据外媒报道，一位研究晶体结构的宾夕法尼亚州立大学的科学家开发出了一个新的数学公式，该公式可能会解决几十年来关于理解时空的问题，即爱因斯坦相对论中提出的宇宙结构。
“相对论告诉我们，空间和时间可以混合形成一个叫做时空的单一实体，它是四维的：三个空间轴和一个时间轴，”宾夕法尼亚州立大学材料科学、工程和物理学教授Venkatraman Gopalan说道，“然而，关于时间轴的一些东西却非常突出。”
为了在相对论范围内进行计算，科学家们必须在时间值上插入一个负号，而不必在空间值上添加。物理学家已经学会使用负数，但这意味着时空不能用传统的欧几里得几何来处理，而必须使用更复杂的双曲几何来看待。
Gopalan开发了一种两步数学方法，可以模糊空间和时间之间的差异、消除负号问题并作为两个几何图形之间的桥梁。
“100多年来，人们一直在努力将空间和时间放在相同的基础上，”Gopalan说道，“但由于这个负号，这真的没有发生。这项研究至少在狭义相对论中消除了这个问题。在这项工作中，空间和时间确实是在同一基础上的。”这篇论文于2021年5月27日发表在《Acta Crystallographica A》上。文中还附有一篇评论，两位物理学家在文中指出，Gopalan的方法可能是统一量子力学和引力的关键，这两个物理学的基础领域尚未完全统一。
来自宾夕法尼亚州立大学的物理学教授Martin Bojowald说道：“Gopalan关于广义相对论时空晶体的想法及如何获得它们是强大而广泛的。在某种程度上，这项研究为一个物理学问题提供了一个新方法，这个问题几十年来一直没有得到解决。”
除了提供了一种将时空跟传统几何学联系起来的新方法外，这项研究还意味着开发具有奇异性质的新结构即所谓的时空晶体。
这种晶体含有重复排列的原子，近年来科学家们探索了它的概念，在这种晶体中，物质的状态会随着时间变化和重复--就像跳舞一样。然而，在这些公式中，时间跟空间是不相连的。Gopalan开发的方法将允许探索一种新的时空晶体，在那里空间和时间可以混合。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Avadh Saxena表示：“这些可能性可能会带来一种全新的超材料，除了了解许多动力系统的基本属性外还具有自然界中所没有的奇异性质。”
Gopalan的方法是将对同一事件的两种不同观测结果混合在一起。当两个观测者交换时间坐标但保持自己的空间坐标时就会发生混合。通过一个叫做重正化的额外数学步骤，这将产生“重正化混合时空”。
Gopalan称：“假设我在地面上，你在空间站上飞行，我们都观察到类似彗星飞过的事件。你估量一下你是在什么时候、在什么地方看到它的，我估算一下我是在什么地方看到它的，然后我们交换一下意见。我就用你的时间测量作为我自己的，但我保留了我原来的彗星空间测量。你反过来采用我的时间测量作为你自己的但保留你自己的空间测量彗星。从数学的角度来看，如果我们混合我们的测量值，烦人的负号就会消失"