人类首次在晶体中成功模拟“宇宙大爆炸的引力

  人类永远无法探索黑洞周围的区域。原因很简单,一是大多数黑洞距离地球太远了,二是即使我们能抵达黑洞,人类也不可能在黑洞的引力环境中幸存。

  这意味着,如果我们想研究极端引力环境下的奇异现象,只能依靠自己的脑洞,而 IBM 的研究团队刚刚完成了一项令人震惊的工作:将一种极为罕见、理论上只存在于黑洞附近或大爆炸之后的引力效应,成功地在一种材料中进行了重现!

  根据大爆炸理论,我们的宇宙由一个奇点膨胀而成。在大爆炸初期宇宙存在着强大的引力,而这种引力和其他极端条件会导致一系列的效应,甚至可能的是现今宇宙种种“对称性破缺”的罪魁祸首。宇宙中质量这一概念本身就令人费解,而质量则来源于左旋粒子和右旋粒子数量上的不均,是什么在大爆炸之后打破了这样的平衡?

  IBM团队就为这一谜题提供了线索,本次发现就模拟了这种引力导致的粒子手性破缺。

  图丨昨天的《Nature》官网上以“在实验室晶体中观察到宇宙大爆炸的引力效应”发表了IBM的研究成果

  难道说,科学家在实验室内实现了时空形状的改变?这是不可能的。其实,他们需要的只是很好地模拟一个无质量粒子穿越扭曲时空的过程。研究团队首次将一种被称为“外尔半金属”(Weyl semimetal)的特殊晶体作为扭曲时空的载体。

  此前,物理界一致认为,这个破坏基础“守恒定律”所需的极端环境不可能在实验室中实现。但 IBM 的研究人员利用了引力与温度之间一个独特的相似之处,在磷化铌晶体(一种外尔半金属)中实现了引力反常效应。有学者甚至表示:“这个反常效应实在太难测量了,能有侧面的证据都算是极大的突破!”

  在不久的将来,此次研究结果和实验装置有望发挥重要的作用,而如何基于这种外尔半金属创造新的引力效应观测模型更是令科学家们兴奋。

  图丨一种实验室晶体可以用来证明时空曲率会如何影响外尔费米子

  众所周知,粒子有着一个与生俱来的特性——自旋。简单而言,自旋具有两个方向,分别是所谓的“左旋”和“右旋”,粒子的这种性质称之为“手性”(chirality)。

  我们生活中看得见、摸得着的物质在基础层面上都由费米子组成。就拿最常见的费米子“电子”来说:电子之所以有质量,是因为左旋电子和右旋电子的耦合产生了“有效质量”。那么,如果我们分离左旋电子和右旋电子,甚至造成一种手性电子比另一种要多,也就是造成手征破缺,就会得到没有质量的“外尔费米子”。

  “轴向引力反常”就是利用引力,也就是时空曲率造成一种手性电子比另一种要多,从而得到外尔费米子。正如我们之前所说,这种破坏粒子的强大引力场是很难实现的。于是,科学家脑洞一开,用“温度梯度”代替了引力效应。

  既然如此,温度怎么实现和引力相同的效果呢?论文主要作者、IBM 研究院的Johnannes Gooth 解释说:“这背后的原因出于爱因斯坦最著名的公式 E=mc⊃2;。在相对量子场论中,能量与质量的流动是等同的。质量的流动是由引力场梯度驱动的,能量流动则是由温度场梯度驱动。因此,对于外尔费米子来说,温度梯度可以模仿引力梯度。”

  简单来说,引力变化和温度变化在数学上等效——如果材料一段冷一段热(形成温度梯度),那么外耳费米子的手性破缺也应该显现,而作为外尔半金属的磷化铌晶体恰好可以呈现这一温度场。

  图丨这张黑板手绘图展示了对于一些量子材料来说,温度梯度是如何模拟黑洞附近的引力环境的

  这可能会让人联想到,2016 年一位以色列科学家独自在实验室里证明“霍金辐射”,也就是黑洞所产生的辐射效应,而他当时就使用声波来代替粒子模拟这种辐射现象。声波和粒子虽然是两种完全不同的东西,但通过类比,却可以用来证明霍金辐射的存在。这个使用和 IBM 团队构想有着异曲同工之妙:即用温度梯度来类比引力效应。

  图丨以色列理工学院科学家 Jeff Steinhauer 在实验室中模拟黑洞,试图证明“霍金辐射”

  “没有人会怀疑能量辐射与引力场之间的关联,” 哈佛大学物理系教授 Subir Sachdev 说道,“但要观察到引力效应几乎是不可能的。你需要找到一个非常强大的引力场,简单的说,你可能需要靠近一个黑洞。”

  但 IBM 的研究团队为何会如此着迷于这个看似不可能的研究?其实这次的发现除了可以证明时空曲率对粒子的影响之外,还有最重要的一点就是:如果能对自由电荷达到这种程度的控制,其在技术领域的潜在应用将是难以想象的,尤其是在改良目前如晶体管这类电子元器件的性能方面。

  一直以来,人们都在考虑是否能通过改变发电介质的温度,来实现热梯度发电。但 Gooth 表示这会是一个效率非常低下的过程,因为普通的电子并不利于热转换过程。“但现在,这种引力反常能让我们规避电子的某些限制,并让热转换效率变得非常高。”Gooth 说道。

  图丨IBM 研究院的Johnannes Gooth

  如果说上面说的这些原理都太过复杂,那我们举个简单的例子:在未来某一天,当你的手机没电时,只需要在裤子上蹭几下就行了……

  当然,大部分专家都表示,这种级别的应用在短期内还是“天方夜谭”,毕竟IBM 的研究者们是在一套“非常规”系统中观察到了“非常规”现象。 但这并不影响人们天马行空的想象,或许这种现象可能在别处也存在呢?

  “这种引力反常是一种普遍规律,存在于几乎所有的物理系统中。大到早期宇宙,小到我们日常使用的晶体管。”Gooth 说道。

  图丨华盛顿大学物理学家 Boris Spivak

  不过,并非所有人都相信 IBM 团队观察到的就是轴向引力反常。华盛顿大学物理学家 Boris Spivak 认为,轴向引力反常并不存在于外尔半金属,温度梯度并不能诱导电子在两种不同手性的准粒子之间转变。“研究人员所观测到的电流只不过是磁场的结果,即十分平常的热电效应,是由温度梯度导致的电流。” Spivak 说道。

  但 Gooth 和他的同事们并不认同 Spivak 的说法。他们表示,由温度导致的引力反常有着很强的理论支持。量子材料中引力反常的出现将会打开全新的物理学领域。

  IBM 也希望从本次研究成果中获益,由于引力效应能在磷化铌晶体中产生电流,而许多元件恰好需要利用温度梯度来产生电能,因此可以利用该研究成果来极大提高电子设备的工作效率 。

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  参考:

  https://www.nature.com/news/big-bang-gravitational-effect-observed-in-lab-crystal-1.22338

  http://newatlas.com/gravitational-anomaly-observed/50559/