm báo cáo ngày 17 tháng 1 tại arXiv.org.
Trong khi Grossman hoài nghi rằng kết quả KOTO Cảnh sẽ đứng vững, anh thừa nhận rằng, sâu thẳm, anh hy vọng đó là sự thật. Khi bạn đi đến lãnh thổ hoàn toàn chưa được khám phá, bạn luôn phải sẵn sàng cho những điều bất ngờ.
Để phát hiện ma sát lượng tử của không gian trống, các nhà khoa học sẽ quay.
Một hạt nano xoay tròn, lơ lửng trong chùm tia laser bên trong chân không, có thể đo được lực xoắn nhỏ, làm cho nó trở thành máy dò mô-men xoắn nhạy nhất được tạo ra. Các nhà nghiên cứu nói rằng một ngày nào đó thiết bị có thể phát hiện ra một hiệu ứng lượng tử khó nắm bắt được gọi là ma sát chân không.
Các hạt nano lơ lửng có thể quay hơn 300 tỷ lần mỗi phút. Nhà máy vật lý Tongcang Li thuộc Đại học Purdue ở West Lafayette, Ind cho biết, đây là cánh quạt nhân tạo nhanh nhất thế giới.
Để đo mô-men xoắn với thiết bị, Li và các đồng nghiệp đã chạm vào hạt nano bằng tia laser thứ hai, chúng bật và tắt đều đặn. Tia laser được phân cực tròn, có nghĩa là sóng điện từ ánh sáng quay theo thời gian và sự xoắn này truyền một mô-men xoắn lên hạt nano. Các nhà nghiên cứu đã ước tính lượng mô-men xoắn bằng cách đo tốc độ của hạt Thay đổi khi bật và tắt tia laser thứ hai.
Khi hoạt động trong 100 giây, cảm biến có thể đo được các viên đạn nhỏ tới khoảng 0,4 nghìn tỷ của một phần triệu của một newton-mét. Để so sánh, một newton-mét là lượng mô-men xoắn xấp xỉ cần thiết để vặn nắp chai soda. Thiết bị này nhạy hơn khoảng 700 lần so với cảm biến mô-men xoắn tốt nhất trước đó, các nhà nghiên cứu báo cáo ngày 13 tháng 1 trong Công nghệ Nano tự nhiên.
Thiết bị này nhạy đến mức có thể được sử dụng để quan sát tác động rất nhỏ của ma sát chân không, một hiệu ứng lượng tử phản trực giác trong đó một vật thể quay nhanh trong không gian trống có cảm giác bị kéo - mặc dù bị bao quanh bởi hư vô. Hiệu ứng chưa từng thấy được dự đoán sẽ phát sinh từ sự tương tác của vật thể quay với trường điện từ, theo cơ học lượng tử, xuất hiện và biến mất liên tục, ngay cả trong không gian trống (SN: 11/13/16).
Trong nhiều thế kỷ, nội thất của nhà thờ Đức Bà không bao giờ nhìn thấy nhiều ánh sáng mặt trời. Nhưng khi Brian Katz bước vào bên trong nhà thờ vào tháng 7 năm ngoái, nơi này ngập trong ánh sáng, trần vòm nổi tiếng của nó mở ra bầu trời. Gần ba tháng trước, vào ngày 15 tháng 4 năm 2019, một ngọn lửa đã xé toạc nhà thờ Paris. Bây giờ, gỗ cháy nằm chất đống trên sàn nhà, trộn lẫn với bụi chì độc hại. Mùi cay nồng của lửa kéo dài. Nhưng Katz và đồng nghiệp Mylène Pardoen có một mối quan tâm chính: âm thanh.
Một cái gì đó cơ bản cho giọng nói của Đức Bà đã bị thiếu: tiếng vang của nó, chất lượng vang dội mà các thánh đường lớn nhất được biết đến. Bạn đã không nghe thấy tiếng nói của tòa nhà nữa.
