實驗室內首次創造出對稱性破缺并觀察到拓撲瑕疵

　　據美國每日科學網站8月12日報道，多國研究人員首次通過實驗證明，可在實驗室內以一種可控的方式制造出對稱性破缺并觀察到拓撲瑕疵。在一個控制得很好的系統內識別出這些“拓撲瑕疵”，將有助于科學家們研究量子相變、洞悉復雜系統的非平衡性動力系統。研究結果發表在最新出版的《自然·通訊》雜志上。

　　大約140億年前，是什么力量創造了我們現在身處的宇宙?在宇宙大爆炸之后的短暫瞬間，對稱性破缺如何導致物質、恒星以及星系從一個起初對稱且各處環境一樣的宇宙中制造出來?這是科學家們一直想知道的問題。盡管宇宙大爆炸仍然無法被重復，但科學家們現在的確能在可控的實驗下對這種對稱性破缺及其變化進行研究了。

　　拓撲瑕疵是空間結構內出現的錯誤，當一個系統內的粒子無法相互“溝通”時，對稱性破缺會導致這種拓撲瑕疵。而由德國聯邦物理技術研究院(PTB)、烏爾姆大學、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室以及以色列耶路撒冷希伯來大學聯合進行的實驗，就試圖對一個復雜的多粒子系統進行控制并誘導外部環境發生變化以獲得這種對稱性破缺。

　　為了制造出這一系統，他們將鐿離子捕獲在所謂的“射頻離子陷阱”中，并在激光的幫助下將其冷卻到幾毫開爾文以下。在陷阱內，陽離子會相互排斥，鐿離子也在這樣的超低溫下呈現出晶體結構，這樣就構造出了一個所謂的“離子庫倫晶體”，其對稱性可與早期宇宙的對稱性相媲美，科學家們也可對超冷粒子以及周圍的環境參數進行很好地控制。當離子在晶體內尋求新的平衡狀態時，拓撲瑕疵就會出現。

　　最新研究同由湯姆·基布爾和沃奇克·祖瑞克建立的所謂的基布爾—祖瑞克機制密切相關。基布爾提出，早期宇宙中存在一些特殊的拓撲瑕疵：在宇宙大爆炸之后的瞬間，一種對稱性破缺發生，年輕的宇宙必須“決定”采取哪個新狀態。此時，宇宙中各個獨立的區域并不會互相交流其決定，宇宙弦和疇壁這樣的拓撲瑕疵或許就被制造出來。但是，基布爾—祖瑞克機制認為，相變中也會出現瑕疵。這一理論可以適用于很多物理學領域，諸如從金屬到超導體的相變或從鐵磁體到順磁性系統的相變等。

　　研究團隊現在已經證明，使用超冷的離子庫倫晶體，這種基布爾—祖瑞克機制能被轉移到相對簡單的實驗室系統，拓撲瑕疵的出現取決于改變出現的速度。而美因茨約翰尼斯古騰堡大學同時進行的研究也得出了同樣的結論。

　　最新系統有助于科學家們在經典系統、量子宇宙以及在非線性的物理學領域內進行與相變有關的研究，從而使他們能更快地解釋自然界中的神秘關系。