Nat.:科学家在地球上观察到重力异常

诸平

据物理学家组织网（Phys.org）2017年7月21日转载来自美国国际商用机器公司（IBM）的消息，科学家在地球上观察到重力异常现象，有关研究结果于2017年7月19日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Johannes Gooth, Anna C. Niemann, Tobias Meng, Adolfo G. Grushin, Karl Landsteiner, Bernd Gotsmann, Fabian Menges, Marcus Schmidt, Chandra Shekhar, Vicky Süß, Ruben Hühne, Bernd Rellinghaus, Claudia Felser, Binghai Yan, Kornelius Nielsch. Experimental signatures of the mixed axial–gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP. Nature, 2017, 547：324–327. DOI: 10.1038/nature23005. 图1就是IBM研究院（IBM Research）提供的UAM/CSIC理论物理研究所（Instituto de Fisica Teorica）的弦理论教授卡尔·兰德斯泰纳博士（Prof. Dr. Karl Landsteiner）、同时也是上述《自然》杂志论文的合作者为了解释重力异常所勾画的图示。

Fig.1 Prof. Dr. Karl Landsteiner, a string theorist at the Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC and co-author of the paper made this graphic to explain the gravitational anomaly. Credit: IBM Research

参加此项研究的科学家包括来自德国汉堡大学（Universität Hamburg）纳米结构与固态物理研究所、瑞士苏黎世IBM研究院（IBM Research -Zurich）、德国金属材料研究院德累斯顿的莱布尼兹固态和材料研究所（Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, Institute for Metallic Materials）、德国德累斯顿工业大学（Technical University Dresden）理论物理研究所、美国加利福尼亚大学（University of California）物理系、西班牙马德里自治大学（Universidad Autónoma de Madrid）理论物理研究所（Instituto de Física Teórica UAM/CSIC）、德国马克斯·普朗克固态化学物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）以及以色列魏茨曼科学研究学院(Weizmann Institute of Science)凝聚态物理系的研究人员。

现代物理学特别是量子物理学，已经使我们习惯于现实的奇怪的和违反直觉的概念，量子物理学以离开物理对象的奇怪叠加态而著名。例如,薛定谔猫（Schrödinger's cat）,他发现自己无法判断其是死是活。然而有时量子力学是更果断的、甚至是破坏性的。

对于物理学家来说，对称性就是圣杯。对称意味着一个人可以某种方式改变一个对象并让其不变的。例如,一个圆形的球可以被任意角度旋转,但看起来总是相同的。物理学家说这是在旋转操作之下是对称的。一旦一个物理系统的对称性被识别，预测其动力学通常是可以的。

不过有时量子力学的规律破坏对称性,在没有量子力学的世界也就是经典系统中对称性将会恰当存在。即使物理学家对此看起来很奇怪,但他们将这种奇怪现象称之为“异常（anomaly）。"

对其历史的绝大部分而言,这些量子异常被局限于基本粒子物理学探索的范畴，巨大加速器实验室如瑞士欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider at CERN in Switzerland）。然而,现在一种新型的材料,即所谓的威尔半金属（Weyl semimetals，NbP）新形式,类似于三维石墨烯,允许我们把对称破坏量子异常表达成日常工作现象,如电流的创建。

在这些特殊材料之中，电子有效的表现为完全相同的方式，如同在高能加速器中研究的基本粒子一样。这些粒子有奇怪的属性,它们不能在处于静止状态，它们必须在任何时候以一种恒定的速度移动。它们也有另一个被称为自旋的特性，就像在微粒上附着了一个微小的磁铁,它们以两种状态运动。自旋既可以在运动的方向，也可以是相反的方向。

Fig. 2 An international team of scientists have verified a fundamental effect in a crystal that had been previously only thought to be observable in the deep universe. The experiments have verified a quantum anomaly that had been experimentally elusive before. The results are appearing in the journal Nature. Credit: Robert Strasser, Kees Scherer; collage: Michael Büker

