引力晶体

来源：原理

1

你听说过引力晶体吗？这是最近由北卡罗莱纳州立大学的物理学家Alexander Bataller提出的一个新的概念。Bataller发现，这个概念可被用来研究遥远的白矮星内部的一种奇异结构，一种被称为维格纳结晶的现象。

维格纳结晶是指电子在一系列特定条件下会形成的一种特殊的排列模式，它的研究常在天体物理学的框架下展开。尽管科学家已经对维格纳晶体进行了数十年的理论研究，但这些模式仍然是物质中最难以捉摸的状态之一。研究人员一直期待能对其进行更多的实验研究。

2

若要创造出维格纳晶体，必须要有一个由带电粒子组成的系统。这些粒子需要被限制在一个空间里，它们可以自由移动（等离子体）、发生强相互作用（强耦合粒子），并且还需要一种约束力来迫使这些粒子紧密地排列在一起，即使它们本身是相互排斥的。

这样的条件在白矮星中都可以得到满足。一些恒星（比如太阳）在死亡之后会变成白矮星，它们是恒星经过超新星爆炸后坍缩成的行星大小的致密恒星残骸。除了白矮星之外，科学家还在多种系统中观察到了维格纳结晶，比如电子云和离子云（尘埃等离子体）中悬浮着的沙粒大小的微粒。但要在这些系统中研究维格纳晶体是一项耗资巨大的任务，过去已经有一些实验花费了数百万美元来创建离子阱和尘埃等离子阱。

3

上述在天体物理学背景下进行的实验所涉及到的都是在非常小的尺度上对维格纳晶体进行的研究，Bataller想知道同样的原理是否可以在更大的物体上重现，比如金属球。他发展出了一种廉价可行的技术，利用家用材料就可以制造出引力晶体，从而能在实验室中研究白矮星内部的这种奇异结晶。

○  铝制小球表现出维格纳晶体模式。| 视频来源：Alex Bataller

比如，你可以取一个大碗，然后向里面扔一把铝制的弹珠进去，通上高压电流，然后就可以观赏一场奇妙的舞蹈秀了——这些弹珠会排列成为独特的“晶体”图案，这种奇怪的行为就属于维格纳结晶。这是因为当这些金属小球接触到高压的封闭表面时，它们的表面会被传入数以百万计的电子，从而粒子间的斥力增加，形成了有序的结构。此外，当球体在表面滚动时，它们的运动会产生摩擦，从而迅速降低动能，促进强耦合。

4

在实验中，Bataller还使用铝制和铜制的小球来模拟电子进行实验。一开始，铝球和铜球被混合在一起并被施以高电压。实验的关键就在于他使用引力作为约束力，如此一来，这些小小的带电球体只要通过“碗”的几何形状就可以在引力的影响下滚来滚去。这也是为什么Bataller给它们命名为“引力晶体”的原因，因为将所有东西联系在一起的约束力是引力。

通过使用引力约束，Bataller发现维格纳结晶成功地扩展到了质量是尘埃等离子体的100万倍的宏观物体上。现在，这种方法可被用来研究其他晶体系统。

例如，引力晶体模拟了白矮星中一种名为“沉积”的奇特特性：在含有氧和碳的白矮星内部，会形成分层的晶体层，较重的氧会“下沉”到核心。在实验中，初始混合在一起的铜球和铝球在引力晶体的影响下再现了这种分层效应。这与白矮星内部的沉积作用类似，铜球会在维持晶体结构的同时向碗的中心移动。

○  引力晶体概念可被灵活地应用于探索白矮星内碳氧分层的物理现象，实验通过将质量不同的铝制和铜制小球放入通电的不锈钢碗中，让较重的铜制小球“沉到”了碗的中心，与较轻的铝制小球发生分离，表现出维格纳晶体模式。| 视频来源：Alex Bataller

对于引力晶体和白矮星来说，其等离子体特性以及外部环境是完全不同的，但这二者却都表现出了相似的行为。

5

Bataller所观察到的维格纳结晶系统有着与自然尺度无关的多样性。他利用非常廉价、易操作的方法，将这种现象从微观尺度扩展到了宏观尺度。这让过去仅限于在耗资数百万美元的实验室里，以及在恒星致密的内部才能存在的迷人现象，可以轻易地被创造出来。

参考来源：

https://science.sciencemag.org/content/364/6443/870/tab-figures-data

https://www.vice.com/en_us/article/gyzkey/a-scientist-created-gravity-crystals-to-simulate-dead-stars-on-earth

https://www.aps.org/units/dpp/meetings/vpr/2019/upload/2019-Bataller_Alexander_APS-DPP-PR.pdf