創建“重整混合時空”過程的示意圖。

phys.org網站當地時間5月27日報道，美國賓夕法尼亞(ya) 州立大學的科學家提出了一條新的數學公式，該公式有望破解困擾人類已久的時空認知問題（即愛因斯坦相對論中提出的宇宙結構問題）。“相對論指出，空間和時間能夠混合形成單一實體(ti) ——時空，它具有四維特征，包括三個(ge) 空間軸和一個(ge) 時間軸。”賓大材料科學、工程和物理學教授Venkatraman Gopalan說，“然而，時間軸的部分特征卻顯得非常突兀。”

為(wei) 了能在相對論範圍內(nei) 進行計算，科學家們(men) 必須為(wei) 時間值插入一個(ge) 負號。雖然物理學家已經掌握了“時間負數”的用法，但他們(men) 無法用傳(chuan) 統的歐幾裏得幾何來處理時空，而必須引入更複雜的雙曲幾何。這次，Gopalan開發的兩(liang) 步數學方法能夠模糊空間和時間之間的差異，消除負號問題，搭建起時空的橋梁。“100多年來，研究人員一直希望將空間和時間放在相同的基礎之上。但由於(yu) 負號的存在，這個(ge) 目標無法達成。新研究至少在狹義(yi) 相對論中解決(jue) 了這個(ge) 問題。在本項工作中，空間和時間確實是建立在同一基礎上的。”Gopalan說。

《晶體(ti) 學報A輯：基礎與(yu) 進展》雜誌同日發布了Gopalan的論文，並附帶了一篇評論文章。兩(liang) 位物理學家在評論文章中寫(xie) 道，Gopalan的方法可能是統一量子力學和引力的關(guan) 鍵。賓大物理學教授Martin Bojowald說：“Gopalan關(guan) 於(yu) 廣義(yi) 相對論時空晶體(ti) 的觀點以及獲取它們(men) 的方法是強大而廣泛的。從(cong) 某種程度上講，這項研究為(wei) 一個(ge) 幾十年未解的物理學問題提供了一種新方法。”這種方法使時空與(yu) 傳(chuan) 統幾何學相關(guan) 聯，此外，Gopalan的成果還有可能推動時空晶體(ti) 的開發。

晶體(ti) 中含有重複排列的原子，而在時空晶體(ti) 中，物質狀態也會(hui) 隨著時間變化發生改變，不斷重複。然而，在這些公式中，時間與(yu) 空間是不相關(guan) 的。Gopalan的新方法使科學家們(men) 得以探索一種空間與(yu) 時間能夠混合的新時空晶體(ti) 。洛斯阿拉莫斯國家實驗室物理學家Avadh Saxena說：“這可能會(hui) 促成一種全新的超材料。”

Gopalan的新方法究竟有何奧妙？簡言之，它將對同一事件的兩(liang) 種不同觀測結果混合在了一起：當兩(liang) 個(ge) 獨立觀測者交換時間坐標，但保持自己的空間坐標時，就會(hui) 發生混合。通過重整化的額外數學步驟，這將開啟“重整混合時空”。

Gopalan說：“假設在地麵上的我和在空間站的你都觀察到類似彗星飛過的事件。我們(men) 各自估量了觀察到事件的時間和地點，然後交換了意見。我以你的時間測量作為(wei) 我的時間坐標，但保留自己原來的彗星空間測量。反過來，你采用我的時間測量作為(wei) 你的時間坐標，但保留你自己的空間測量。從(cong) 數學角度來看，如果我們(men) 混合彼此的測量值，煩人的負號就消失了。”

編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《晶體(ti) 學報A輯：基礎與(yu) 進展》

期刊編號：0108-7673

原文鏈接：
https://phys.org/news/2021-05-spacetime-crystals-space-equal-footing.html

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