图2是罗伯特·施特拉塞尔（Robert Strasser）、凯斯·舍雷尔（Kees Scherer）以及迈克尔·巴克（Michael Büker）提供的照片。一个国际性的科学家小组已经验证了晶体中一种基本效应，此晶体先前只认为是在宇宙深处可观测的。实验已经验证了一种之前一直在实验上难以捉摸量子异常。相关研究结果已经于2017年7月19日在《自然》（Nature）杂志网站发表。

当人们谈及右手粒子或者左手粒子时，这些粒子就是具有某种属性即手性的。通常情况下,两个不同物种的粒子,除了它们的手性差异之外其余都是相同的,伴随两个不同对称性而又粘附在一起情况的发生，它们的数量分别是守恒的。然而,量子异常可以摧毁它们的和平共处，使手性粒子发生转变，即将一种左手性粒子转化成一种右手性粒子,或者将一种右手性粒子转化为一种左手性粒子。

2017年7月19日在《自然》杂志网站发表的研究论文中,一个由国际性的物理学家、材料科学家和弦理论家组成的研究小组,已经观察到这样一种具有最奇异的量子异常效应的材料，这种效应迄今为止被认为只有爱因斯坦的相对论所描述过时空曲率才会引起的。但此研究团队的惊喜就在于他们竟然发现，在地球上的固体物理的属性之中也有其存在，很多都是计算机行业的基础,从微小的晶体管到云数据中心无不涉及。

IBM研究院的科学家、同时也是上述论文的主要作者约翰尼斯·古奇博士（Dr. Johannes Gooth）说：“对于第一次而言,我们在实验上已经观察到这个地球上基本量子异常，对我们更好地了解宇宙是非常重要的。我们现在可以基于此异常来构建一种新的固态设备,而这种异常以前从未被认为是在经典电子设备如晶体管内潜在的规避固有的一些问题。”

使用弦理论部分方法的新计算表明，这种重力异常也与如果此材料同时受热和磁场作用生产的电流有关。

UAM/CSIC理论物理研究所（Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC）的弦理论家、教授、也是上述研究论文的合作者卡尔·兰德斯泰纳博士（Dr. Karl Landsteiner）说：“这是一个令人难以置信、而又激动人心的发现。我们可以清楚地得出结论,在任何物理系统中都可以观察到相同的对称性破坏,无论是发生在宇宙的开始或正在今天发生,恰恰就是在地球上。”

IBM的科学家预测这一发现将会围绕传感器、开关、热电冷却器或能量采集等设备的开发，改进能耗打开新局面,开辟新方向。

更多信息请注意浏览原文(https://export.arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1703/1703.10682.pdf)或者相关报道：

Scientists observe gravitational anomaly on Earth;

New breakthrough discovery—every quantum particle travels backwards

Abstract

The conservation laws, such as those of charge, energy and momentum, have a central role in physics. In some special cases, classical conservation laws are broken at the quantum level by quantum fluctuations, in which case the theory is said to have quantum anomalies¹. One of the most prominent examples is the chiral anomaly^{2, 3}, which involves massless chiral fermions. These particles have their spin, or internal angular momentum, aligned either parallel or antiparallel with their linear momentum, labelled as left and right chirality, respectively. In three spatial dimensions, the chiral anomaly is the breakdown (as a result of externally applied parallel electric and magnetic fields⁴) of the classical conservation law that dictates that the number of massless fermions of each chirality are separately conserved. The current that measures the difference between left- and right-handed particles is called the axial current and is not conserved at the quantum level. In addition, an underlying curved space-time provides a distinct contribution to a chiral imbalance, an effect known as the mixed axial–gravitational anomaly¹, but this anomaly has yet to be confirmed experimentally. However, the presence of a mixed gauge–gravitational anomaly has recently been tied to thermoelectrical transport in a magnetic field^{5, 6}, even in flat space-time, suggesting that such types of mixed anomaly could be experimentally probed in condensed matter systems known as Weyl semimetals⁷. Here, using a temperature gradient, we observe experimentally a positive magneto-thermoelectric conductance in the Weyl semimetal niobium phosphide (NbP) for collinear temperature gradients and magnetic fields that vanishes in the ultra-quantum limit, when only a single Landau level is occupied. This observation is consistent with the presence of a mixed axial–gravitational anomaly, providing clear evidence for a theoretical concept that has so far eluded experimental detection.