Τα μυστήρια των μαύρων τρυπών και της Μεγάλης Έκρηξης μέσα σε έναν κρύσταλλο

Το ανάλογο ενός εξωτικού φαινομένου που μπορεί να πραγματοποιηθεί παρουσία πολύ ισχυρού βαρυτικού πεδίου – τόσο ισχυρού που εμφανίζεται μόνο στο κοντινό περιβάλλον των μαύρων τρυπών ή στις συνθήκες που επικρατούσαν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη – παρατηρήθηκε σε ένα κομμάτι φωσφιδίου του νιοβίου (NbP) στο εργαστήριο.Μια ερευνητική ομάδα της IBM Research με επικεφαλής τον φυσικό Johannes Gooth στη Ζυρίχη, ανακοίνωσε την παρατήρηση στο εργαστήριο ενός φαινομένου που φέρει το περίεργο όνομα μικτή αξονική (ή χειρόμορφη) βαρυτική ανωμαλία. Πρόκειται για ένα φαινόμενο – περιγράφεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας ως αποτέλεσμα των τεράστιων μαζών που καμπυλώνουν τον χωροχρόνο – που καταστρέφει την συμμετρία συγκεκριμένου είδους σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά ενώ συνήθως εμφανίζονται σε ζεύγη με την αντίστοιχη κατοπτρική συμμετρία, σύμφωνα με την θεωρία η παρουσία ισχυρού βαρυτικού πεδίου ευνοεί την δημιουργία περισσότερων σωματιδίων του ενός είδους.To είδος των συνθηκών που απαιτούνται για να αποδειχθεί αυτή η ασυνήθιστη παραβίαση ενός θεμελιώδους «νόμου διατήρησης» δεν μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο. Όμως οι ερευνητές εκμεταλλεύθηκαν μια αναλογία μεταξύ βαρύτητας και θερμοκρασίας για να δημιουργήσουν ένα εργαστηριακό ανάλογο αυτής της ανωμαλίας σε κρυστάλλους φωσφιδίου του νιοβίου. Το φαινόμενο αυτό είναι τόσο δύσκολο να μετρηθεί που ακόμα κι ένα έμμεσο στοιχείο είναι μια σημαντική ανακάλυψη.

          