Trước khi xảy ra hỏa hoạn, tiếng gõ gót hoặc tiếng ho sẽ lơ lửng trong không khí trong nhiều giây, một tính năng khiến khách tham quan có xu hướng bước nhẹ nhàng và giữ giọng nói nhỏ. Nhà thờ Đức Bà Paris - tạm dịch là Bà Đức Bà Paris - đã có cách áp đặt sự im lặng lên những vị khách của mình. Đối với Katz và Pardoen, tính cách nhà thờ Hồi giáo đã bị xóa bỏ.
Nhưng có lý do để hy vọng. Phần lớn nhà thờ vẫn còn tương đối không bị ảnh hưởng bởi ngọn lửa; những chiếc ghế gỗ vẫn đứng ngay ngắn thành hàng, và những bức tranh và tác phẩm điêu khắc - mặc dù phủ đầy bụi - vẫn còn nguyên vẹn.
Sửa chữa sơ bộ đã bắt đầu. Các cột trụ bị hư hại và các trụ đá bay được gia cố, và lưới treo cao trong các vòm để bắt các mảnh vỡ rơi xuống. Các thiết bị robot quét lên đống đổ nát ở những nơi quá nguy hiểm để con người đặt chân đến.
Last year’s disastrous blaze in the Paris cathedral has put heritage acoustics in the spotlight as researchers work to restore the building’s reverberant splendor.DUY PHUONG NGUYEN/ALAMY STOCK PHOTO
Khi các kiến trúc sư, nhà xây dựng và nhà sử học bắt đầu quá trình xây dựng lại Notre Dame, Katz - một nhà nghiên cứu âm học tại CNRS, Trung tâm National de la Recherche Victifique và Đại học Sorbonne ở Paris - đang thực hiện nhiệm vụ giúp khôi phục lại chữ ký của âm thanh.
Công việc tương tự cũng đã xảy ra ở những nơi lịch sử khác. Thảm họa tại nhà thờ Đức Bà đã đặt một lĩnh vực được gọi là âm học di sản vào tầm ngắm. Khoa học đã làm cho nó có thể ghi lại âm học và tái tạo sự vĩ đại của bản giao hưởng của các cấu trúc bị phá hủy hoặc thay đổi. Các nhà nghiên cứu đang nắm giữ kiến thức về vật lý của họ để tiết lộ một lịch sử âm thanh ẩn giấu trong các tòa nhà lịch sử.
Một quá khứ không phải là một nơi im lặng, chuyên gia âm thanh Damian Murphy của Đại học York ở Anh nói. Âm thanh là một phần cơ bản trong kinh nghiệm của con người chúng ta.
Tại Notre Dame, Katz và các đồng nghiệp đã có một khởi đầu tình cờ. Sử dụng một mô phỏng máy tính và các phép đo âm thanh mà nhóm thực hiện trong nhà thờ còn nguyên vẹn vào năm 2013, các nhà nghiên cứu đã tái tạo kỹ thuật số tiếng vang của tòa nhà. Katz đang sử dụng công việc đó để dự đoán các lựa chọn được đưa ra trong quá trình tái thiết có thể làm thay đổi hiệu ứng của Notre Dame trên tai.
Ông cũng có thể hồi sinh âm thanh của nhà thờ Đức Bà cũ, cho thấy tác động của việc cải tạo từ các thời đại trước trong nhà thờ thời trung cổ trước đây, tập trung vào cách tòa nhà sẽ phản ứng với âm thanh bên trong. Trong khi đó, Pardoen, của CNRS và Maisons des Science de l LauHomme ở Lyon, nhằm mục đích tạo lại những âm thanh từ lâu.
Mylène Pardoen và Brian Katz
Mylène Pardoen và Brian Katz (trái sang phải) nghiên cứu âm thanh của môi trường và tòa nhà lịch sử, và đang giúp phục hồi nhà thờ Đức Bà. Tại đây, hai người đến thăm Tu viện Saint-Germain-des-Prés, một nhà thờ khác ở Paris nơi Katz đã thực hiện nghiên cứu về âm học.
