Pet velikih problema teorijske fizike

U svojoj kontroverznoj knjizi iz 2006. "Problemi s fizikom: porast teorije struna, pad znanosti, i Što slijedi sljedeće ", teorijski fizičar Lee Smolin ističe" pet velikih problema u teoretskom fizika."

1. Problem kvantne gravitacije: Kombinirajte opću relativnost i kvantna teorija u jedinstvenu teoriju za koju se može tvrditi da je potpuna teorija prirode.
2. Temeljni problemi kvantne mehanike: Riješite probleme u osnovama kvantne mehanike, bilo smislom teorije kakva stoji ili izumom nove teorije koja ima smisla.
3. Ujedinjenje čestica i sila: Utvrditi mogu li se razne čestice i sile objediniti u teoriji koja ih sve objašnjava kao manifestacije jedne, temeljne cjeline.
4. Problem sa ugađanjem: Objasnite kako se vrijednosti prirodnih konstanti u standardnom modelu fizike čestica odabiru u prirodi.
5. Problem kozmoloških misterija: Objasnite tamna materija i tamna energija. Ili, ako ne postoje, odredite kako i zašto se gravitacija mijenja na velikim skalama. Općenitije, objasnite zašto konstante standardnog modela kozmologije, uključujući tamnu energiju, imaju svoje vrijednosti.

Kvantna gravitacija je napor u teorijskoj fizici za stvaranje teorije koja uključuje oboje opća relativnost i standardni model fizike čestica. Trenutno, ove dvije teorije opisuju različite ljestvice prirode i pokušavaju istražiti razmjere gdje su rezultati preklapanja prinosa koji nemaju sasvim smisla, poput sile gravitacije (ili zakrivljenosti prostora) beskonačan. (Uostalom, fizičari nikada ne vide stvarne beskonačnosti u prirodi, niti to žele!)

Jedno pitanje s razumijevanjem kvantna fizika je ono što je temeljni fizički mehanizam koji je u pitanju. U kvantnoj fizici postoji mnogo interpretacija klasična kopenhagenska interpretacija, Kontroverzna interpretacija Mnogo svjetova Hugh Everette II., I još kontroverznija poput Antropijsko načelo sudjelovanja. Pitanje koje se postavlja u tim tumačenjima vrti se oko onoga što zapravo uzrokuje kolaps kvantne valne funkcije.

Većina modernih fizičara koji rade s teorijom kvantnog polja više ne smatraju ova pitanja tumačenja relevantnima. Načelo dekoherencije mnogima je objašnjenje - interakcija s okolinom uzrokuje kvantni kolaps. Što je još značajnije, fizičari su u stanju riješiti jednadžbe, izvoditi eksperimente i vježbati fiziku bez rješavajući pitanja o onome što se točno događa na temeljnoj razini, i tako se većina fizičara ne želi približiti tim bizarnim pitanjima sa stupom od 20 stopa.

Tamo su četiri temeljne sile fizike, a standardni model fizike čestica uključuje samo tri od njih (elektromagnetizam, jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila). Gravitacija je izostavljena od standardnog modela. Pokušavajući stvoriti jednu teoriju koja objedinjuje ove četiri sile u jedno jedinstvena teorija polja glavni je cilj teorijske fizike.

Budući da je standardni model fizike čestica kvantna teorija polja, tada će to morati obaviti svako objedinjavanje uključuju gravitaciju kao kvantnu teoriju polja, što znači da je rješavanje problema 3 povezano s rješavanjem problem 1.

Pored toga, standardni model fizike čestica pokazuje puno različitih čestica - ukupno 18 osnovnih čestica. Mnogi fizičari smatraju da bi fundamentalna teorija prirode trebala imati neku metodu objedinjavanja tih čestica, pa su one opisane u temeljnijim crtama. Na primjer, teorija struna, najbolje definirani od ovih pristupa, predviđa da su sve čestice različiti vibracijski načini osnovnih niti energije ili struna.

teorijska fizika model je matematički okvir koji za predviđanje zahtijeva postavljanje određenih parametara. U standardnom modelu fizike čestica, parametri su predstavljeni sa 18 čestica predviđenih teorijom, što znači da se parametri mjere promatranjem.

Neki fizičari, međutim, smatraju da bi temeljni fizikalni principi teorije trebali odrediti ove parametre, neovisno o mjerenju. To je motiviralo velik dio entuzijazma za ujedinjenu teoriju polja u prošlosti i potaknulo Einsteinovo glasovito pitanje "Je li Bog imao izbora kad je stvorio svemir? "Da li svojstva svemira svojstveno postavljaju oblik svemira, jer ta svojstva jednostavno neće raditi ako je oblik različit?

Čini se da se odgovor na to snažno naginje ideji da se ne može stvoriti samo jedan svemir, već postoji i širok raspon temeljnih teorije (ili različite varijante iste teorije, temeljene na različitim fizičkim parametrima, izvornim energetskim stanjima i tako dalje), a naš svemir je samo jedna od tih mogućih svemira.

U ovom slučaju postavlja se pitanje zašto naš svemir ima svojstva koja su izgleda fino podešena da omoguće postojanje života. To se pitanje naziva problem finog podešavanja i potaknuo je neke fizičare da se okrenu antropski princip za objašnjenje koje diktira da naš svemir ima svojstva koja ima, jer da ima različita svojstva, mi ne bismo bili ovdje da postavimo pitanje. (Glavni pomak Smolinove knjige je kritika ovog stajališta kao objašnjenja svojstava.)

Svemir još uvijek ima niz misterija, ali one koje većina vedri fizičari čine tamna tvar i tamna energija. Ova vrsta materije i energije detektira se njezinim gravitacijskim utjecajima, ali ih se ne može izravno promatrati, pa fizičari i dalje pokušavaju shvatiti što su. Ipak, neki fizičari su predložili alternativna objašnjenja ovih gravitacijskih utjecaja, koji ne zahtijevaju nove oblike materije i energije, ali ove su alternative većini nepopularne fizičari.

Uredio Anne Marie Helmenstine, dr. Sc.