En eksotisk virkning i partikelfysik, der teoretiseres for at forekomme i enorme tyngdefelt - nær et sort hul eller under forhold lige efter Big Bang - er blevet set i laboratoriekrystall.
Forskere bruger laboratoriekrystall for at se, hvordan rumtidskrumning påvirker subatomære partikler kendt som Weyl fermions. Billede af Robert Strasser, Kees Scherer, collage af Michael Buker via Nature.
Fysiker Johannes Gooth og hans team fra IBM Research i Zürich, Schweiz, hævder at have observeret en effekt kaldet en aksial – gravitationsanomali i en krystal. Effekten er forudsagt af Einsteins generelle relativitet, der beskriver tyngdekraften som buet rumtid. Det blev antaget, at den nyligt observerede laboratorieeffekt var være kan kun ses under forhold med enorm tyngdekraft - for eksempel nær et sort hul eller kort efter Big Bang. Alligevel er det set i et laboratorium. Forskerne offentliggjorde deres arbejde i det peer-reviewede tidsskrift Natur den 20. juli 2017.
Hvad er en gravitationsanomali? En god forklaring kommer fra medforfatter Karl Landsteiner på IBM Research Blog:
Symmetrier er den hellige gral for fysikere. Symmetri betyder, at man kan transformere et objekt på en bestemt måde, der efterlader det ufravikeligt. For eksempel kan en rund kugle drejes med en vilkårlig vinkel, men ser altid den samme ud. Fysikere siger, at det er 'symmetrisk under rotationer'. Når først et fysisk systems symmetri er identificeret, er det ofte muligt at forudsige dens dynamik.
Nogle gange ødelægger imidlertid kvantemekanikens love en symmetri, der heldigvis ville eksistere i en verden uden kvantemekanik, dvs. klassiske systemer. Selv for fysikere ser dette så underligt ud, at de udnævnte dette fænomen til en 'anomali'.
I det meste af deres historie var disse kvanteomdannelser begrænset til en verden af elementær partikelfysik, der blev udforsket i enorme acceleratorlaboratorier som Large Hadron Collider ved CERN i Schweiz ...
Men nu er der observeret en kvanteundersøgelse i et laboratorium. Naturen sagde, at resultatet styrker et synspunkt om, at krystaller som disse - krystaller, hvis egenskaber er domineret af kvantemekaniske effekter - kan fungere som eksperimentelle testbed for fysiske effekter, der ellers kun kunne ses under eksotiske omstændigheder (Big Bang, sort hul , partikelaccelerator).
Medforfatter til det nye papir Karl Landsteiner, en strengteoretiker ved Instituto de Fisica Teorica UAM / CSIC, lavede denne grafik for at forklare gravitationsanomalien. Billede via IBM Research.
I avancerede videnskabskurser undervises vi på Lavoisier's Law på et eller andet tidspunkt. Den siger, at intet skabes, intet går tabt, og at alt bliver transformeret. Denne lov - loven om bevarelse af masse - er et underliggende princip for grundlæggende videnskab.
Når man kigger ind i den funky verden af kvantematerialer gennem fysik med høj energi, ser loven om bevarelse af masse imidlertid ud til at gå i stykker.
I mellemtiden antyder Einsteins berømte ligning, E = mc ^ 2, at masse og energi kan udskiftes (Eeller energi er lig med meller masse, gange c ^ 2, eller lysets hastighed i kvadratet).
Gooth og hans team brugte Einsteins ligning til at skabe en analogi: en ændringsvarme (E) er det samme som en ændring i masse (m). Med andre ord ville det at ændre temperaturen på et Weyl semimetal være det samme som at generere et tyngdefelt.
Ledende forfatter af papiret, Johannes Gooth, forklarede:
For første gang har vi eksperimentelt observeret denne kvanteomorali på Jorden, som er ekstremt vigtig for vores forståelse af universet.
Medforfattere af papiret (venstre til højre): Fabian Menges, Johannes Gooth og Bernd Gotsmann i et støjfrit laboratorium hos IBM Research, Zürich. Billede via IBM Research.
Weyl fermions er blevet foreslået i 1920'erne af matematikeren Hermann Weyl. De har været meget interessante for forskere i nogen tid, for nogle af deres unikke egenskaber.
Denne opdagelse betragtes som en spektakulær opdagelse af mange forskere, men ikke alle forskere er overbeviste. Boris Spivak, fysiker ved University of Washington i Seattle, tror ikke, at det er en aksial-gravitationsanomali kunne observeres i en Weyl semimetal. Han sagde:
Der er mange andre mekanismer, der kan forklare deres data.
Som altid inden for videnskaben vil tiden vise sig.
Diagram, der viser en Weyl Semimetal. Billede af Bianguang via Wikimedia Commons.
Nederste linje: IBM-forskere hævder at have observeret virkningerne af den aksiale gravitationsanomali i en laboratoriekrystall.