Rumtidskrystaller foreslået ved at placere rum og tid på lige fod

En videnskabsmand fra Penn State, der studerer krystalstrukturer, har udviklet en ny matematisk formel, der kan løse et årtier gammelt problem med at forstå rumtid, universets struktur foreslået i Einsteins relativitetsteorier.

"Relativitet fortæller os, at rum og tid kan blandes til en enkelt enhed kaldet rumtid, som er firedimensional:tre rumakser og en tidsakse, " sagde Venkatraman Gopalan, professor i materialevidenskab og teknik og fysik ved Penn State. "Imidlertid, noget ved tidsaksen stikker ud som en øm tommelfinger."

For at beregninger skal fungere inden for relativitetsteorien, videnskabsmænd skal indsætte et negativt tegn på tidsværdier, som de ikke behøver at placere på rumværdier. Fysikere har lært at arbejde med de negative værdier, men det betyder, at rumtid ikke kan håndteres ved hjælp af traditionel euklidisk geometri og i stedet skal ses med den mere komplekse hyperbolske geometri.

Gopalan udviklede en to-trins matematisk tilgang, der tillader forskellene mellem rum og tid at blive sløret, fjernelse af negative tegn-problemet, fungerer som en bro mellem de to geometrier.

"I mere end 100 år, der har været en indsats for at sætte rum og tid på samme fod, " sagde Gopalan. "Men det er virkelig ikke sket på grund af dette minustegn. Denne forskning fjerner dette problem i det mindste i den særlige relativitetsteori. Rum og tid er virkelig på samme fod i dette værk." Avisen, offentliggjort i dag (27. maj) i tidsskriftet Acta Crystallographica A , er ledsaget af en kommentar, hvori to fysikere skriver, at Gopalans tilgang kan være nøglen til at forene kvantemekanik og tyngdekraft, to grundlæggende fysikfelter, der endnu ikke er fuldt forenet.

"Gopalans idé om generelle relativistiske rumtidskrystaller og hvordan man opnår dem er både kraftfuld og bred, sagde Martin Bojowald, professor i fysik ved Penn State. "Denne forskning, delvis, præsenterer en ny tilgang til et problem i fysik, der har været uløst i årtier."

Ud over at give en ny tilgang til at relatere rumtid til traditionel geometri, forskningen har betydning for udvikling af nye strukturer med eksotiske egenskaber, kendt som rumtidskrystaller.

Krystaller indeholder gentagne arrangementer af atomer, og i de senere år har videnskabsmænd udforsket begrebet tidskrystaller, hvor et materiales tilstand ændrer sig og også gentager sig med tiden, som en dans. Imidlertid, tid er adskilt fra rummet i disse formuleringer. Metoden udviklet af Gopalan ville give mulighed for at udforske en ny klasse af rumtidskrystaller, hvor rum og tid kan blandes.

"Disse muligheder kunne indlede en helt ny klasse af metamaterialer med eksotiske egenskaber, som ellers ikke er tilgængelige i naturen, udover at forstå de grundlæggende egenskaber ved en række dynamiske systemer, " sagde Avadh Saxena, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory.

Gopalans metode involverer at blande to separate observationer af den samme begivenhed. Blanding opstår, når to observatører udveksler tidskoordinater, men beholder deres egne rumkoordinater. Med et ekstra matematisk trin kaldet renormalisering, dette fører til "renormaliseret blandet rumtid."

"Lad os sige, at jeg er på jorden, og du flyver på rumstationen, og vi observerer begge en begivenhed som en komet flyve forbi, " sagde Gopalan. "Du laver din måling af, hvornår og hvor du så det, og jeg gør min af den samme begivenhed, og så sammenligner vi noter. Jeg bruger så din tidsmåling som min egen, men jeg beholder min oprindelige rummåling af kometen. Du bruger til gengæld min tidsmåling som din egen, men behold din egen rummåling af kometen. Fra et matematisk synspunkt, hvis vi gør denne blanding af vores målinger, det irriterende minustegnet forsvinder."