E. CONOVER
Âm thanh là một hiện tượng thoáng qua, thanh tao và nó có xu hướng bị bỏ quên trong các ghi chép lịch sử. Trong khi các bức ảnh và bản vẽ có thể bảo tồn tác động trực quan của một tòa nhà hoặc cảnh, thì việc ghi lại tác động âm thanh của một không gian phức tạp hơn. Nhưng đối với nhiều người, âm thanh cung cấp một phần thân mật của cảm giác, je ne sais quoi khi ở một nơi cụ thể. Nhắm mắt lại, bạn vẫn có thể biết ngay một căn phòng nhỏ xíu hay cao vút.
Aural history
Cathedrals là một chủ đề nghiên cứu cổ điển cho âm học di sản. Nhưng việc xem xét âm thanh đã được áp dụng cho các không gian khác, bao gồm các tòa nhà tôn giáo khác, nhà hát và thậm chí các hang động thời tiền sử (SN Online: 7/6/17; 26/26/17). Murphy, ví dụ, đã nghiên cứu âm thanh của một nhà máy sô cô la yêu quý và một hang động lò phản ứng hạt nhân dưới lòng đất.
Kỹ sư âm thanh Lidia Álvarez-Morales của Đại học York cho biết, đối với các thánh đường nói riêng, âm thanh và cảm giác bạn có được khi bạn ở bên trong là chìa khóa cho nhân vật của các tòa nhà. Cô và các đồng nghiệp gần đây đã đo âm thanh của bốn giáo đường tiếng Anh, bao gồm York Minster. Công trình kiến trúc Gothic đó lớn hơn nhà thờ Đức Bà và chịu một trận hỏa hoạn thảm khốc vào năm 1984. Nhà thờ sau đó đã được trùng tu.
Âm học trong phòng là tất cả về cách âm thanh phản xạ khỏi các bề mặt bên trong. Khi bạn vỗ tay, ví dụ, sự rung động của các phân tử không khí truyền theo sóng, gây ra sự thay đổi áp suất. Một số sóng truyền trực tiếp vào tai bạn, tạo ra âm thanh ngay lập tức. Nhưng những người khác đi theo mọi hướng cho đến khi họ đạt đến một bề mặt như tường, sàn hoặc vật trong phòng. Sóng âm thanh có thể bật ra khỏi bề mặt đó và đến tai bạn sau đó (SN: 7/13/13, trang 10).
Ở một nơi có một bề mặt phản xạ duy nhất, chẳng hạn như bức tường xa của hẻm núi, sóng phản xạ tạo ra tiếng vang, sự lặp lại chậm trễ của âm thanh gốc. Nhưng trong một nhà thờ, tiếng vang là quy tắc. Sự vang dội của xảy ra khi chúng ta có, hàng ngàn phản xạ đang quay trở lại với chúng ta nhanh đến mức chúng ta không thể giải quyết bất kỳ cá nhân nào trong số họ bằng hệ thống thính giác của mình, chuyên gia âm thanh Braxton Boren của Đại học Mỹ ở Washington, DC kết quả là âm thanh được rút ra, từ từ thoát ra để im lặng trong vài giây.
Các vật liệu có xu hướng phản xạ sóng âm và tăng cường tiếng vang, như đá cẩm thạch và đá vôi, là phổ biến trong các thánh đường. Ngược lại, một căn phòng điển hình hơn có bề mặt - thảm, màn và thậm chí cả những người trong phòng - chủ yếu hấp thụ sóng âm (SN: 11/15/03, trang 308). Các phòng lớn hơn cũng giúp tăng cường sức mạnh âm thanh, vì sóng mất nhiều thời gian hơn để di chuyển giữa các bề mặt. Trước vụ hỏa hoạn, với trần đá vôi hình vòng cung của nó cao tới 33 mét và sàn nhà lát đá cẩm thạch rộng 4.800 mét vuông, Notre Dame giống như một ngôi nhà vui nhộn khổng lồ được nhân đôi để phát ra âm thanh, dội sóng xung quanh.
