人類首次在晶體中模擬了「宇宙大爆炸的引力效應」！

人類永遠無法探索黑洞周圍的區域。原因很簡單，一是大多數黑洞距離地球太遠了，二是即使我們能抵達黑洞，人類也不可能在黑洞的引力環境中倖存。

這意味著，如果我們想研究極端引力環境下的奇異現象，只能依靠自己的腦洞，而 IBM 的研究團隊剛剛完成了一項令人震驚的工作：將一種極為罕見、理論上只存在於黑洞附近或大爆炸之後的引力效應，成功地在一種材料中進行了重現！

根據大爆炸理論，我們的宇宙由一個奇點膨脹而成。在大爆炸初期宇宙存在著強大的引力，而這種引力和其他極端條件會導致一系列的效應，甚至可能的是現今宇宙種種「對稱性破缺」的罪魁禍首。宇宙中質量這一概念本身就令人費解，而質量則來源於左旋粒子和右旋粒子數量上的不均，是什麼在大爆炸之後打破了這樣的平衡？

IBM團隊就為這一謎題提供了線索，本次發現就模擬了這種引力導致的粒子手性破缺。

圖丨昨天的《Nature》官網上以「在實驗室晶體中觀察到宇宙大爆炸的引力效應」發表了IBM的研究成果

難道說，科學家在實驗室內實現了時空形狀的改變？這是不可能的。其實，他們需要的只是很好地模擬一個無質量粒子穿越扭曲時空的過程。研究團隊首次將一種被稱為「外爾半金屬」（Weyl semimetal）的特殊晶體作為扭曲時空的載體。

此前，物理界一致認為，這個破壞基礎「守恆定律」所需的極端環境不可能在實驗室中實現。但 IBM 的研究人員利用了引力與溫度之間一個獨特的相似之處，在磷化鈮晶體（一種外爾半金屬）中實現了引力反常效應。有學者甚至表示：「這個反常效應實在太難測量了，能有側面的證據都算是極大的突破！」

在不久的將來，此次研究結果和實驗裝置有望發揮重要的作用，而如何基於這種外爾半金屬創造新的引力效應觀測模型更是令科學家們興奮。

圖丨一種實驗室晶體可以用來證明時空曲率會如何影響外爾費米子

眾所周知，粒子有著一個與生俱來的特性——自旋。簡單而言，自旋具有兩個方向，分別是所謂的「左旋」和「右旋」，粒子的這種性質稱之為「手性」（chirality）。

我們生活中看得見、摸得著的物質在基礎層面上都由費米子組成。就拿最常見的費米子「電子」來說：電子之所以有質量，是因為左旋電子和右旋電子的耦合產生了「有效質量」。那麼，如果我們分離左旋電子和右旋電子，甚至造成一種手性電子比另一種要多，也就是造成手征破缺，就會得到沒有質量的「外爾費米子」。

「軸向引力反常」就是利用引力，也就是時空曲率造成一種手性電子比另一種要多，從而得到外爾費米子。正如我們之前所說，這種破壞粒子的強大引力場是很難實現的。於是，科學家腦洞一開，用「溫度梯度」代替了引力效應。

既然如此，溫度怎麼實現和引力相同的效果呢？論文主要作者、IBM 研究院的Johnannes Gooth 解釋說：「這背後的原因出於愛因斯坦最著名的公式 E=mc2。在相對量子場論中，能量與質量的流動是等同的。質量的流動是由引力場梯度驅動的，能量流動則是由溫度場梯度驅動。因此，對於外爾費米子來說，溫度梯度可以模仿引力梯度。」

簡單來說，引力變化和溫度變化在數學上等效——如果材料一段冷一段熱（形成溫度梯度），那麼外耳費米子的手性破缺也應該顯現，而作為外爾半金屬的磷化鈮晶體恰好可以呈現這一溫度場。

圖丨這張黑板手繪圖展示了對於一些量子材料來說，溫度梯度是如何模擬黑洞附近的引力環境的

這可能會讓人聯想到，2016 年一位以色列科學家獨自在實驗室里證明「霍金輻射」，也就是黑洞所產生的輻射效應，而他當時就使用聲波來代替粒子模擬這種輻射現象。聲波和粒子雖然是兩種完全不同的東西，但通過類比，卻可以用來證明霍金輻射的存在。這個使用和 IBM 團隊構想有著異曲同工之妙：即用溫度梯度來類比引力效應。

圖丨以色列理工學院科學家 Jeff Steinhauer 在實驗室中模擬黑洞，試圖證明「霍金輻射」

「沒有人會懷疑能量輻射與引力場之間的關聯，」 哈佛大學物理系教授 Subir Sachdev 說道，「但要觀察到引力效應幾乎是不可能的。你需要找到一個非常強大的引力場，簡單的說，你可能需要靠近一個黑洞。」

但 IBM 的研究團隊為何會如此著迷於這個看似不可能的研究？其實這次的發現除了可以證明時空曲率對粒子的影響之外，還有最重要的一點就是：如果能對自由電荷達到這種程度的控制，其在技術領域的潛在應用將是難以想像的，尤其是在改良目前如晶體管這類電子元器件的性能方面。

一直以來，人們都在考慮是否能通過改變發電介質的溫度，來實現熱梯度發電。但 Gooth 表示這會是一個效率非常低下的過程，因為普通的電子並不利於熱轉換過程。「但現在，這種引力反常能讓我們規避電子的某些限制，並讓熱轉換效率變得非常高。」Gooth 說道。

圖丨IBM 研究院的Johnannes Gooth

如果說上面說的這些原理都太過複雜，那我們舉個簡單的例子：在未來某一天，當你的手機沒電時，只需要在褲子上蹭幾下就行了……

當然，大部分專家都表示,這種級別的應用在短期內還是「天方夜譚」，畢竟IBM 的研究者們是在一套「非常規」系統中觀察到了「非常規」現象。但這並不影響人們天馬行空的想像，或許這種現象可能在別處也存在呢？

「這種引力反常是一種普遍規律，存在於幾乎所有的物理系統中。大到早期宇宙，小到我們日常使用的晶體管。」Gooth 說道。

圖丨華盛頓大學物理學家 Boris Spivak

不過，並非所有人都相信 IBM 團隊觀察到的就是軸向引力反常。華盛頓大學物理學家 Boris Spivak 認為，軸向引力反常並不存在於外爾半金屬，溫度梯度並不能誘導電子在兩種不同手性的准粒子之間轉變。「研究人員所觀測到的電流只不過是磁場的結果，即十分平常的熱電效應，是由溫度梯度導致的電流。」 Spivak 說道。

但 Gooth 和他的同事們並不認同 Spivak 的說法。他們表示，由溫度導致的引力反常有著很強的理論支持。量子材料中引力反常的出現將會打開全新的物理學領域。

IBM 也希望從本次研究成果中獲益，由於引力效應能在磷化鈮晶體中產生電流，而許多元件恰好需要利用溫度梯度來產生電能，因此可以利用該研究成果來極大提高電子設備的工作效率 。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！