Cinci mari probleme în fizica teoretică

În controversata sa carte din 2006 „Problema cu fizica: teoria creșterii șirurilor, căderea unei științe, și Ce urmează ”, fizicianul teoretic Lee Smolin subliniază„ cinci mari probleme teoretice fizică."

1. Problema gravitației cuantice: Combinați relativitatea generală și teoria cuantica într-o singură teorie care se poate pretinde a fi teoria completă a naturii.
2. Problemele fundamentale ale mecanicii cuantice: Rezolvați problemele din fundamentele mecanicii cuantice, fie prin sensul teoriei așa cum este ea, fie inventând o nouă teorie care are sens.
3. Unificarea particulelor și a forțelor: Determinați dacă diversele particule și forțe pot fi unificate sau nu într-o teorie care le explică pe toate ca manifestări ale unei singure entități fundamentale.
4. Problema acordării: Explicați cum sunt alese în natură valorile constantelor libere din modelul standard al fizicii particulelor.
5. Problema misterelor cosmologice: Explica materie întunecată și energie întunecată. Sau, dacă acestea nu există, determinați cum și de ce este modificată gravitația pe scări mari. Mai general, explicați de ce constantele modelului standard de cosmologie, inclusiv energia întunecată, au valorile pe care le fac.
   instagram viewer

Greutatea cuantică este efortul în fizica teoretică de a crea o teorie care să includă ambele relativitate generală și modelul standard al fizicii particulelor. În prezent, aceste două teorii descriu diferite scale ale naturii și încearcă să exploreze scara unde se află rezultate de randament suprapuse care nu prea au sens, cum ar fi devenirea forței gravitației (sau a curburii spațiului) infinit. (Până la urmă, fizicienii nu văd niciodată infinități reale în natură și nici nu vor!)

O problemă cu înțelegerea fizică cuantică este ceea ce este mecanismul fizic de bază implicat. Există multe interpretări în fizica cuantică - interpretare clasică la Copenhaga, Cea mai controversată interpretare a multor lumi a lui Hugh Everette II și chiar mai controversate, cum ar fi Principiul antropic participativ. Întrebarea care apare în aceste interpretări se învârte în jurul a ceea ce determină de fapt prăbușirea funcției de undă cuantică.

Majoritatea fizicienilor moderni care lucrează cu teoria cuantică a câmpurilor nu mai consideră relevante aceste întrebări de interpretare. Principiul decidenței este, pentru mulți, explicația - interacțiunea cu mediul cauzează prăbușirea cuantică. Și mai semnificativ, fizicienii sunt capabili să rezolve ecuațiile, să efectueze experimente și să practice fizica fără rezolvarea întrebărilor despre ceea ce se întâmplă exact la un nivel fundamental și astfel majoritatea fizicienilor nu doresc să se apropie de aceste întrebări bizare cu un stâlp de 20 de metri.

Sunt patru forțe fundamentale ale fiziciiși modelul standard al fizicii particulelor include doar trei dintre ele (electromagnetism, forță nucleară puternică și forță nucleară slabă). Gravitatea este lăsată în afara modelului standard. Încercarea de a crea o teorie care unifică aceste patru forțe într-o teoria câmpului unificat este un obiectiv major al fizicii teoretice.

Deoarece modelul standard al fizicii particulelor este o teorie cuantică a câmpurilor, atunci orice unificare va trebui include gravitația ca teorie cuantică a câmpurilor, ceea ce înseamnă că rezolvarea problemei 3 este legată de rezolvarea problema 1.

În plus, modelul standard al fizicii particulelor arată o mulțime de particule diferite - 18 particule fundamentale în toate. Mulți fizicieni consideră că o teorie fundamentală a naturii ar trebui să aibă o anumită metodă de unificare a acestor particule, așa că sunt descrise în termeni mai fundamentali. De exemplu, teoria corzilor, cea mai bine definită dintre aceste abordări, prevede că toate particulele sunt moduri vibraționale diferite de filamente fundamentale de energie sau șiruri.

A fizica teoretica modelul este un cadru matematic care, pentru a face predicții, necesită setarea anumitor parametri. În modelul standard al fizicii particulelor, parametrii sunt reprezentați de cele 18 particule prezise de teorie, ceea ce înseamnă că parametrii sunt măsurați prin observație.

Unii fizicieni consideră însă că principiile fizice fundamentale ale teoriei ar trebui să determine acești parametri, independent de măsurare. Acest lucru a motivat o mare parte din entuziasmul pentru o teorie de câmp unificată în trecut și a stârnit faimoasa întrebare a lui Einstein "A avut Dumnezeu vreo alegere atunci când a creat universul? "Proprietățile universului stabilesc în mod inerent forma universului, deoarece aceste proprietăți nu vor funcționa dacă forma este diferit?

Răspunsul la acest lucru pare să se aplece puternic către ideea că nu există doar un singur univers care ar putea fi creat, ci că există o gamă largă de elemente fundamentale teoriile (sau diferite variante ale aceleiași teorii, bazate pe parametri fizici diferiți, stări energetice originale etc.) și universul nostru este doar unul dintre acestea posibile universuri.

În acest caz, întrebarea devine de ce universul nostru are proprietăți care par a fi atât de fin reglate încât să permită existența vieții. Această întrebare se numește problemă de reglare fină și a promovat unii fizicieni pentru a apela la principiu antropic pentru o explicație, care dictează că universul nostru are proprietățile pe care le face, deoarece, dacă ar avea proprietăți diferite, nu am fi aici să punem întrebarea. (O apăsare majoră a cărții lui Smolin este critica acestui punct de vedere ca o explicație a proprietăților.)

Universul are încă o serie de mistere, dar cele pe care cei mai mulți fizicieni vexeni sunt materia întunecată și energia întunecată. Acest tip de materie și energie este detectat de influențele sale gravitaționale, dar nu poate fi observat direct, așa că fizicienii încă încearcă să-și dea seama ce sunt. Totuși, unii fizicieni au propus explicații alternative pentru aceste influențe gravitaționale, care nu necesită forme noi de materie și energie, dar aceste alternative sunt nepopulare celor mai mulți fizicieni.

Editat de Anne Marie Helmenstine, Ph. D.