Thời gian vang của một căn phòng là số giây cần thiết để âm thanh lớn ban đầu trở nên yên tĩnh đến mức không thể nghe được nữa. Cụ thể, nó có một ước tính về thời gian âm thanh mất dần trong 60 decibel. Trong khi một phòng khách thông thường có thể có thời gian vang là nửa giây và phòng hòa nhạc có thể vang lên trong hai giây, nhà thờ có thể có thời gian vang trong hơn năm giây.
Ghi chú kéo dài
Âm thanh đầu tiên nghe thấy sau một tiếng ồn ngắn được tạo ra là sóng trực tiếp (màu đỏ), sau đó là sóng phản xạ nhanh (màu xanh). Sóng phản xạ nhiều lần tạo ra tiếng vang (màu đen); khối lượng của chúng chết dần theo thời gian (dưới cùng).
Đồ họa vang
C. THANG
Nguồn: B. Boren
Với thời gian vang vọng dài, âm nhạc hoặc lời nói chuyển động nhanh có thể bị nhầm lẫn, với các ghi chú và từ ngữ chồng lên nhau. Nhà thờ gothic được thiết kế để trở thành không gian lớn - tiếng vang dài của chúng có thể là sản phẩm phụ. Nhưng âm nhạc phát triển để phù hợp với không gian: Đối với nhạc organ hoặc tụng kinh tôn giáo, các điều kiện âm thanh thực sự tốt, bởi vì loại nhạc này đã được thiết kế cho những tòa nhà đó, theo Á Ávv-Morales.
Trên thực tế, âm thanh đặc biệt của Đức Bà có thể đã truyền cảm hứng cho sự ra đời của âm nhạc đa âm - trong đó các giọng nói khác nhau hát các nốt riêng biệt, thay vì cùng một âm vực - trong thế kỷ 12 và 13. Các bài thánh ca Gregorian được hát trong nhà thờ trong thời trung cổ là đơn âm, chỉ có một nốt nhạc tại một thời điểm. Nhưng âm học rút ra có nghĩa là các nốt liên tiếp có xu hướng trùng lặp.
Một số nhà âm học tin rằng hiệu ứng này có thể đã mang đến cơ hội thử nghiệm những nốt nào nghe có vẻ hợp với nhau, cuối cùng phát triển thành giọng hát hòa hợp. Thực tế này bây giờ rất phổ biến nó có vẻ rõ ràng. Nhưng tại thời điểm đó, nó là một cuộc cách mạng. Kết quả là, gốc rễ của âm nhạc phương Tây hiện đại có thể đã được định hình bởi âm thanh của Notre Dame. Căng Nó có ý nghĩa lịch sử vô cùng quan trọng, tinh tế Boren nói.
Âm thanh của sự im lặng
Vào ngày xảy ra vụ cháy, người dân Paris đã tập trung để xem ngọn lửa kịch tính. Khi Katz lần đầu nghe tin, anh đã không tin điều đó. Giống như rất nhiều người khác, anh quyết định anh phải tự mình xem.
Mặc dù đông đảo, Paris chủ yếu im lặng, Katz nói. Không ai thực sự nói chuyện trên thì thầm. Có nhiều người nhìn chằm chằm vào nỗi sợ hãi thực sự kỳ lạ. Hiện tại, Kat Katz mở to mắt trong khi nhớ lại cảnh tượng đó. Không ai biết phải nói gì hay phải làm gì, nhưng tất cả chúng ta đều đứng đó.
Ngày hôm sau, Katz nhận ra có một việc anh có thể làm. Dữ liệu năm 2013 nhóm của anh ta có ta
In July, three months after the fire, Mylène Pardoen (shown, left), Brian Katz and others wore protective suits and breathing masks inside Notre Dame. Fallen masonry and charred timbers littered the cathedral’s floor.BOTH: B. KATZ AND M. PARDOEN/CNRS
Sử dụng các phép đo này của nhà thờ, Katz đã hiệu chỉnh mô hình máy tính của mình, cho phép anh tái tạo chính xác âm thanh bị mất của nhà thờ Đức Bà. Và bây giờ anh ấy có thể nói với các kiến trúc sư những gì họ cần làm để đảm bảo tòa nhà sẽ duy trì vẻ đẹp âm thanh của nó.
