Ein exotischer Effekt in der Teilchenphysik, der theoretisch in riesigen Gravitationsfeldern - in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder unter Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall - auftritt, wurde im Laborkristall beobachtet.
Wissenschaftler verwenden Laborkristalle, um zu sehen, wie sich die Raumzeitkrümmung auf subatomare Partikel auswirkt, die als Weyl-Fermionen bekannt sind. Bild von Robert Strasser, Kees Scherer, Collage von Michael Buker via Nature.
Der Physiker Johannes Gooth und sein Team von IBM Research in Zürich, Schweiz, behaupten, einen Effekt beobachtet zu haben, der als bezeichnet wird Axial-Gravitations-Anomalie in einem Kristall. Der Effekt wird durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt, die die Schwerkraft als gekrümmte Raumzeit beschreibt. Man dachte an den neu beobachteten Laboreffekt Sein Nur bei immenser Schwerkraft zu beobachten - zum Beispiel in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder kurz nach dem Urknall. Dennoch wurde es in einem Labor gesehen. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Arbeiten im Fachjournal Natur am 20. Juli 2017.
Was ist eine Gravitationsanomalie? Eine gute Erklärung stammt von Mitautor Karl Landsteiner im IBM Research Blog:
Symmetrien sind der heilige Gral für Physiker. Symmetrie bedeutet, dass man ein Objekt so transformieren kann, dass es unveränderlich bleibt. Beispielsweise kann eine runde Kugel um einen beliebigen Winkel gedreht werden, sieht aber immer gleich aus. Physiker sagen, es sei "symmetrisch unter Rotationen". Sobald die Symmetrie eines physikalischen Systems identifiziert ist, ist es oft möglich, seine Dynamik vorherzusagen.
Manchmal jedoch zerstören die Gesetze der Quantenmechanik eine Symmetrie, die in einer Welt ohne Quantenmechanik, d. H. Klassischen Systemen, glücklich existieren würde. Selbst für Physiker sieht dies so seltsam aus, dass sie dieses Phänomen als "Anomalie" bezeichneten.
Diese Quantenanomalien beschränkten sich den größten Teil ihrer Geschichte auf die Welt der Elementarteilchenphysik, die in riesigen Beschleunigerlabors wie Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz erforscht wurde.
Jetzt wurde in einem Labor eine Quantenanomalie beobachtet. Die Ergebnisse bestätigen laut Nature die aufkommende Ansicht, dass solche Kristalle - Kristalle, deren Eigenschaften von quantenmechanischen Effekten dominiert werden - als experimentelle Prüfstände für physikalische Effekte dienen können, die sonst nur unter exotischen Umständen zu beobachten wären (Urknall, Schwarzes Loch) , Partikelbeschleuniger).
Mitautor der neuen Arbeit Karl Landsteiner, ein Stringtheoretiker am Instituto de Fisica Teorica UAM / CSIC, hat diese Grafik erstellt, um die Gravitationsanomalie zu erklären. Bild über IBM Research.
In fortgeschrittenen Naturwissenschaften wird uns zu irgendeinem Zeitpunkt das Lavoisier-Gesetz beigebracht. Es besagt, dass nichts geschaffen wird, nichts verloren geht und dass alles transformiert wird. Dieses Gesetz - das Gesetz der Massenerhaltung - ist ein Grundprinzip der Grundlagenforschung.
Wenn man jedoch durch die Hochenergiephysik in die funky Welt der Quantenmaterialien blickt, scheint das Gesetz der Massenerhaltung auseinanderzubrechen.
Unterdessen legt Einsteins berühmte Gleichung, E = mc ^ 2, nahe, dass Masse und Energie austauschbar sind (Eoder Energie, gleich moder Masse Zeiten c ^ 2, oder die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat).
Gooth und sein Team verwendeten Einsteins Gleichung, um eine Analogie zu erstellen:E) ist dasselbe wie eine Massenänderung (m). Mit anderen Worten, eine Änderung der Temperatur eines Weyl-Halbmetalls wäre die gleiche wie die Erzeugung eines Gravitationsfeldes.
Der Hauptautor der Zeitung, Johannes Gooth, erklärte:
Zum ersten Mal haben wir experimentell diese Quantenanomalie auf der Erde beobachtet, die für unser Verständnis des Universums äußerst wichtig ist.
Mitautoren der Arbeit (vlnr): Fabian Menges, Johannes Gooth und Bernd Gotsmann in einem lärmfreien Labor bei IBM Research, Zürich. Bild über IBM Research.
Weyl-Fermionen wurden in den 1920er Jahren vom Mathematiker Hermann Weyl vorgeschlagen. Sie sind für Wissenschaftler seit einiger Zeit wegen einiger ihrer einzigartigen Eigenschaften sehr interessant.
Diese Entdeckung wird von vielen Wissenschaftlern als spektakulär angesehen, aber nicht alle Wissenschaftler sind davon überzeugt. Boris Spivak, Physiker an der University of Washington in Seattle, glaubt nicht, dass es sich um eine axial-gravitative Anomalie handelt könnten in einem Weyl-Halbmetall beobachtet werden. Er sagte:
Es gibt viele andere Mechanismen, die ihre Daten erklären können.
Wie immer in der Wissenschaft wird die Zeit es zeigen.
Diagramm, das ein Weyl-Halbmetall zeigt. Bild von Bianguang über Wikimedia Commons.
Fazit: IBM Wissenschaftler behaupten, die Auswirkungen der axialen Gravitationsanomalie in einem Laborkristall beobachtet zu haben.