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你聽說過引力晶體嗎？這是最近由北卡羅萊納州立大學的物理學家Alexander Bataller提出的一個新的概念。Bataller發現，這個概念可被用來研究遙遠的白矮星內部的一種奇異結構，一種被稱為維格納結晶的現象。

維格納結晶是指電子在一系列特定條件下會形成的一種特殊的排列模式，它的研究常在天體物理學的框架下展開。儘管科學家已經對維格納晶體進行了數十年的理論研究，但這些模式仍然是物質中最難以捉摸的狀態之一。研究人員一直期待能對其進行更多的實驗研究。

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若要創造出維格納晶體，必須要有一個由帶電粒子組成的系統。這些粒子需要被限制在一個空間裡，它們可以自由移動（等離子體）、發生強相互作用（強耦合粒子），並且還需要一種約束力來迫使這些粒子緊密地排列在一起，即使它們本身是相互排斥的。

這樣的條件在白矮星中都可以得到滿足。一些恆星（比如太陽）在死亡之後會變成白矮星，它們是恆星經過超新星爆炸後坍縮成的行星大小的緻密恆星殘骸。除了白矮星之外，科學家還在多種系統中觀察到了維格納結晶，比如電子雲和離子云（塵埃等離子體）中懸浮著的沙粒大小的微粒。但要在這些系統中研究維格納晶體是一項耗資巨大的任務，過去已經有一些實驗花費了數百萬美元來建立離子阱和塵埃等離子阱。

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比如，你可以取一個大碗，然後向裡面扔一把鋁製的彈珠進去，通上高壓電流，然後就可以觀賞一場奇妙的舞蹈秀了——這些彈珠會排列成為獨特的“晶體”圖案，這種奇怪的行為就屬於維格納結晶。這是因為當這些金屬小球接觸到高壓的封閉表面時，它們的表面會被傳入數以百萬計的電子，從而粒子間的斥力增加，形成了有序的結構。此外，當球體在表面滾動時，它們的運動會產生摩擦，從而迅速降低動能，促進強耦合。

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在實驗中，Bataller還使用鋁製和銅製的小球來類比電子進行實驗。一開始，鋁球和銅球被混合在一起並被施以高電壓。實驗的關鍵就在於他使用引力作為約束力，如此一來，這些小小的帶電球體只要通過“碗”的幾何形狀就可以在引力的影響下滾來滾去。這也是為什麼Bataller給它們命名為“引力晶體”的原因，因為將所有東西聯絡在一起的約束力是引力。

通過使用引力約束，Bataller發現維格納結晶成功地擴充套件到了品質是塵埃等離子體的100萬倍的巨集觀物體上。現在，這種方法可被用來研究其他晶體系統。

例如，引力晶體模擬了白矮星中一種名為“沉積”的奇特特性：在含有氧和碳的白矮星內部，會形成分層的晶體層，較重的氧會“下沉”到核心。在實驗中，初始混合在一起的銅球和鋁球在引力晶體的影響下再現了這種分層效應。這與白矮星內部的沉積作用類似，銅球會在維持晶體結構的同時向碗的中心移動。

○ 引力晶體概念可被靈活地應用於探索白矮星內碳氧分層的物理現象，實驗通過將品質不同的鋁製和銅製小球放入通電的不鏽鋼碗中，讓較重的銅製小球“沉到”了碗的中心，與較輕的鋁製小球發生分離，表現出維格納晶體模式。| 視訊來源：Alex Bataller

對於引力晶體和白矮星來說，其等離子體特性以及外部環境是完全不同的，但這二者卻都表現出了相似的行為。

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Bataller所觀察到的維格納結晶系統有著與自然尺度無關的多樣性。他利用非常廉價、易操作的方法，將這種現象從微觀尺度擴充套件到了巨集觀尺度。這讓過去僅限於在耗資數百萬美元的實驗室裡，以及在恆星緻密的內部才能存在的迷人現象，可以輕易地被創造出來。

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