Katz toát ra một bầu không khí vui nhộn gần như liên tục, như thể anh ta có thể nắm bắt hoàn toàn các tình huống vũ trụ khiến anh ta trở thành chuyên gia hàng đầu về âm học Đức Bà. Với bộ râu xám và mái tóc gợn sóng dài buộc lại trong một nút thắt lỏng lẻo, vẻ ngoài của anh ta nằm giữa một nửa giữa nhạc sĩ và nhà vật lý. Nhưng cả hai thể loại này đều không phù hợp: Anh ấy không chơi bất kỳ nhạc cụ nào, và anh ấy không phải là một nhà vật lý thông thường.
Khi còn là một đứa trẻ, Katz cố gắng học các nhạc cụ đã xì hơi: Anh từ bỏ cả cello và saxophone. Trong khi học vật lý tại Đại học Brandeis ở Waltham, Mass., Katz đã chuyển hướng từ các bạn cùng lớp đại học, những người say mê vật lý thiên văn hoặc các hạt hạ nguyên tử. Đây là một vấn đề thực sự của tôi.
Cuối cùng, Katz vấp phải âm học nhờ kinh nghiệm của mình khi thiết lập hệ thống âm thanh cho các sự kiện tại Brandeis. Với bằng tiến sĩ từ bang Pennsylvania, cuối cùng ông đã trở thành một nhà nghiên cứu âm học ở Paris. Nhưng anh ấy cũng không có đam mê thiết bị âm thanh. Anh ta tuyên bố rằng hệ thống âm thanh tại nhà của anh ta là crap.
Âm nhạc từ đống đổ nát
Các thuộc tính âm thanh của các tòa nhà bị hư hỏng hoặc bị phá hủy đã được phục hồi trước đó. Murphy và các đồng nghiệp đã tạo lại âm thanh từ thế kỷ 16 của một nhà thờ đổ nát có tên là Tu viện Thánh Mary Mary, được thành lập năm 1088 tại York. Ngày nay, chỉ còn sót lại những bức tường abbey mà chịu đựng - cửa sổ hình vòm và bầu trời trong công viên thành phố. Nhưng Murphy và các đồng nghiệp đã cùng nhau xây dựng kiến trúc của nhà thờ đã mất hết mức có thể, tham khảo ý kiến của các nhà khảo cổ và nghiên cứu các tài liệu tham khảo lịch sử. Bằng cách đưa thông tin đó vào một mô phỏng máy tính, nhóm đã hiểu được không gian sẽ vang lên như thế nào.
Vào năm 2015, các ca sĩ đã thực hiện một buổi hòa nhạc trong đống đổ nát, với tiếng vang ban đầu của tu viện được áp dụng cho giọng hát của họ trong thời gian thực. Khán giả ngồi trong dấu chân của nhà thờ đã nghe thấy âm nhạc sẽ nghe như thế nào trong không gian nguyên vẹn.
Only ruins remain of St. Mary’s Abbey in York, England. But Damian Murphy and colleagues built a computer simulation to restore the acoustic grandeur of the 16th century church. A recording made in an echo-free room begins the piece. The acoustics of another cathedral, York Minster in England, are applied after 8 seconds, and the music becomes more reverberant. At around 22 seconds, the acoustics is changed to match that reconstructed for the ruined abbey.
Like an acoustic time machine, such techniques can also help researchers understand how the acoustics of still-intact buildings might have differed in the past, as a result of either renovations or differences in how the church was used or decorated, and how that would have altered the music played within them. “For anyone who’s fallen in love with music from another era, we can’t really re-create it without re-creating the acoustic conditions,” Boren says.
