Fem store problemer i teoretisk fysikk

Uløste problemer i fysikk ifølge Lee Smolin

I følge generell relativitetsteori forårsaker masse krumning i rom-tid. Et stort problem i fysikk er å kombinere generell relativitetsteori med kvanteteori. D'ARCO EDITORI, Getty Images

I sin kontroversielle bok fra 2006 'The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next', påpeker den teoretiske fysikeren Lee Smolin 'fem store problemer i teoretisk fysikk.'

Problemet med kvantetyngdekraften: Kombiner generell relativitetsteori og kvanteteori til en enkelt teori som kan hevde å være den komplette teorien om naturen. De grunnleggende problemene med kvantemekanikk: Løs problemene i grunnlaget for kvantemekanikk, enten ved å forstå teorien slik den er eller ved å finne opp en ny teori som gir mening. Foreningen av partikler og krefter: Bestem om de ulike partiklene og kreftene kan forenes i en teori som forklarer dem alle som manifestasjoner av en enkelt, grunnleggende enhet. Tuning-problemet: Forklar hvordan verdiene til de frie konstantene i standardmodellen for partikkelfysikk er valgt i naturen. Problemet med kosmologiske mysterier: Forklare mørk materie og mørk energi . Eller, hvis de ikke eksisterer, avgjør hvordan og hvorfor tyngdekraften endres i store skalaer. Mer generelt, forklar hvorfor konstantene til standardmodellen for kosmologi, inkludert den mørke energien, har verdiene de har.

Fysikk Oppgave 1: Problemet med kvantetyngdekraften

Kvantegravitasjon er innsatsen i teoretisk fysikk for å lage en teori som inkluderer begge deler generell relativitetsteori og standardmodellen for partikkelfysikk. For tiden beskriver disse to teoriene forskjellige naturskalaer og forsøker å utforske skalaen der de overlapper, gir resultater som ikke helt gir mening, som at tyngdekraften (eller krumningen av romtiden) blir uendelig. (Tross alt, fysikere ser aldri virkelige uendeligheter i naturen, og de vil heller ikke det!)

Fysikkoppgave 2: Grunnproblemene til kvantemekanikk

Ett problem med forståelse kvantefysikk er hva den underliggende fysiske mekanismen er involvert. Det er mange tolkninger innen kvantefysikk -- den klassisk københavnertolkning, Hugh Everette IIs kontroversielle Many Worlds-tolkning, og enda mer kontroversielle som f.eks. Deltakende antropisk prinsipp . Spørsmålet som kommer opp i disse tolkningene dreier seg om hva som faktisk forårsaker sammenbruddet av kvantebølgefunksjonen.

De fleste moderne fysikere som jobber med kvantefeltteori anser ikke lenger disse tolkningsspørsmålene som relevante. Prinsippet om dekoherens er, for mange, forklaringen - samhandling med miljøet forårsaker kvantekollapsen. Enda mer signifikant er fysikere i stand til å løse ligningene, utføre eksperimenter og praktisere fysikk uten løse spørsmålene om hva som skjer på et grunnleggende nivå, og så de fleste fysikere ønsker ikke å komme i nærheten av disse bisarre spørsmålene med en 20 fots stang.

Fysikkoppgave 3: Foreningen av partikler og krefter

Det er fire grunnleggende krefter i fysikken , og standardmodellen for partikkelfysikk inkluderer bare tre av dem (elektromagnetisme, sterk kjernekraft og svak kjernekraft). Tyngdekraften er utelatt fra standardmodellen. Prøver å lage en teori som forener disse fire kreftene til en enhetlig feltteori er et hovedmål for teoretisk fysikk.

Siden standardmodellen for partikkelfysikk er en kvantefeltteori, vil enhver forening måtte inkludere gravitasjon som en kvantefeltteori, noe som betyr at løsning av oppgave 3 er forbundet med løsning av oppgave 1.

I tillegg viser standardmodellen for partikkelfysikk mange forskjellige partikler -- 18 fundamentale partikler i alt. Mange fysikere mener at en grunnleggende naturteori bør ha en metode for å forene disse partiklene, så de er beskrevet i mer fundamentale termer. For eksempel, strengteori , den mest veldefinerte av disse tilnærmingene, forutsier at alle partikler er forskjellige vibrasjonsmoduser av fundamentale energifilamenter, eller strenger.

Fysikkoppgave 4: Tuning-problemet

EN teoretisk fysikk modell er et matematisk rammeverk som, for å gjøre spådommer, krever at visse parametere er satt. I standardmodellen for partikkelfysikk er parametrene representert av de 18 partiklene som er forutsagt av teorien, noe som betyr at parametrene måles ved observasjon.

Noen fysikere mener imidlertid at grunnleggende fysiske prinsipper i teorien bør bestemme disse parameterne, uavhengig av måling. Dette motiverte mye av entusiasmen for en enhetlig feltteori i fortiden og utløste Einsteins berømte spørsmål 'Hadde Gud noe valg da han skapte universet?' Setter universets egenskaper iboende universets form, fordi disse egenskapene bare ikke vil fungere hvis formen er annerledes?

Svaret på dette ser ut til å lene seg sterkt mot ideen om at det ikke bare er ett univers som kan skapes, men at det finnes et bredt spekter av grunnleggende teorier (eller forskjellige varianter av samme teori, basert på forskjellige fysiske parametere, originale energitilstander, og så videre) og universet vårt er bare ett av disse mulige universene.

I dette tilfellet blir spørsmålet hvorfor universet vårt har egenskaper som ser ut til å være så finjustert for å tillate eksistensen av liv. Dette spørsmålet kalles finjusteringsproblem og har oppfordret noen fysikere til å henvende seg til antropisk prinsipp for en forklaring, som tilsier at universet vårt har de egenskapene det har fordi hvis det hadde forskjellige egenskaper, ville vi ikke vært her for å stille spørsmålet. (Et hovedtrekk i Smolins bok er kritikken av dette synspunktet som en forklaring på egenskapene.)

Fysikkoppgave 5: Problemet med kosmologiske mysterier

Universet har fortsatt en rekke mysterier, men de som de fleste irriterende fysikere er mørk materie og mørk energi. Denne typen materie og energi oppdages av gravitasjonspåvirkninger, men kan ikke observeres direkte, så fysikere prøver fortsatt å finne ut hva de er. Likevel har noen fysikere foreslått alternative forklaringer på disse gravitasjonspåvirkningene, som ikke krever nye former for materie og energi, men disse alternativene er upopulære for de fleste fysikere.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.