实验室晶体中的引力异常

从理论上讲,在实验室晶体中可以看到粒子物理学中的一种奇异效应,该效应发生在巨大的引力场中(黑洞附近或在大爆炸之后)。

科学家使用实验室晶体来观察时空曲率如何影响称为Weyl的亚原子粒子 费米子。图片由Robert Strasser,Kees Scherer提供,Michael Buker拼贴通过 性质.

物理学家约翰尼斯·古斯(Johannes Gooth)和他的团队 IBM研究部 在瑞士苏黎世,声称观察到一种称为 轴向重力异常 在水晶中。这种影响是由爱因斯坦预测的’■广义相对论,将引力描述为弯曲的时空。新近观察到的实验室效果被认为是 仅在巨大重力条件下才能观察到-例如,在黑洞附近或大爆炸之后不久。然而,它已在实验室中看到。科学家们 已发表 他们在 同行评审 日志 性质 在2017年7月20日。

什么是重力异常?合著者Karl Landsteiner在 IBM研究博客:

对称是物理学家的圣杯。对称性意味着可以以某种方式变换对象,使对象保持不变。例如,一个圆球可以旋转任意角度,但始终看起来相同。物理学家说是‘旋转对称。’一旦确定了物理系统的对称性,通常就可以预测其动态。

然而有时,量子力学定律破坏了对称性,而这种对称性在没有量子力学的世界(即经典系统)中会存在。即使对于物理学家来说,这看起来也很奇怪,以至于他们将此现象命名为‘anomaly.’

在它们的大部分历史中,这些量子异常仅限于在巨大的加速器实验室(例如瑞士CERN的大型强子对撞机)中探索的基本粒子物理世界…

但是现在在实验室中已经观察到量子异常。 大自然说 结果支持了一种新兴的观点,即这类晶体(其特性主要受以下因素影响) 量子力学效应 –可以用作物理效果的实验测试平台,只有在特殊情况下(大爆炸,黑洞,粒子加速器)才能看到这些效果。


Co-author of the new paper Karl Landsteiner, a string theorist at the Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC, made this graphic to explain the gravitational 异常。 Image via IBM研究部.

在高等科学课程中,我们会一劳永逸 拉瓦西耶’s Law。它指出什么也没有创建,什么都没有丢失,所有东西都在改变。这项法律–大众守恒定律–是基础科学的基本原理。

However, when peek 在 to the funky world of quantum materials through high energy physics,大众守恒定律seems to break apart.

同时,爱因斯坦’s famous equation, E=mc^2,表明质量和能量是可互换的(E或能量等于 m,或质量,时间 c^2,或者光速的平方)。

Gooth和他的团队使用了爱因斯坦’s方程来创建一个类比:改变热量(E)与质量变化(m)。换句话说,改变Weyl半金属的温度与产生引力场相同。

该论文的主要作者约翰内斯·古斯解释说:

我们第一次通过实验观察到了地球上的这种量子异常现象,这对于我们对宇宙的理解极为重要。

该论文的合著者(从左至右):Fabian Menges,Johannes Gooth和Bernd Gotsmann在苏黎世IBM Research的无噪声实验室中。图片通过 IBM研究部.

数学学家赫尔曼·魏尔(Hermann Weyl)在1920年代提出了魏尔费米子。一段时间以来,由于它们的某些独特性质,它们对科学家们非常有趣。

许多科学家认为这一发现是一个了不起的发现,但是 并非所有科学家都相信。西雅图华盛顿大学的物理学家鲍里斯·斯皮瓦克(Boris Spivak)’t认为轴向重力异常 可以 在Weyl半金属中观察到。他说:

还有许多其他机制可以解释其数据。

与科学一样,时间会证明一切。

显示Weyl半金属的图。图片由边光经 维基共享资源.

底线:IBM科学家声称在实验室晶体中观察到了轴向重力异常的影响。

丹妮拉·布雷特曼(Daniela Breitman)