Un científico de Penn State que estudia las estructuras cristalinas ha desarrollado una nueva fórmula matemática que puede resolver un problema de décadas en la comprensión del espacio-tiempo, el tejido del universo propuesto en las teorías de la relatividad de Einstein.
"La relatividad nos dice que el espacio y el tiempo pueden mezclarse para formar una sola entidad llamada espacio-tiempo, que es de cuatro dimensiones: tres ejes espaciales y un eje temporal", dijo Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física en Penn.Estado. "Sin embargo, algo en el eje del tiempo sobresale como dolor de pulgar".
Para que los cálculos funcionen dentro de la relatividad, los científicos deben insertar un signo negativo en los valores de tiempo que no tienen que colocar en los valores del espacio. Los físicos han aprendido a trabajar con los valores negativos, pero eso significa que el espacio-tiempo no se puede tratar con los valores tradicionales.Geometría euclidiana y, en su lugar, debe verse con la geometría hiperbólica más compleja.
Gopalan desarrolló un enfoque matemático de dos pasos que permite difuminar las diferencias entre el espacio y el tiempo, eliminando el problema de los signos negativos y sirviendo de puente entre las dos geometrías.
"Durante más de 100 años, se ha hecho un esfuerzo por poner el espacio y el tiempo en el mismo pie", dijo Gopalan. "Pero eso realmente no ha sucedido debido a este signo menos. Esta investigación elimina ese problema al menos en especialrelatividad. El espacio y el tiempo están realmente en pie de igualdad en este trabajo ". El artículo, publicado hoy 27 de mayo en la revista Acta Crystallographica A , va acompañado de un comentario en el que dos físicos escriben que el enfoque de Gopalan puede ser la clave para unificar la mecánica cuántica y la gravedad, dos campos fundamentales de la física que aún no se han unificado por completo.
"La idea de Gopalan de los cristales espaciotemporales relativistas generales y cómo obtenerlos es poderosa y amplia", dijo Martin Bojowald, profesor de física en Penn State. "Esta investigación, en parte, presenta un nuevo enfoque a un problema de física queha permanecido sin resolver durante décadas ".
Además de proporcionar un nuevo enfoque para relacionar el espacio-tiempo con la geometría tradicional, la investigación tiene implicaciones para el desarrollo de nuevas estructuras con propiedades exóticas, conocidas como cristales de espacio-tiempo.
Los cristales contienen una disposición repetida de átomos, y en los últimos años los científicos han explorado el concepto de cristales de tiempo, en los que el estado de un material cambia y se repite en el tiempo también, como una danza. Sin embargo, el tiempo está desconectado del espacio en esosformulaciones. El método desarrollado por Gopalan permitiría explorar una nueva clase de cristales de espacio-tiempo, donde el espacio y el tiempo pueden mezclarse.
"Estas posibilidades podrían dar paso a una clase completamente nueva de metamateriales con propiedades exóticas que de otro modo no estarían disponibles en la naturaleza, además de comprender los atributos fundamentales de varios sistemas dinámicos", dijo Avadh Saxena, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos.
El método de Gopalan implica combinar dos observaciones separadas del mismo evento. La combinación ocurre cuando dos observadores intercambian coordenadas de tiempo pero mantienen sus propias coordenadas espaciales. Con un paso matemático adicional llamado renormalización, esto conduce a un "espacio-tiempo combinado renormalizado".
"Digamos que estoy en el suelo y usted está volando en la estación espacial, y ambos observamos un evento como un cometa que pasa volando", dijo Gopalan. "Usted mide cuándo y dónde lo vio, y yohago mía del mismo evento, y luego comparamos notas. Luego adopto su medida de tiempo como mía, pero conservo mi medida de espacio original del cometa. Usted a su vez adopta mi medida de tiempo como propia, pero retiene su propio espaciomedición del cometa. Desde un punto de vista matemático, si hacemos esta combinación de nuestras medidas, el molesto signo menos desaparece. "
La National Science Foundation financió esta investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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