物理學家報告稱，粒子物理學中的一種奇異效應——理論上認為它發生在巨大的引力場中，例如黑洞附近，或宇宙大爆炸剛發生後的條件下——已在實驗室的一塊物質中被觀察到。
由瑞士蘇黎世附近IBM研究院的物理學家約翰內斯·戈斯（Johannes Gooth）領導的團隊表示，他們已經看到了長期預測的效應——軸向-引力異常的證據。該效應指出，巨大的引力場—— 廣義相對論將其描述為巨大質量彎曲時空的結果——應該破壞特定型別粒子的對稱性，這些粒子通常成映象對出現，從而產生更多的一種粒子，而減少另一種粒子。
證明基本“守恆定律”的這種不尋常失效所需的條件無法在實驗室中創造出來。但是，研究人員利用重力與溫度之間一種奇特的相似性，在磷化鈮晶體中創造了這種異常現象的實驗室類似物。“這種異常現象非常難以測量，即使是間接證據也是一個重大突破，”加州大學伯克利分校的團隊成員阿道夫·格魯辛（Adolfo Grushin）說。
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在晶體內部，這種效應就好像一抽屜手套突然獲得了過多的右手手套，因為一些左手手套改變了手性。發表在《自然》雜誌上的這項成果，支援了一種新興觀點，即量子材料——其性質由量子力學效應主導的晶體——可以作為物理效應的實驗測試平臺，而這些物理效應在其他情況下只能在奇異的環境中看到。
準粒子和量子材料
受異常影響的粒子被稱為 外爾費米子，這是數學家赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）在1920年代提出的。這些粒子與其他型別的費米子（如電子）不同，因為它們似乎沒有質量，並且因為它們也具有一種手性，或稱螺旋性。
外爾費米子從未被視為單個物理實體——儘管人們認為它們可能短暫地參與其他型別粒子的衰變。但它們已在某些晶體內部被發現為“準粒子”。在這些材料中，量子力學效應使材料的電子以這樣一種方式一起移動，以至於它們的集體行為類似於外爾費米子。手性外爾費米子通常以相等的數量產生，就像映象對一樣。
2015年，研究人員表明，強磁場和電場可以打破狄拉克半金屬這種量子材料內部的對稱性——證實了高能物理學中長期預測的效應，即軸向（或手性）異常。
現在，戈斯團隊已經證實，重力——或時空曲率——也可以破壞對稱性。為了做到這一點，他們依賴於引力效應和溫度效應之間的聯絡，這種聯絡表明，時空曲率對外爾費米子的影響在數學上等同於溫度梯度的影響。換句話說，如果外爾費米子出現的材料的一部分比另一部分更熱，也應該出現異常現象。
戈斯解釋說，原因“根植於愛因斯坦著名的方程 E = mc2”。“在相對論量子場論中，能量流和質量流變得相同，”他說。“質量流由引力場梯度驅動，能量流由溫度梯度驅動。因此，相對論外爾費米子的溫度梯度模擬了引力場梯度。”
研究人員在微電子電路中測量了他們的磷化鈮晶體（一種被稱為外爾半金屬的物質）的電導率。當他們施加熱梯度和磁場時，他們觀察到由兩種型別的外爾費米子不平衡引起的感應電流：在樣品中沿一個方向移動的左手準粒子的數量與沿相反方向移動的右手準粒子的數量不同。此外，“當我們改變磁場時，電流的行為正是軸向-引力異常理論所預測的那樣”，格魯辛說。
有力的證據
並非所有人都相信研究人員已經觀察到了他們所聲稱的現象。西雅圖華盛頓大學的物理學家鮑里斯·斯皮瓦克（Boris Spivak）堅稱，軸向-引力異常在外爾半金屬中根本不存在。他說，溫度梯度不能誘導電子在兩種不同手性的準粒子之間轉換。“還有許多其他機制可以解釋他們的資料，”斯皮瓦克說。他認為研究人員只是在測量磁場對眾所周知的熱電效應的影響，在這種效應中，電流是由溫度梯度產生的。
但是戈斯和他的同事們不同意。他們說，理論強烈支援溫度引起的手性異常的存在。馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學固態材料量子效應專家蘇比爾·薩奇德夫（Subir Sachdev）表示，研究人員“為軸向-引力異常的物理後果提供了有力的證據”。
薩奇德夫補充說，異常現象的存在實際上並沒有疑問，但是“很高興看到它出現在真實材料中”。他說，這證實了引力以愛因斯坦相對論理論所表明的方式與量子場相互作用。
格魯辛懷疑，理解這種異常現象如何在這些材料中顯現出來應該會帶來新的物理學。IBM也希望這項發現可能在電子學中得到利用，因為它在磷化鈮晶體內部產生電流。戈斯說，利用這種異常現象的裝置可能會提高可以從溫度梯度產生電能的材料的效率。
本文經許可轉載，並於2017年7月20日首次發表。