Öt nagy probléma az elméleti fizikában

A 2006-os vitatott könyvében "A fizika problémája: A vonósok elméletének emelkedése, a tudomány bukása" és a „What Comes Next”, az elméleti fizikus Lee Smolin rámutat: „öt nagy probléma az elméletben fizika."

1. A kvantum gravitáció problémája: Kombinálja az általános relativitáselméletet és a kvantum elmélet egyetlen elméletbe, amely azt állítja, hogy a természet teljes elmélete.
2. A kvantummechanika alapvető problémái: Oldja meg a problémákat a kvantummechanika alapjaiban, vagy úgy, hogy értelmezi a jelenlegi elméletet, vagy feltalál egy új elméletet, amelynek van értelme.
3. A részecskék és az erők egyesítése: Határozza meg, hogy a különféle részecskék és erők egyesíthetők-e egy elméletben, amely mindegyiket egyetlen alapvető entitás megnyilvánulásaiként magyarázza.
4. A hangolási probléma: Magyarázza el, hogy a részecskefizika standard modelljében a szabad állandók értékeit hogyan választják meg a természetben.
5. A kozmológiai rejtélyek problémája: Magyarázd el sötét anyag és sötét energia. Vagy ha nem léteznek, akkor határozza meg, hogyan és miért módosítja a gravitáció nagy léptékben. Általánosabban magyarázza el, hogy a kozmológia standard modelljének állandójai, beleértve a sötét energiát, miért rendelkeznek azokkal az értékekkel, amelyeket tesznek.
   instagram viewer

Kvantum gravitáció az elméleti fizika erőfeszítése egy olyan elmélet létrehozására, amely mindkettőt magában foglalja általános relativitáselmélet és a részecskefizika standard modellje. Jelenleg ez a két elmélet a természet különböző skáláit írja le, és megpróbálja feltárni a skálát, ahol vannak átfedik a hozam eredményeit, amelyeknek még nincs értelme, mint például a gravitációs erő (vagy a téridő görbülete) válása végtelen. (Végül is a fizikusok soha nem látnak valódi végtelenségeket a természetben, és nem akarják is!)

Az egyik kérdés a megértéssel kvantumfizika mi a mögöttes fizikai mechanizmus. A kvantumfizikában sok értelmezés létezik - a klasszikus koppenhágai értelmezés, Hugh Everette II ellentmondásos Sok világok értelmezése és még vitatottabbak, mint például a Részvételi antropikus elv. Az ezekben az értelmezésekben felmerülő kérdés azon a körül fordul, hogy mi okozza a kvantumhullám-működés összeomlását.

A legtöbb modern fizikus, akik kvantummező elmélettel dolgoznak, már nem tartják relevánsnak ezeket az értelmezési kérdéseket. A dekoherencia elve sok magyarázat - a környezettel való kölcsönhatás a kvantum összeomlását okozza. Még ennél is fontosabb, hogy a fizikusok képesek megoldani az egyenleteket, kísérleteket végezni és fizikát gyakorolni nélkül megoldani a kérdéseket, hogy mi történik alapvető szinten, és így a legtöbb fizikus nem akarja eljutni ezekhez a bizarr kérdésekhez egy 20 láb hosszú pólusával.

Vannak négy alapvető fizikai erő, és a részecskefizika szokásos modellje közül csak háromot tartalmaz (elektromágnesesség, erős nukleáris erő és gyenge atommag). A gravitáció ki van hagyva a standard modelltől. Megpróbál egy olyan elméletet létrehozni, amely a négy erőt egyesíti egységes teoretikus elmélet az elméleti fizika egyik fő célja.

Mivel a részecskefizika szokásos modellje kvantummező-elmélet, minden egyesítésnek ezt meg kell tennie tartalmazzák a gravitációt mint kvantummező-elméletet, ami azt jelenti, hogy a 3. feladat megoldása összekapcsolódik a 1. probléma

Ezenkívül a részecskefizika standard modellje sok különféle részecskét mutat - összesen 18 alapvető részecskét. Sok fizikus úgy véli, hogy a természet alapvető elméletének rendelkeznie kell valamilyen módszerrel ezeknek a részecskéknek az egyesítésére, így ezeket alapvetõbben írják le. Például, húrelmélet, ezeknek a megközelítéseknek a legmeghatározottabb, azt jósolja, hogy minden részecske az alapvető energiaszálak vagy húrok különböző rezgési módjai.

A elméleti fizika A modell egy matematikai keret, amely az előrejelzések elkészítéséhez bizonyos paraméterek beállítását igényli. A részecskefizika standard modelljében a paramétereket az elmélet által előrejelzett 18 részecske képviseli, ami azt jelenti, hogy a paramétereket megfigyeléssel mérik.

Egyes fizikusok azonban úgy vélik, hogy az elmélet alapvető fizikai alapelveinek meg kell határozniuk ezeket a paramétereket, a méréstől függetlenül. Ez ösztönözte az egységes terepi elmélet iránti lelkesedést a múltban, és felidézte Einstein híres kérdését: "Volt-e Istennek más választása, amikor létrehozta az univerzumot? "A világegyetem tulajdonságai beépítik-e a világegyetem formáját, mert ezek a tulajdonságok csak akkor nem működnek, ha az alak különböző?

Úgy tűnik, hogy a válasz erre az ötletre támaszkodik, hogy nem csak egy univerzumot lehet létrehozni, hanem hogy alapvető fontosságú elméletek (vagy ugyanazon elmélet különböző változatai, eltérő fizikai paramétereken, eredeti energiaállapotokon és így tovább) és univerzumunk csak egy a lehetséges univerzumok.

Ebben az esetben felmerül a kérdés, hogy mi univerzumunk olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek úgy tűnik, hogy olyan finoman be vannak hangolva, hogy lehetővé tegyék az élet létezését. Ezt a kérdést a finomhangoló probléma és egyes fizikusokat ösztönözte a antropikus elv magyarázatként, amely azt sugallja, hogy univerzumunknak megvannak a tulajdonságai, mert ha más tulajdonságokkal rendelkezne, akkor nem lennénk itt, hogy feltesszük a kérdést. (Smolin könyvének egyik legfontosabb vonzereje ezen szempont kritikája, mint a tulajdonságok magyarázata.)

Az univerzumban továbbra is számos rejtély található, de a legtöbb bosszantó fizikus a sötét anyag és a sötét energia. Az ilyen típusú anyagot és energiát gravitációs befolyásai észlelik, de közvetlenül nem lehet megfigyelni, ezért a fizikusok továbbra is megpróbálják kitalálni, hogy mi az. Ennek ellenére néhány fizikus alternatív magyarázatot javasolt ezekre a gravitációs hatásokra, amelyek nem igényelnek új anyag és energia formákat, de ezek az alternatívák a legtöbb számára népszerűtlen fizikusok.

Szerkesztette Anne Marie Helmenstine, Ph. D.