人类永远无法探索黑洞周围的区域。缘故原由很简朴，一是大多数黑洞距离地球太远了，二是纵然我们能抵达黑洞，人类也不能能在黑洞的引力环境中幸存。

　　这意味着，若是我们想研究极端引力环境下的奇异征象，只能依赖自己的脑洞，而 IBM 的研究团队刚刚完成了一项令人震惊的事情：将一种极为罕有、理论上只存在于黑洞四周或大爆炸之后的引力效应，成功地在一种质料中进行了重现!

　　凭据大爆炸理论，我们的宇宙由一个奇点膨胀而成。在大爆炸初期宇宙存在着壮大的引力，而这种引力和其他极端条件会导致一系列的效应，甚至可能的是现今宇宙种种“对称性破缺”的罪魁祸首。宇宙中质量这一观点自己就令人费解，而质量则来源于左旋粒子和右旋粒子数目上的不均，是什么在大爆炸之后打破了这样的平衡?

　　IBM团队就为这一谜题提供了线索，本次发现就模拟了这种引力导致的粒子手性破缺。

　　图丨昨天的《Nature》官网上以“在实验室晶体中观察到宇宙大爆炸的引力效应”揭晓了IBM的研究成果

　　难道说，科学家在实验室内实现了时空形状的改变?这是不能能的。实在，他们需要的只是很好地模拟一个无质量粒子穿越扭曲时空的历程。研究团队首次将一种被称为“外尔半金属”(Weyl semimetal)的特殊晶体作为扭曲时空的载体。

　　此前，物理界一致以为，这个损坏基础“守恒定律”所需的极端环境不能能在实验室中实现。但 IBM 的研究人员行使了引力与温度之间一个怪异的相似之处，在磷化铌晶体(一种外尔半金属)中实现了引力反常效应。有学者甚至示意：“这个反常效应实在太难测量了，能有侧面的证据都算是极大的突破!”

　　在不久的未来，此次研究效果和实验装置有望施展主要的作用，而若何基于这种外尔半金属缔造新的引力效应观察模子更是令科学家们兴奋。

　　图丨一种实验室晶体可以用来证实时空曲率会若何影响外尔费米子

　　众所周知，粒子有着一个与生俱来的特征——自旋。简朴而言，自旋具有两个偏向，分别是所谓的“左旋”和“右旋”，粒子的这种性子称之为“手性”(chirality)。

　　我们生涯中看得见、摸得着的物质在基础层面上都由费米子组成。就拿最常见的费米子“电子”来说：电子之所以有质量，是由于左旋电子和右旋电子的耦合发生了“有用质量”。那么，若是我们星散左旋电子和右旋电子，甚至造成一种手性电子比另一种要多，也就是造成手征破缺，就会获得没有质量的“外尔费米子”。

　　“轴向引力反常”就是行使引力，也就是时空曲率造成一种手性电子比另一种要多，从而获得外尔费米子。正如我们之前所说，这种损坏粒子的壮大引力场是很难实现的。于是，科学家脑洞一开，用“温度梯度”取代了引力效应。

　　既然云云，温度怎么实现和引力相同的效果呢?论文主要作者、IBM 研究院的Johnannes Gooth 注释说：“这背后的缘故原由出于爱因斯坦最著名的公式 E=mc⊃2;。在相对量子场论中，能量与质量的流动是等同的。质量的流动是由引力场梯度驱动的，能量流动则是由温度场梯度驱动。因此，对于外尔费米子来说，温度梯度可以模拟引力梯度。”

　　简朴来说，引力转变和温度转变在数学上等效——若是质料一段冷一段热(形成温度梯度)，那么外耳费米子的手性破缺也应该展现，而作为外尔半金属的磷化铌晶体正好可以泛起这一温度场。

　　图丨这张黑板手绘图展示了对于一些量子质料来说，温度梯度是若何模拟黑洞四周的引力环境的

　　这可能会让人联想到，2016 年一位以色列科学家独自在实验室里证实“霍金辐射”，也就是黑洞所发生的辐射效应，而他那时就使用声波来取代粒子模拟这种辐射征象。声波和粒子虽然是两种完全差别的器械，但通过类比，却可以用来证实霍金辐射的存在。这个使用和 IBM 团队构想有着异曲同工之妙：即用温度梯度来类比引力效应。

　　图丨以色列理工学院科学家 Jeff Steinhauer 在实验室中模拟黑洞，试图证实“霍金辐射”

　　“没有人会嫌疑能量辐射与引力场之间的关联，” 哈佛大学物理系教授 Subir Sachdev 说道，“但要观察到引力效应险些是不能能的。你需要找到一个异常壮大的引力场，简朴的说，你可能需要靠近一个黑洞。”

　　但 IBM 的研究团队为何会云云着迷于这个看似不能能的研究?实在这次的发现除了可以证实时空曲率对粒子的影响之外，另有最主要的一点就是：若是能对自由电荷到达这种水平的控制，其在技术领域的潜在应用将是难以想象的，尤其是在改良现在如晶体管这类电子元器件的性能方面。

　　一直以来，人们都在思量是否能通过改变发电介质的温度，来实现热梯度发电。但 Gooth 示意这会是一个效率异常低下的历程，由于通俗的电子并不利于热转换历程。“但现在，这种引力反常能让我们规避电子的某些限制，并让热转换效率变得异常高。”Gooth 说道。

　　图丨IBM 研究院的Johnannes Gooth

　　若是说上面说的这些原理都太过庞大，那我们举个简朴的例子：在未来某一天，当你的手机没电时，只需要在裤子上蹭几下就行了……

　　固然，大部分专家都示意,这种级别的应用在短期内照样“天方夜谭”，究竟IBM 的研究者们是在一套“异常规”系统中观察到了“异常规”征象。 但这并不影响人们天马行空的想象，或许这种征象可能在别处也存在呢?

　　“这种引力反常是一种普遍规律，存在于险些所有的物理系统中。大到早期宇宙，小到我们一样平时使用的晶体管。”Gooth 说道。

　　图丨华盛顿大学物理学家 Boris Spivak

　　不外，并非所有人都信赖 IBM 团队观察到的就是轴向引力反常。华盛顿大学物理学家 Boris Spivak 以为，轴向引力反常并不存在于外尔半金属，温度梯度并不能诱导电子在两种差别手性的准粒子之间转变。“研究人员所观察到的电流只不外是磁场的效果，即十分平时的热电效应，是由温度梯度导致的电流。” Spivak 说道。

　　但 Gooth 和他的同事们并不认同 Spivak 的说法。他们示意，由温度导致的引力反常有着很强的理论支持。量子质料中引力反常的泛起将会打开全新的物理学领域。

　　IBM 也希望从本次研究成果中获益，由于引力效应能在磷化铌晶体中发生电流，而许多元件正好需要行使温度梯度来发生电能，因此可以行使该研究成果来极大提高电子设备的事情效率 。

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　　参考：

　　https://www.nature.com/news/big-bang-gravitational-effect-observed-in-lab-crystal-1.22338

　　http://newatlas.com/gravitational-anomaly-observed/50559/