For example, in the 16th century Church of the Redentore in Venice, Italy, music was composed for a special festival held each July, when citizens packed the church. All those people could have had a big impact on the sound: Humans “are actually one of the most absorbent surfaces,” Boren says.
Lễ hội vẫn diễn ra cho đến ngày hôm nay, nhưng nhà thờ sử dụng loa để khuếch đại âm nhạc, điều này làm thay đổi mạnh mẽ âm thanh, Boren nói.Ông muốn hiểu nhà thờ nghe như thế nào trong các lễ hội của quá khứ.
Boren và các đồng nghiệp đã tạo ra một âm thanh của nhà thờ, tương đương âm thanh của một hình ảnh.Các nhà nghiên cứu đã thu âm một bản nhạc từ một không gian có rất ít tiếng vang và áp dụng âm thanh từ mô phỏng nhà thờ của họ - cả có và không có đám đông.
In this simulation of the acoustics of the Church of the Redentore in Venice, sound waves bounce off the various surfaces in the building. Colors indicate how many times the waves have reflected. The time in milliseconds is indicated in the bottom right corner.BRAXTON BOREN/AMERICAN UNIV.
Điều đó liên quan đến một quá trình gọi là tích chập, thay đổi thời gian treo các tần số khác nhau trong không khí. Bản ghi âm nhạc được chia thành các lát nhỏ theo thời gian và mỗi lát được nhân lên bởi phản ứng xung của phòng. Tổng kết tất cả những lát cắt tạo ra âm thanh cuối cùng.
Các phép đo trước đó đã tiết lộ rằng nhà thờ trống có thời gian vang dội là bảy giây. Nhưng trong mô phỏng Boren và đồng nghiệp, thời gian vang dội đã bị cắt giảm một nửa khi nhà thờ chật kín người và được trang hoàng với những tấm thảm lễ hội.
Khi nhà thờ đã đầy, âm thanh không vang lên bao lâu, vì vậy các nốt nhạc xuất hiện rõ ràng hơn. Trước đây, khi các nhà soạn nhạc viết nhạc cho cột mốc Venice, họ có thể đã tính đến thời gian vang dội của căn phòng, bao gồm cả hiệu ứng của đám đông.
Công việc trở nên dễ dàng hơn bởi thực tế là tòa nhà mà nhóm nghiên cứu còn nguyên vẹn và các nhà nghiên cứu đã đo đạc từ bên trong. Trong khi nhóm Murphy, đã phải sử dụng một chút phỏng đoán hợp lý để mô phỏng Tu viện Thánh Mary bị hủy hoại, nhóm Boren Cảnh đã sử dụng dữ liệu của mình để đảm bảo mô phỏng tái tạo một cách trung thực âm thanh của tòa nhà. Điều tương tự cũng xảy ra với mô phỏng Katz thang Notre Dame, đó là lý do tại sao các phép đo trước khi bắn của anh ta rất quan trọng.
Voi Nó rất may mắn khi Brian [Katz] có thể vào được không gian đó và thực hiện tất cả các phép đo mà anh ta đã làm, theo Bor Boren. Những người đó sẽ rất quan trọng vì thực sự cô lập những gì âm thanh của Notre Dame giống như trước đây.
Thước đo của một thánh đường Vào ngày 24 tháng 4 năm 2013, sáu năm trước khi xảy ra hỏa hoạn và 850 năm sau khi viên đá đầu tiên của nhà thờ Đức Bà được đặt, Katz và các đồng nghiệp đã đến nhà thờ để cắm micro và các thiết bị khác. Đêm muộn, sau khi một buổi hòa nhạc kết thúc và những người cuối cùng của các nhạc sĩ và người hòa nhạc đã tràn ra vào buổi tối mùa xuân, Katz và nhóm của anh ấy đã làm việc.
