Экзотический
эффект, который имеет место в сильнейших гравитационных полях – вблизи
чёрной дыры или даже в условиях, которые были сразу после Большого взрыва – был зафиксирован в лабораторных условиях. Об этом сообщила международная команда физиков, исследующих свойства материалов, в том числе, в контексте теории струн.
Команда, возглавляемая физиком Йоханнесом Готом (Johannes Gooth)
из исследовательского центра IBM Research в Цюрихе (Швейцария),
заявила, что наблюдала долговременный эффект, называемый аксиальной гравитационной аномалией.
Этот термин обозначает наблюдаемые необычные показатели гравитационного
поля или гравитационные характеристики объекта, а понятие "аксиальный"
указывает на то, что они имеют направление вдоль какой-либо оси. Ранее
считалось, что лишь такой тип материи, как кварк-глюонная плазма, может демонстрировать подобный феномен.
Однако оказалось, что тот же эффект может наблюдаться в полуметаллах Вейля (Weyl semimetals).
Вейлевские фермионы были впервые описаны в 1920-х годах прошлого века
математиком Германом Вейлем. От других видов частиц они отличаются тем,
что у них нет массы, а кроме того, им свойственна хиральность, то есть
отсутствие определённого вида симметрии.
Авторы работы поясняют, что огромные
гравитационные поля, изгибающие пространственно-временной фон, должны
разрушать симметрию отдельных видов частиц. В лаборатории невозможно
создать условия, необходимые для доказательства существования этого
необычного нарушения, но исследователи использовали своеобразную
параллель между гравитацией и температурой, чтобы создать лабораторный
аналог аномалии в кристаллах фосфида ниобия – он как раз и является полуметаллом Вейля.
Электроны в этом материале
подразделяются на две группы, в зависимости от направления вращения (как
правило, существует равное количество электронов каждого типа). Однако,
когда физики имитировали гравитационное поле, организовав в кристалле
температурный градиент, они обнаружили, что эта симметрия нарушается,
превращая электроны одного типа в другой и наоборот. Подобная аномалия
наблюдается при нормальных обстоятельствах на Земле впервые.
"Эту аномалию настолько трудно измерить,
что даже косвенные доказательства являются серьёзным прорывом", —
отмечает член исследовательской группы Адольфо Грушин (Adolfo Grushin) из Калифорнийского университета в Беркли.
Отметим, что вейлевские фермионы уже
были замечены ранее внутри некоторых кристаллов: в ходе экспериментов
квантовомеханические эффекты приводили к тому, что электроны материала
точно так же нарушали симметрию. В 2015 году исследователи показали, что
сильные магнитные и электрические поля могут нарушать симметрию внутри
квантового материала, известного как полуметалл Дирака.
Теперь же команда Гота подтвердила, что
гравитация также может разрушить симметрию. По словам авторов работы,
влияние кривизны пространства-времени на частицы Вейля математически
эквивалентно эффекту от наложения температурного градиента.
Причина заключается в известном уравнении Эйнштейна E = mc2, объясняет Гот.
"В релятивистской квантовой теории поля
потоки энергии и массы становятся одинаковыми, – говорит он. – Массовый
поток управляется градиентами гравитационного поля и потоком энергии по
температурным градиентам. Градиент температуры для релятивистских
фермионов Вейля, таким образом, имитирует градиент гравитационного
поля".
Чтобы получить доказательства нарушения
симметрии, исследователи измерили проводимость кристаллического фосфида
ниобия в микроэлектронной цепи. Когда они позднее получили температурный
градиент и применили магнитное поле, они обнаружили электрический ток,
создаваемый дисбалансом в двух типах фермионов Вейля: число левых
квазичастиц, движущихся в одном направлении через образец, было не
таким, как число правых, движущихся в противоположном направлении.
"Поведение потока (частиц – прим.ред.)
при изменении магнитного поля – именно то, что предсказывает теория
осевой гравитационной аномалии", — говорит Грушин.
"Это невероятно волнующее открытие, – добавляет соавтор исследования Карл Ландштайнер (Karl Landsteiner). – Мы можем заключить, что то же нарушение симметрии можно наблюдать в любой физической системе".
Впрочем, как это часто бывает, некоторые физики восприняли научную работу скептически. К примеру, Борис Спивак (Boris Spivak)
из Вашингтонского университета в Сиэтле убеждён, что осевая
гравитационная аномалия просто не может существовать в полуметаллах
Вейля. "Существует много других механизмов, которые могут объяснить эти
данные", — уверен учёный.
На защиту команды встал Субир Сахдев (Subir Sachdev),
специалист по квантовым эффектам в твёрдых материалах из Гарвардского
университета. Он полагает, что доказательства авторов убедительны, и
существование аномалии не вызывает сомнений. "Приятно видеть, что она
появляется в реальных материалах", — добавляет Сахдев. По его мнению,
работа подтверждает, что гравитация взаимодействует с квантовыми полями,
как это показано теорией относительности Эйнштейна.
Авторы исследования, опубликованного
в журнале Nature, уверены: понимание того, как аксиальная
гравитационная аномалия проявляется в различных материалах, может
привести к созданию нового раздела физики. Осталось изучить другие
материалы.
В компании IBM также надеются, что в
дальнейшем результаты этих экспериментов будут использованы в
электронике: устройства, которые будут генерировать аномалию, могут
повысить эффективность материалов, создающих электрическую энергию под
воздействием температурных градиентов.
Напомним, что ранее специалисты ЦЕРН также воссоздали первые секунды жизни Вселенной.
