Um cientista da Penn State estudando estruturas de cristal desenvolveu uma nova fórmula matemática que pode resolver um problema de décadas de compreensão do espaço-tempo, a estrutura do universo proposta nas teorias da relatividade de Einstein.

"A relatividade nos diz que o espaço e o tempo podem se misturar para formar uma única entidade chamada espaço-tempo, que é quadridimensional:três eixos espaciais e um eixo do tempo, "disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência dos materiais e engenharia e física na Penn State. "Contudo, algo sobre o eixo do tempo sobressai como um polegar dolorido. "

Para que os cálculos funcionem dentro da relatividade, os cientistas devem inserir um sinal negativo nos valores de tempo que eles não precisam colocar nos valores de espaço. Os físicos aprenderam a trabalhar com os valores negativos, mas significa que o espaço-tempo não pode ser tratado usando a geometria euclidiana tradicional e, em vez disso, deve ser visto com a geometria hiperbólica mais complexa.

Gopalan desenvolveu uma abordagem matemática de duas etapas que permite que as diferenças entre o espaço e o tempo sejam borradas, removendo o problema do sinal negativo, servindo como uma ponte entre as duas geometrias.

"Por mais de 100 anos, tem havido um esforço para colocar o espaço e o tempo no mesmo pé, "Gopalan disse." Mas isso realmente não aconteceu por causa deste sinal de menos. Esta pesquisa remove esse problema, pelo menos na relatividade especial. Espaço e tempo estão realmente em pé de igualdade neste trabalho. "O artigo, publicado hoje (27 de maio) na revista Acta Crystallographica A , é acompanhado por um comentário no qual dois físicos escrevem que a abordagem de Gopalan pode ser a chave para unificar a mecânica quântica e a gravidade, dois campos fundamentais da física que ainda não foram totalmente unificados.

"A ideia de Gopalan de cristais relativísticos gerais do espaço-tempo e como obtê-los é poderosa e ampla, "disse Martin Bojowald, professor de física na Penn State. "Essa pesquisa, em parte, apresenta uma nova abordagem para um problema em física que permaneceu sem solução por décadas. "

Além de fornecer uma nova abordagem para relacionar o espaço-tempo à geometria tradicional, a pesquisa tem implicações para o desenvolvimento de novas estruturas com propriedades exóticas, conhecidos como cristais do espaço-tempo.

Os cristais contêm arranjos repetidos de átomos, e nos últimos anos os cientistas exploraram o conceito de cristais de tempo, em que o estado de um material muda e se repete no tempo também, como uma dança. Contudo, o tempo está desconectado do espaço nessas formulações. O método desenvolvido por Gopalan permitiria que uma nova classe de cristais do espaço-tempo fosse explorada, onde espaço e tempo podem se misturar.

"Essas possibilidades podem inaugurar uma classe inteiramente nova de metamateriais com propriedades exóticas, de outra forma não disponíveis na natureza, além de compreender os atributos fundamentais de uma série de sistemas dinâmicos, "disse Avadh Saxena, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos.

O método de Gopalan envolve combinar duas observações separadas do mesmo evento. A combinação ocorre quando dois observadores trocam coordenadas de tempo, mas mantêm suas próprias coordenadas espaciais. Com uma etapa matemática adicional chamada renormalização, isso leva a um "espaço-tempo combinado renormalizado".

"Digamos que eu esteja no solo e você voando na estação espacial, e nós dois observamos um evento como um cometa voando, "Gopalan disse." Você mede quando e onde você o viu, e eu faço o meu do mesmo evento, e então comparamos as notas. Eu então adoto sua medição de tempo como minha, mas mantenho minha medida espacial original do cometa. Você, por sua vez, adota minha medição de tempo como sua, mas mantenha sua própria medição do espaço do cometa. Do ponto de vista matemático, se fizermos esta combinação de nossas medições, o sinal de menos irritante vai embora. "