Micro đứng như những người lính im lặng trong các lối đi hàng thế kỷ. Cáp màu cam và đen luồn qua lối đi. Một chiếc máy tính xách tay nằm trên ghế - một chỗ ngồi thường được các tín đồ chiếm giữ hiện nay dành riêng cho công nghệ. Và một hình nộm của một đầu người được trang bị micro trong tai đặt trên một bài đăng, khuôn mặt trống rỗng của nó khảo sát môi trường xung quanh trang trí công phu.
Thiết lập ghi âm Brian Katz đã thực hiện các phép đo âm thanh chi tiết tại Notre Dame vào năm 2013, sử dụng micro trên giá đỡ và đầu giả. Những dữ liệu điểm chuẩn này sẽ giúp tiết lộ cách xây dựng lại có thể thay đổi âm thanh nhà thờ. B. KATZ / CNRS Để xác định chính xác đáp ứng xung động của phòng Notre Dame, nhóm Katz, đã phát ra một âm thanh gọi là quét hình sin, bắt đầu ở một nốt thấp và trượt dần lên đến một âm vực cao hơn. Nó được thiết kế để kiểm tra toàn bộ các nốt mà con người có thể nghe thấy, bởi vì các cao độ khác nhau có thể vang lên trong các khoảng thời gian khác nhau.
Micro đo được phản ứng của nhà thờ lớn đối với việc quét hình sin. Phản ứng đó thay đổi tùy theo nơi phát ra âm thanh trong phòng và micrô ở đâu. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã di chuyển loa và micro từ nơi này sang nơi khác, lặp lại các phép đo. Sử dụng dữ liệu đó, Katz tính toán rằng thời gian vang dội của nhà thờ Đức Bà trung bình là khoảng sáu giây - dài hơn 10 lần so với một phòng khách thông thường. Thời gian vang dội khác nhau tùy thuộc vào cao độ; đối với một nốt ở giữa C, tiếng vang kéo dài tám giây.
Tuning up
Tiếp theo, Katz và các đồng nghiệp đã chuyển sang mô phỏng máy tính, so sánh âm vang mô phỏng với âm vang mà họ đo được trong nhà thờ. Kết quả rất gần, nhưng không phù hợp với tất cả các tần số âm thanh. Điều đó được mong đợi: Chẳng hạn, các bức tường của Notre Dame có thể tốt hơn hoặc kém hơn trong việc hấp thụ âm thanh so với một bức tường đá vôi thông thường, chẳng hạn. Vì vậy, Katz và các đồng nghiệp đã điều chỉnh mức độ hấp thụ của các bề mặt khác nhau cho đến khi các tính chất âm học của nhà thờ mô phỏng phù hợp với thực tế.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện quá trình khử âm của Notre Dame, sử dụng âm thanh từ buổi hòa nhạc diễn ra ở Notre Dame vào đêm mà Katz thực hiện các phép đo của mình. Buổi hòa nhạc đó, một buổi biểu diễn của La La Hướng dẫn viên, do Jules Massenet sáng tác vào cuối thế kỷ 19, đã được ghi lại với các micro được đặt rất gần với người biểu diễn. Các mics chọn âm thanh trực tiếp chủ yếu chứ không phải là tiếng vang nhà thờ. Katz đã sử dụng mô hình máy tính của mình để tạo lại âm thanh của buổi hòa nhạc cho người nghe lang thang qua các phần khác của nhà thờ.
Tiếp theo, Katz và các đồng nghiệp đã thêm hình ảnh vào âm thanh đó để tạo ra một màn trình diễn thực tế ảo mà họ gọi là Dàn nhạc ma Ghost. Họ đã báo cáo công việc tại hội nghị EuroRegio của Hiệp hội Âm thanh Châu Âu năm 2016. Đeo tai nghe thực tế ảo , người xem bay về nhà thờ mô phỏng khi tiếng nhạc vang lên, thấp dần trên dàn nhạc. Ở phía xa của tòa nhà, các ghi chú riêng lẻ bị lầy hơn. Quay đầu và khi tai bạn di chuyển vị trí, âm thanh cũng thay đổi. Kể từ vụ cháy, Katz và các đồng nghiệp đã nỗ lực cải tiến video.