Το σχεδιάγραμμα μας δείχνει πως μια μεταβολή θερμοκρασίας σε ένα έναν συγκεκριμένο τύπο κβαντικού υλικού (NbP – φωσφίδιο του νιοβίου) περιγράφεται από τις ίδιες εξισώσεις που καθορίζουν τις συνθήκες που επικρατούν κοντά σε μια μαύρη τρύπα.
Ένα φαινόμενο που πραγματοποιείται σε συνθήκες όπου η καμπύλωση του χωροχρόνου είναι ακραία – όπως στην γειτονιά μιας μαύρης τρύπας ή τις πρώτες στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη – αποδεικνύεται πως θα μπορούσαμε να το μελετήσουμε σε μια επιτραπέζια πειραματική διάταξη.
Η παρατήρηση του φαινομένου δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature [Experimental signatures of the mixed axial-gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP]. Το πείραμα δεν περιλάμβανε μαύρες τρύπες ούτε καν βαρυτικά πεδία. Αντ΄αυτών χρησιμοποιήθηκε ένα είδος εξωτικών υλικών που είναι γνωστά ως ημιμέταλλα Weyl – στην συγκεκριμένη περίπτωση φωσφίδιο του νιοβίου.
Τα σωματίδια που επηρεάζονται από την ανωμαλία ονομάζονται φερμιόνια Weyl, τα οποία προτάθηκαν στην δεκαετία του 1920 από τον μαθηματικό Hermann Weyl. Αυτά τα σωματίδια διαφέρουν από τα άλλα είδη φερμιονίων (όπως τα ηλεκτρόνια) επειδή φαίνονται να μην έχουν μάζα και διότι εμφανίζουν κάποιου είδους χειρομορφία. Τα φερμιόνια Weyl δεν έχουν ανιχνευτεί ποτέ ως μεμονωμένες φυσικές οντότητες – αν και πιστεύεται ότι θα μπορούσαν να εμφανίζονται κατά την διάσπαση άλλου είδους σωματιδίων. Όμως, έχουν εντοπιστεί ως «εν δυνάμει» σωματίδια μέσα σε ορισμένους κρυστάλλους. Στα υλικά αυτά τα κβαντομηχανικά φαινόμενα προκαλούν την κίνηση των ηλεκτρονίων ενός υλικού με τέτοιον τρόπο ώστε η συλλογική συμπεριφορά τους μοιάζει με εκείνη των φερμιονίων Weyl. Τα χειρόμορφα φερμιόνια Weyl παράγονται γενικά σε ίσους αριθμούς, ως ζεύγη αντικειμένου-ειδώλου σε καθρέπτη.
To 2015 ερευνητές έδειξαν ότι ισχυρά μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία θα μπορούσαν να σπάσουν αυτή τη συμμετρία μέσα σε ένα κβαντικό υλικό γνωστό ως ημιμέταλλο Dirac, επιβεβαιώνοντας το θεωρητικό φαινόμενο της αξονικής (ή χειρομορφικής) ανωμαλίας.
Τώρα η ομάδα του Gooth επιβεβαιώνει ότι η βαρύτητα – ή η χωροχρονική καμπυλότητα – μπορεί επίσης να καταστρέψει την συμμετρία. Για το δείξουν αυτό, θεώρησαν μια σχέση μεταξύ βαρυτικών και θερμοκρασιακών φαινομένων, σύμφωνα με την οποία η επίδραση της καμπυλότητας του χωροχρόνου στα φερμιόνια Weyl είναι μαθηματικά ισοδύναμη με την επίδραση της βαθμίδας θερμοκρασίας. Με άλλα λόγια, η ανωμαλία θα πρέπει επίσης να εμφανίζεται όταν ένα μέρος του υλικού στο οποίο εμφανίζονται τα «εν δυνάμει» φερμιόνια Weyl είναι θερμότερο από το υπόλοιπο.
Η αιτία έχει τις ρίζες της στην γνωστή εξίσωση ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας E=mc2, όπως εξηγεί ο Gooth. Η μάζα ρέει εξαιτίας των μεταβολών του βαρυτικού πεδίου και η ενέργεια ρέει εξαιτίας των μεταβολών θερμοκρασίας. Έτσι, η μεταβολή της θερμοκρασίας μιμείται τις μεταβολές του βαρυτικού πεδίου για τα σχετικιστικά σωματίδια Weyl.
Οι ερευνητές μέτρησαν την αγωγιμότητα του κρυσταλλικού φωσφιδίου του νιοβίου – το οποίο είναι γνωστό ως ημιμέταλλο Weyl – σε ένα μικροηλεκτρονικό κύκλωμα. Όταν εφάρμοσαν μια θερμοκρασιακή μεταβολή και ένα μαγνητικό πεδίο, παρατήρησαν ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργήθηκε από την ανισοκατανομή των δυο τύπων φερμιονίων Weyl: ο αριθμός των αριστερόστροφων «ψευδοσωματιδίων» που κινούνται προς την μια κατεύθυνση μέσα στο δείγμα, δεν ήταν ίσος με τον αριθμό των αντίστοιχων δεξιόστροφων, που κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επιπλέον, η συμπεριφορά του ρεύματος καθώς μεταβάλλονταν το μαγνητικό πεδίο είναι ακριβώς αυτή που προβλέπει η θεωρία της αξονικής – βαρυτικής ανωμαλίας.
Πάντως δεν έχουν πειστεί όλοι οι ερευνητές πως το φαινόμενο αυτό έχει όντως παρατηρηθεί. Ο Boris Spivak, φυσικός του πανεπιστημίου της Washington στο Seattle, επιμένει πως η αξονική βαρυτική ανωμαλία δεν υπάρχει στα ημιμέταλλα Weyl. Ισχυρίζεται πως μια βαθμίδα θερμοκρασίας δεν μπορεί να προκαλέσει την μετατροπή των ηλεκτρονίων σε «ψευδοσωματίδια» διαφορετικής χειρομορφίας. Σύμφωνα με τον Spivak υπάρχουν πολλοί μηχανισμοί που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα πειραματικά δεδομένα. Θεωρεί πως στο πείραμα μετρήθηκε απλά η επίδραση του μαγνητικού πεδίου στο πολύ γνωστό θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ηλεκτρικά ρεύματα παράγονται εξαιτίας των διακυμάνσεων θερμοκρασίας.
Φυσικά, ο Gooth και οι συνεργάτες του διαφωνούν. Απαντάνε πως η δημιουργία της χειρόμορφης ανωμαλίας εξαιτίας της θερμοκρασίας δικαιολογείται πολύ καλά θεωρητικά. Και ο Subir Sachdev, ειδικός στα κβαντικά φαινόμενα σε υλικά στερεάς κατάστασης, από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στο Καίμπριτζ της Μασαχουσέτης, συμφωνεί πως οι ερευνητές έχουν αδιάσειστες αποδείξεις για τις φυσικές συνέπειες της αξονικής-βαρυτικής ανωμαλίας.
Ο Grushin, συν-συγγραφέας του άρθρου στο Nature, θεωρεί πως η κατανόηση του πως εκδηλώνεται το φαινόμενο σ’ αυτά τα υλικά θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε νέα φυσική (ο συνεργάτης του Karl Landsteiner πήγε ένα βήμα παραπέρα, δηλώνοντας πως το πείραμα είναι μια επιτυχία της θεωρίας των χορδών),
ενώ και η IBM ελπίζει μέσα από αυτή την ανακάλυψη να βελτιωθεί η απόδοση των υλικών που μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από θερμοκρασιακές μεταβολές.

πηγές: physicsgg.me
1. An Experiment in Zurich Brings Us Nearer to a Black Hole’s Mysteries
2. Big Bang gravitational effect observed in lab crystal