Efek eksotis dalam fisika partikel, berteori terjadi di medan gravitasi yang sangat besar - dekat lubang hitam, atau dalam kondisi setelah Big Bang - telah terlihat dalam kristal laboratorium.
Para ilmuwan menggunakan kristal laboratorium untuk melihat bagaimana kelengkungan ruangwaktu mempengaruhi partikel subatom yang dikenal sebagai fermion Weyl. Gambar oleh Robert Strasser, Kees Scherer, kolase oleh Michael Buker via Nature.
Fisikawan Johannes Gooth dan timnya dari IBM Research di Zurich, Swiss, mengklaim telah mengamati efek yang disebut anomali aksial-gravitasi dalam kristal. Efeknya diprediksi oleh Relativitas Umum Einstein, yang menggambarkan gravitasi sebagai ruangwaktu melengkung. Efek laboratorium yang baru diamati diduga menjadi hanya dapat diamati dalam kondisi gravitasi yang sangat besar - misalnya, dekat lubang hitam, atau tak lama setelah Big Bang. Namun sudah terlihat di laboratorium. Para ilmuwan menerbitkan karya mereka dalam jurnal peer-review Alam pada 20 Juli 2017.
Apa itu anomali gravitasi? Penjelasan yang baik datang dari rekan penulis Karl Landsteiner di IBM Research Blog:
Simetri adalah cawan suci bagi fisikawan. Simetri berarti bahwa seseorang dapat mengubah objek dengan cara tertentu yang membuatnya invarian. Misalnya, bola bundar dapat diputar dengan sudut sewenang-wenang, tetapi selalu terlihat sama. Fisikawan mengatakan itu adalah 'simetris di bawah rotasi.' Setelah simetri sistem fisik diidentifikasi, sering kali mungkin untuk memprediksi dinamikanya.
Namun kadang-kadang hukum mekanika kuantum menghancurkan simetri yang dengan senang hati akan ada di dunia tanpa mekanika kuantum, yaitu sistem klasik. Bahkan bagi fisikawan, ini terlihat sangat aneh sehingga mereka menamakan fenomena ini sebagai 'anomali.'
Untuk sebagian besar sejarah mereka, anomali kuantum ini terbatas pada dunia fisika partikel elementer yang dieksplorasi di laboratorium akselerator besar seperti Large Hadron Collider di CERN di Swiss ...
Tapi sekarang, anomali kuantum telah diamati di laboratorium. Nature mengatakan hasilnya mendukung pandangan yang muncul bahwa kristal seperti ini - kristal yang sifatnya didominasi oleh efek mekanika-kuantum - dapat bertindak sebagai tempat uji eksperimental untuk efek fisika yang dapat dilihat sebaliknya hanya dalam keadaan eksotis (Big Bang, black hole) , akselerator partikel).
Rekan penulis makalah baru Karl Landsteiner, ahli teori string di Instituto de Fisica Teorica UAM / CSIC, membuat grafik ini untuk menjelaskan anomali gravitasi. Gambar melalui Riset IBM.
Di kelas sains maju, pada satu titik atau lain, kita diajarkan Hukum Lavoisier. Ini menyatakan bahwa tidak ada yang diciptakan, tidak ada yang hilang, dan bahwa semua sedang diubah. Hukum ini - hukum konservasi massa - adalah prinsip dasar ilmu dasar.
Namun, ketika mengintip ke dalam dunia bahan kuantum yang funky melalui fisika energi tinggi, hukum kekekalan massa tampaknya pecah.
Sementara itu, persamaan Einstein yang terkenal, E = mc ^ 2, menunjukkan bahwa massa dan energi dapat dipertukarkan (E, atau energi, sama dengan m, atau massa, kali c ^ 2, atau kecepatan cahaya kuadrat).
Gooth dan timnya menggunakan persamaan Einstein untuk membuat analogi: perubahan panas (E) sama dengan perubahan massa (m). Dengan kata lain, mengubah suhu semimetal Weyl akan sama dengan menghasilkan medan gravitasi.
Penulis utama makalah ini, Johannes Gooth, menjelaskan:
Untuk pertama kalinya, kami telah secara eksperimental mengamati anomali kuantum di Bumi ini yang sangat penting bagi pemahaman kita tentang alam semesta.
Rekan penulis makalah (kiri ke kanan): Fabian Menges, Johannes Gooth, dan Bernd Gotsmann di laboratorium bebas bising di IBM Research, Zurich. Gambar melalui Riset IBM.
Weyl fermions telah diusulkan pada 1920-an oleh matematikawan Hermann Weyl. Mereka telah sangat menarik bagi para ilmuwan untuk beberapa waktu, untuk beberapa sifat unik mereka.
Penemuan ini dianggap spektakuler oleh banyak ilmuwan, tetapi tidak semua ilmuwan yakin. Boris Spivak, fisikawan di University of Washington di Seattle, tidak percaya bahwa anomali aksial-gravitasi bisa diamati dalam semimetal Weyl. Dia berkata:
Ada banyak mekanisme lain yang dapat menjelaskan data mereka.
Seperti biasa dalam sains, waktu akan memberi tahu.
Diagram menunjukkan Weyl Semimetal. Gambar oleh Bianguang via Wikimedia Commons.
Intinya: Ilmuwan IBM mengklaim telah mengamati efek dari anomali gravitasi aksial dalam kristal laboratorium.