Fem stora problem inom teoretisk fysik

I sin kontroversiella bok från 2006 "Problemet med fysik: Strängeteoriens uppgång, vetenskapens fall, and What Comes Next ", påpekar teoretisk fysiker Lee Smolin" fem stora teoretiska problem fysik."

1. Problemet med kvanttyngd: Kombinera allmän relativitet och kvantteorin i en enda teori som kan påstås vara den kompletta naturteorin.
2. Kvantmekanikens grundläggande problem: Lös problemen i kvantmekanikens grunder, antingen genom att ge mening om teorin som den står eller genom att uppfinna en ny teori som är meningsfull.
3. Enheten av partiklar och krafter: Bestäm om de olika partiklarna och krafterna kan förenas i en teori som förklarar dem alla som manifestationer av en enda, grundläggande enhet.
4. Stämningsproblemet: Förklara hur värdena för de fria konstanterna i standardmodellen för partikelfysik väljs i naturen.
5. Problemet med kosmologiska mysterier: Förklara mörk materia och mörk energi. Eller, om de inte existerar, bestäm hur och varför tyngdkraften ändras på stora skalor. Mer generellt, förklara varför konstanterna i standardmodellen för kosmologi, inklusive den mörka energin, har de värden de gör.
   instagram viewer

Kvanttyngd är ansträngningen i teoretisk fysik att skapa en teori som inkluderar båda allmän relativitet och standardmodellen för partikelfysik. För närvarande beskriver dessa två teorier olika skalor av naturen och försöker utforska skalan där de är överlappar avkastningsresultat som inte riktigt är vettiga, som tyngdkraften (eller rymdtidens krökning) blir oändlig. (När allt kommer omkring ser fysiker aldrig riktiga oändligheter i naturen, och de vill inte heller!)

En fråga med förståelse kvantfysik är vad den bakomliggande fysiska mekanismen är. Det finns många tolkningar i kvantfysik - klassisk Köpenhamn tolkning, Hugh Everette II: s kontroversiella Many Worlds Tolkning, och ännu mer kontroversiella sådana som Deltagande antropiskt princip. Frågan som uppstår i dessa tolkningar handlar om vad som faktiskt orsakar kvantvågfunktionens kollaps.

De flesta moderna fysiker som arbetar med kvantfältteori anser inte längre dessa tolkningsfrågor vara relevanta. Principen för decoherence är för många förklaringen - interaktion med miljön orsakar kvantkollaps. Ännu mer påtagligt kan fysiker lösa ekvationerna, utföra experiment och utöva fysik utan lösa frågorna om vad som exakt händer på en grundläggande nivå, och så de flesta fysiker inte vill komma nära dessa bisarra frågor med en 20-fotstång.

Det finns fyra fysiska grundkrafteroch standardmodellen för partikelfysik innefattar endast tre av dem (elektromagnetism, stark kärnkraft och svag kärnkraft). Gravity lämnas utanför standardmodellen. Försöker skapa en teori som förenar dessa fyra krafter till en enhetlig fältteori är ett huvudmål för teoretisk fysik.

Eftersom standardmodellen för partikelfysik är en kvantfältteori, måste alla föreningar behöva inkludera tyngdkraft som en kvantfältteori, vilket innebär att lösa problem 3 är kopplat till lösningen av problem 1.

Dessutom visar standardmodellen för partikelfysik många olika partiklar - 18 grundläggande partiklar i alla. Många fysiker tror att en grundläggande naturteori bör ha någon metod för att förena dessa partiklar, så de beskrivs i mer grundläggande termer. Till exempel, strängteorin, den mest väl definierade av dessa tillvägagångssätt, förutspår att alla partiklar är olika vibrationslägen för grundläggande energifilament eller strängar.

EN teoretisk fysik modell är en matematisk ram som, för att göra förutsägelser, kräver att vissa parametrar ställs in. I standardmodellen för partikelfysik representeras parametrarna av de 18 partiklarna som förutses av teorin, vilket innebär att parametrarna mäts genom observation.

Vissa fysiker menar dock att grundläggande fysiska principer i teorin bör bestämma dessa parametrar, oberoende av mätning. Detta motiverade mycket av entusiasmen för en enhetlig fältteori tidigare och väckte Einsteins berömda fråga "Hade Gud något val när han skapade universum? "Ställer universums egenskaper naturligt upp universums form, eftersom dessa egenskaper bara inte fungerar om formen är annorlunda?

Svaret på detta verkar luta starkt mot idén att det inte bara finns ett universum som kan skapas, utan att det finns ett brett spektrum av grundläggande teorier (eller olika varianter av samma teori, baserade på olika fysiska parametrar, ursprungliga energitillstånd osv.) och vårt universum är bara en av dessa möjliga universum.

I detta fall blir frågan varför vårt universum har egenskaper som verkar vara så fininställda för att möjliggöra livets existens. Denna fråga kallas finjustera problemet och har befordrat vissa fysiker att vända sig till antropisk princip för en förklaring, som dikterar att vårt universum har de egenskaper som det gör för om det hade olika egenskaper, skulle vi inte vara här för att ställa frågan. (En viktig del av Smolins bok är kritiken av denna synvinkel som en förklaring av egenskaperna.)

Universumet har fortfarande ett antal mysterier, men de som de flesta fysiska fysiker är mörk materia och mörk energi. Denna typ av materia och energi upptäcks av dess gravitationspåverkan, men kan inte observeras direkt, så fysiker försöker fortfarande ta reda på vad de är. Fortfarande har vissa fysiker föreslagit alternativa förklaringar till dessa gravitationspåverkan, som inte kräver nya former av materia och energi, men dessa alternativ är inte populära för de flesta fysiker.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph. D.