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实验室首次造出对称性破缺 有助解释自然界关系

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核心提示:多国研究人员首次通过实验证明,可在实验室内以一种可控的方式制造出对称性破缺并观察到拓扑瑕疵。在一个控制得很好的系统内识别出这些“拓扑瑕疵”,将有助于科学家们研究量子相变、洞悉复杂系统的非平衡性动力系统。

据美国每日科学网站报道,多国研究人员首次通过实验证明,可在实验室内以一种可控的方式制造出对称性破缺并观察到拓扑瑕疵。在一个控制得很好的系统内识别出这些“拓扑瑕疵”,将有助于科学家们研究量子相变、洞悉复杂系统的非平衡性动力系统。研究结果发表在最新出版的《自然—通讯》杂志上。

大约140亿年前,是什么力量创造了我们现在身处的宇宙?在宇宙大爆炸之后的短暂瞬间,对称性破缺如何导致物质、恒星以及星系从一个起初对称且各处环境一样的宇宙中制造出来?这是科学家们一直想知道的问题。尽管宇宙大爆炸仍然无法被重复,但科学家们现在的确能在可控的实验下对这种对称性破缺及其变化进行研究了。

拓扑瑕疵是空间结构内出现的错误,当一个系统内的粒子无法相互“沟通”时,对称性破缺会导致这种拓扑瑕疵。而由德国联邦物理技术研究院(PTB)、乌尔姆大学、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室以及以色列耶路撒冷希伯来大学联合进行的实验,就试图对一个复杂的多粒子系统进行控制并诱导外部环境发生变化以获得这种对称性破缺。

为了制造出这一系统,他们将镱离子捕获在所谓的“射频离子陷阱”中,并在激光的帮助下将其冷却到几毫开尔文以下。在陷阱内,阳离子会相互排斥,镱离子也在这样的超低温下呈现出晶体结构,这样就构造出了一个所谓的“离子库伦晶体”,其对称性可与早期宇宙的对称性相媲美,科学家们也可对超冷粒子以及周围的环境参数进行很好地控制。当离子在晶体内寻求新的平衡状态时,拓扑瑕疵就会出现。

最新研究同由汤姆·基布尔和沃奇克·祖瑞克建立的所谓的基布尔—祖瑞克机制密切相关。基布尔提出,早期宇宙中存在一些特殊的拓扑瑕疵:在宇宙大爆炸之后的瞬间,一种对称性破缺发生,年轻的宇宙必须“决定”采取哪个新状态。此时,宇宙中各个独立的区域并不会互相交流其决定,宇宙弦和畴壁这样的拓扑瑕疵或许就被制造出来。但是,基布尔—祖瑞克机制认为,相变中也会出现瑕疵。这一理论可以适用于很多物理学领域,诸如从金属到超导体的相变或从铁磁体到顺磁性系统的相变等。

研究团队现在已经证明,使用超冷的离子库伦晶体,这种基布尔—祖瑞克机制能被转移到相对简单的实验室系统,拓扑瑕疵的出现取决于改变出现的速度。而美因茨约翰尼斯古腾堡大学同时进行的研究也得出了同样的结论。

最新系统有助于科学家们在经典系统、量子宇宙以及在非线性的物理学领域内进行与相变有关的研究,从而使他们能更快地解释自然界中的神秘关系。(来源:科技日报 记者 刘霞)

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