Pięć wielkich problemów fizyki teoretycznej

Nierozwiązane problemy fizyki według Lee Smolin

Zgodnie z ogólną teorią względności masa powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni. Wielkim problemem w fizyce jest połączenie ogólnej teorii względności z teorią kwantową. D'ARCO EDITORI, Getty Images

W swojej kontrowersyjnej książce z 2006 roku „Kłopoty z fizyką: narodziny teorii strun, upadek nauki i co dalej” fizyk teoretyczny Lee Smolin wskazuje na „pięć wielkich problemów fizyki teoretycznej”.

Problem grawitacji kwantowej: Połącz ogólną teorię względności i teoria kwantowa w jedną teorię, która może twierdzić, że jest kompletną teorią natury. Podstawowe problemy mechaniki kwantowej: Rozwiąż problemy leżące u podstaw mechaniki kwantowej, albo nadając sens teorii w obecnej formie, albo wymyślając nową teorię, która ma sens. Unifikacja cząstek i sił: Określ, czy różne cząstki i siły można zjednoczyć w teorii, która wyjaśnia je wszystkie jako przejawy jednego, podstawowego bytu. Problem ze strojeniem: Wyjaśnij, w jaki sposób wartości stałych swobodnych w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych są wybierane w przyrodzie. Problem tajemnic kosmologicznych: Wyjaśnić Ciemna materia oraz ciemna energia . Lub, jeśli nie istnieją, ustal, jak i dlaczego grawitacja jest modyfikowana na dużą skalę. Mówiąc bardziej ogólnie, wyjaśnij, dlaczego stałe standardowego modelu kosmologii, w tym ciemna energia, mają takie same wartości.

Fizyka Problem 1: Problem Kwantowej Grawitacji

Grawitacja kwantowa to wysiłek w fizyce teoretycznej, aby stworzyć teorię, która obejmuje oba te elementy ogólna teoria względności oraz standardowy model fizyki cząstek elementarnych. Obecnie te dwie teorie opisują różne skale natury i próbują zbadać skalę, w której nakładają się na siebie, dając wyniki, które nie do końca mają sens, na przykład siła grawitacji (lub krzywizna czasoprzestrzeni) staje się nieskończona. (W końcu fizycy nigdy nie widzą prawdziwych nieskończoności w naturze i nie chcą!)

Problem fizyczny 2: Podstawowe problemy mechaniki kwantowej

Jeden problem ze zrozumieniem Fizyka kwantowa jest to, co leży u podstaw mechanizmu fizycznego. W fizyce kwantowej istnieje wiele interpretacji -- klasyczna interpretacja kopenhaska, kontrowersyjna Interpretacja wielu światów Hugh Everette II i jeszcze bardziej kontrowersyjne, takie jak Partycypacyjna zasada antropiczna . Pytanie, które pojawia się w tych interpretacjach, obraca się wokół tego, co faktycznie powoduje załamanie kwantowej funkcji falowej.

Większość współczesnych fizyków zajmujących się kwantową teorią pola nie uważa już tych kwestii interpretacji za istotne. Zasada dekoherencji jest dla wielu wyjaśnieniem – interakcja ze środowiskiem powoduje załamanie kwantowe. Co ważniejsze, fizycy są w stanie rozwiązywać równania, przeprowadzać eksperymenty i ćwiczyć fizykę bez rozwiązywanie pytań o to, co dokładnie się dzieje, na podstawowym poziomie, a więc większość fizyków nie chce zbliżać się do tych dziwacznych pytań z kijem o długości 20 stóp.

Fizyka Problem 3: Unifikacja cząstek i sił

Są cztery podstawowe siły fizyki , a standardowy model fizyki cząstek elementarnych obejmuje tylko trzy z nich (elektromagnetyzm, silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe). Grawitacja jest poza standardowym modelem. Próbując stworzyć jedną teorię, która łączy te cztery siły w jedną ujednolicona teoria pola jest głównym celem fizyki teoretycznej.

Ponieważ standardowym modelem fizyki cząstek elementarnych jest kwantowa teoria pola, to każda unifikacja będzie musiała uwzględniać grawitację jako kwantową teorię pola, co oznacza, że ​​rozwiązanie problemu 3 wiąże się z rozwiązaniem problemu 1.

Ponadto standardowy model fizyki cząstek elementarnych pokazuje wiele różnych cząstek – w sumie 18 cząstek elementarnych. Wielu fizyków uważa, że ​​fundamentalna teoria przyrody powinna mieć jakąś metodę unifikacji tych cząstek, więc są one opisywane bardziej fundamentalnymi terminami. Na przykład, teoria strun , najlepiej zdefiniowane z tych podejść, przewiduje, że wszystkie cząstki są różnymi trybami wibracji podstawowych włókien energii lub strun.

Problem fizyczny 4: Problem strojenia

A Fizyka teoretyczna model to matematyczne ramy, które w celu prognozowania wymagają ustawienia pewnych parametrów. W standardowym modelu fizyki cząstek parametry są reprezentowane przez 18 cząstek przewidzianych przez teorię, co oznacza, że ​​parametry są mierzone przez obserwację.

Niektórzy fizycy uważają jednak, że podstawowe zasady fizyczne teorii powinny określać te parametry niezależnie od pomiaru. To wzbudziło w przeszłości wiele entuzjazmu dla zunifikowanej teorii pola i wywołało słynne pytanie Einsteina: „Czy Bóg miał jakiś wybór, kiedy tworzył wszechświat?”. Czy właściwości wszechświata z natury określają formę wszechświata, ponieważ te właściwości po prostu nie będą działać, jeśli forma jest inna?

Odpowiedź na to wydaje się mocno skłaniać ku idei, że istnieje nie tylko jeden wszechświat, który można stworzyć, ale że istnieje szeroki wachlarz fundamentalnych teorii (lub różnych wariantów tej samej teorii, opartych na różnych parametrach fizycznych, oryginalnych stany energetyczne itd.), a nasz wszechświat jest tylko jednym z tych możliwych wszechświatów.

W tym przypadku pojawia się pytanie, dlaczego nasz wszechświat ma właściwości, które wydają się być tak precyzyjnie dostrojone, aby umożliwić istnienie życia. To pytanie nazywa się problem z dostrajaniem i zachęcił niektórych fizyków do zwrócenia się do zasada antropiczna dla wyjaśnienia, które dyktuje, że nasz wszechświat ma takie właściwości, jakie ma, ponieważ gdyby miał inne właściwości, nie byłoby nas tutaj, aby zadać to pytanie. (Głównym motywem książki Smolin jest krytyka tego punktu widzenia jako wyjaśnienia właściwości.)

Fizyka Problem 5: Problem tajemnic kosmologicznych

Wszechświat wciąż ma wiele tajemnic, ale te, które najbardziej dręczy fizyków, to ciemna materia i ciemna energia. Ten rodzaj materii i energii jest wykrywany przez wpływy grawitacyjne, ale nie można ich zaobserwować bezpośrednio, więc fizycy wciąż próbują ustalić, czym one są. Mimo to niektórzy fizycy zaproponowali alternatywne wyjaśnienia tych wpływów grawitacyjnych, które nie wymagają nowych form materii i energii, ale te alternatywy są niepopularne dla większości fizyków.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine