物理学家报告称，粒子物理学中的一种奇异效应——理论上认为它发生在巨大的引力场中，例如黑洞附近，或宇宙大爆炸刚发生后的条件下——已在实验室的一块物质中被观察到。
由瑞士苏黎世附近IBM研究院的物理学家约翰内斯·戈斯（Johannes Gooth）领导的团队表示，他们已经看到了长期预测的效应——轴向-引力异常的证据。该效应指出，巨大的引力场—— 广义相对论将其描述为巨大质量弯曲时空的结果——应该破坏特定类型粒子的对称性，这些粒子通常成镜像对出现，从而产生更多的一种粒子，而减少另一种粒子。
证明基本“守恒定律”的这种不寻常失效所需的条件无法在实验室中创造出来。但是，研究人员利用重力与温度之间一种奇特的相似性，在磷化铌晶体中创造了这种异常现象的实验室类似物。“这种异常现象非常难以测量，即使是间接证据也是一个重大突破，”加州大学伯克利分校的团队成员阿道夫·格鲁辛（Adolfo Grushin）说。
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在晶体内部，这种效应就好像一抽屉手套突然获得了过多的右手手套，因为一些左手手套改变了手性。发表在《自然》杂志上的这项成果，支持了一种新兴观点，即量子材料——其性质由量子力学效应主导的晶体——可以作为物理效应的实验测试平台，而这些物理效应在其他情况下只能在奇异的环境中看到。
准粒子和量子材料
受异常影响的粒子被称为 外尔费米子，这是数学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）在1920年代提出的。这些粒子与其他类型的费米子（如电子）不同，因为它们似乎没有质量，并且因为它们也具有一种手性，或称螺旋性。
外尔费米子从未被视为单个物理实体——尽管人们认为它们可能短暂地参与其他类型粒子的衰变。但它们已在某些晶体内部被发现为“准粒子”。在这些材料中，量子力学效应使材料的电子以这样一种方式一起移动，以至于它们的集体行为类似于外尔费米子。手性外尔费米子通常以相等的数量产生，就像镜像对一样。
2015年，研究人员表明，强磁场和电场可以打破狄拉克半金属这种量子材料内部的对称性——证实了高能物理学中长期预测的效应，即轴向（或手性）异常。
现在，戈斯团队已经证实，重力——或时空曲率——也可以破坏对称性。为了做到这一点，他们依赖于引力效应和温度效应之间的联系，这种联系表明，时空曲率对外尔费米子的影响在数学上等同于温度梯度的影响。换句话说，如果外尔费米子出现的材料的一部分比另一部分更热，也应该出现异常现象。
戈斯解释说，原因“根植于爱因斯坦著名的方程 E = mc2”。“在相对论量子场论中，能量流和质量流变得相同，”他说。“质量流由引力场梯度驱动，能量流由温度梯度驱动。因此，相对论外尔费米子的温度梯度模拟了引力场梯度。”
研究人员在微电子电路中测量了他们的磷化铌晶体（一种被称为外尔半金属的物质）的电导率。当他们施加热梯度和磁场时，他们观察到由两种类型的外尔费米子不平衡引起的感应电流：在样品中沿一个方向移动的左手准粒子的数量与沿相反方向移动的右手准粒子的数量不同。此外，“当我们改变磁场时，电流的行为正是轴向-引力异常理论所预测的那样”，格鲁辛说。
有力的证据
并非所有人都相信研究人员已经观察到了他们所声称的现象。西雅图华盛顿大学的物理学家鲍里斯·斯皮瓦克（Boris Spivak）坚称，轴向-引力异常在外尔半金属中根本不存在。他说，温度梯度不能诱导电子在两种不同手性的准粒子之间转换。“还有许多其他机制可以解释他们的数据，”斯皮瓦克说。他认为研究人员只是在测量磁场对众所周知的热电效应的影响，在这种效应中，电流是由温度梯度产生的。
但是戈斯和他的同事们不同意。他们说，理论强烈支持温度引起的手性异常的存在。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学固态材料量子效应专家苏比尔·萨奇德夫（Subir Sachdev）表示，研究人员“为轴向-引力异常的物理后果提供了有力的证据”。
萨奇德夫补充说，异常现象的存在实际上并没有疑问，但是“很高兴看到它出现在真实材料中”。他说，这证实了引力以爱因斯坦相对论理论所表明的方式与量子场相互作用。
格鲁辛怀疑，理解这种异常现象如何在这些材料中显现出来应该会带来新的物理学。IBM也希望这项发现可能在电子学中得到利用，因为它在磷化铌晶体内部产生电流。戈斯说，利用这种异常现象的设备可能会提高可以从温度梯度产生电能的材料的效率。
本文经许可转载，并于2017年7月20日首次发表。