@ 2017.08.15 , 17:00

地球上的引力异常

现代物理已经让我们习惯于奇怪反直觉的现实概念,特别是以让物理对象处于奇怪的叠加态而闻名的量子物理。例如,薛定谔的猫,无法决定是生是死。但有时候量子力学会更具决定性和破坏性。

对称是物理学家的圣杯。对称意味着可以某种方式转变一个物体,但物体不会变化。例如,圆球可以任意角度旋转,但看起来总是一样的。物理学家称其为旋转对称性。一旦物理系统的对称性得到鉴定,就有可能预测其动态性质。

但有些时候量子力学法则会破坏在没有量子力学的经典系统世界中就能愉快地存在的对称性。即使对于物理学家,这看起来也很奇怪,他们将这一现象命名为“反常”。

地球上的引力异常
credit: 123RF

大部分时候,这种量子反常仅限于大型加速器实验室探索的基本粒子物理世界,比如瑞士的欧洲核子中心的大型强子对撞机。但现在,一种名为外尔半金属的类似于三维石墨烯的新材料使我们能在日常现象中实现破坏对称性的量子反常,比如电流的形成。

在这种奇异的材料中,电子的行为方式与高能加速器中研究的基本粒子的一样。这些粒子具有永不停息的奇怪性质,即必须一直以匀速运动。它们还具有另一个称为自旋的性质。就像是一个微型磁体附着在粒子上,粒子就变成了两个类别。自旋要么与运动方向相同,要么相反。

当我们说左手粒子和右手粒子时,这一性质被称为手性。通常两种除了手性之外均相同的不同类别粒子会具有各自单独的对称性,它们的数目也被单独保存。但是,一种量子反常会摧毁它们和平的共存,将左手粒子改变为右手粒子,或者反之。

发表在7月21日的自然上的论文中,一个物理学家、材料科学家和弦论理论物理学家组成的国际团队观察到了这样一种材料,受到最奇特的量子反常的影响,这种反常至今被认为只被爱因斯坦相对论中所描述的时空弯曲所触发,此前被认为只会在宇宙深处观察到。但令这个团队惊讶的是,他们发现这同样在地球上存在,具有固体物理学的性质。

IBM研究科学家、论文第一作者Johannes Gooth博士说道:“我们首次在地球上实验观察到了这一基本量子异常,对于我们理解宇宙极其重要。我们现在能基于这一反常建造此前从未想到过的新型固态物理设备,也许能避免经典电子设备中某些固有问题,比如晶体管。”

部分利用弦论的新计算表明如果在加热这种材料的同时施加磁场,这种引力异常也可以产生电流。

UAM/CSIC理论物理研究所弦论教授Karl Landsteiner说道:“这是个难以置信的激动人心发现。我们能清楚地下结论认为在任何物理系统中都能观察到相同的对称性破坏,不管是在宇宙之初发生的还是今天地球上发生的。”

IBM科学家预测这一发现将打开传感器、交换器和热电冷却器或者能量收集设备的新的研发热潮,改善能量消耗。

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

赞一个 (13)