據外媒報道，一位研究晶體結構的賓夕法尼亞州立大學的科學家開發出了一個新的數學公式，該公式可能會解決幾十年來關於理解時空的問題，即愛因斯坦相對論中提出的宇宙結構。
“相對論告訴我們，空間和時間可以混合形成一個叫做時空的單一實體，它是四維的：三個空間軸和一個時間軸，”賓夕法尼亞州立大學材料科學、工程和物理學教授Venkatraman Gopalan說道，“然而，關於時間軸的一些東西卻非常突出。”
為了在相對論範圍內進行計算，科學家們必須在時間值上插入一個負號，而不必在空間值上添加。物理學家已經學會使用負數，但這意味着時空不能用傳統的歐幾里得幾何來處理，而必須使用更複雜的雙曲幾何來看待。
Gopalan開發了一種兩步數學方法，可以模糊空間和時間之間的差異、消除負號問題並作為兩個幾何圖形之間的橋樑。
“100多年來，人們一直在努力將空間和時間放在相同的基礎上，”Gopalan說道，“但由於這個負號，這真的沒有發生。這項研究至少在狹義相對論中消除了這個問題。在這項工作中，空間和時間確實是在同一基礎上的。”這篇論文於2021年5月27日發表在《Acta Crystallographica A》上。文中還附有一篇評論，兩位物理學家在文中指出，Gopalan的方法可能是統一量子力學和引力的關鍵，這兩個物理學的基礎領域尚未完全統一。
來自賓夕法尼亞州立大學的物理學教授Martin Bojowald說道：“Gopalan關於廣義相對論時空晶體的想法及如何獲得它們是強大而廣泛的。在某種程度上，這項研究為一個物理學問題提供了一個新方法，這個問題幾十年來一直沒有得到解決。”
除了提供了一種將時空跟傳統幾何學聯繫起來的新方法外，這項研究還意味着開發具有奇異性質的新結構即所謂的時空晶體。
這種晶體含有重複排列的原子，近年來科學家們探索了它的概念，在這種晶體中，物質的狀態會隨着時間變化和重複–就像跳舞一樣。然而，在這些公式中，時間跟空間是不相連的。Gopalan開發的方法將允許探索一種新的時空晶體，在那裡空間和時間可以混合。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家Avadh Saxena表示：“這些可能性可能會帶來一種全新的超材料，除了了解許多動力系統的基本屬性外還具有自然界中所沒有的奇異性質。”
Gopalan的方法是將對同一事件的兩種不同觀測結果混合在一起。當兩個觀測者交換時間坐標但保持自己的空間坐標時就會發生混合。通過一個叫做重正化的額外數學步驟，這將產生“重正化混合時空”。
Gopalan稱：“假設我在地面上，你在空間站上飛行，我們都觀察到類似彗星飛過的事件。你估量一下你是在什麼時候、在什麼地方看到它的，我估算一下我是在什麼地方看到它的，然後我們交換一下意見。我就用你的時間測量作為我自己的，但我保留了我原來的彗星空間測量。你反過來採用我的時間測量作為你自己的但保留你自己的空間測量彗星。從數學的角度來看，如果我們混合我們的測量值，煩人的負號就會消失”