Pět velkých problémů v teoretické fyzice

Ve své kontroverzní knize 2006 „Problémy s fyzikou: Vzestup strunové teorie, pád vědy“, and What Com Next Next ", teoretický fyzik Lee Smolin zdůrazňuje" pět velkých problémů teoreticky fyzika."

1. Problém kvantové gravitace: Kombinujte obecnou relativitu a kvantová teorie do jediné teorie, která může tvrdit, že je úplnou teorií přírody.
2. Základní problémy kvantové mechaniky: Řešte problémy v základech kvantové mechaniky, ať už smyslem teorie, jak stojí, nebo vytvořením nové teorie, která dává smysl.
3. Sjednocení částic a sil: Určete, zda lze různé částice a síly sjednotit v teorii, která je všechny vysvětluje jako projevy jediné základní entity.
4. Problém ladění: Vysvětlete, jak jsou hodnoty volných konstant ve standardním modelu fyziky částic voleny v přírodě.
5. Problém kosmologických záhad: Vysvětlete temná hmota a temná energie. Nebo, pokud neexistují, určete, jak a proč se gravitace mění ve velkém měřítku. Obecněji vysvětlete, proč mají konstanty standardního kosmologického modelu, včetně temné energie, hodnoty, které mají.

Kvantová gravitace je snaha teoretické fyziky vytvořit teorii, která zahrnuje obě obecná relativita a standardní model fyziky částic. V současné době tyto dvě teorie popisují různé stupnice přírody a snaží se prozkoumat měřítko, kde jsou výsledky překrývání výnosů, které úplně nedávají smysl, jako se stává gravitační síla (nebo zakřivení časoprostoru) nekonečný. (Koneckonců, fyzici nikdy nevidí skutečnou nekonečnost v přírodě, ani to nechtějí!)

Jeden problém s porozuměním kvantová fyzika je to, co je základním fyzickým mechanismem. V kvantové fyzice existuje mnoho interpretací - klasická kodaňská interpretace, Hugh Everette II je kontroverzní Mnoho světů interpretace, a ještě více kontroverzní ty, jako je Participativní antropický princip. Otázka, která se objevuje v těchto interpretacích, se točí kolem toho, co ve skutečnosti způsobuje kolaps kvantové vlnové funkce.

Většina moderních fyziků, kteří pracují s kvantovou teorií pole, již tyto otázky interpretace nepovažuje za relevantní. Principem decoherence je pro mnohé vysvětlení - interakce s prostředím způsobuje kvantový kolaps. Ještě důležitější je, že fyzici jsou schopni řešit rovnice, provádět experimenty a praktikovat fyziku bez vyřešení otázek o tom, co přesně se děje na základní úrovni, a tak většina fyziků se nechce přiblížit k těmto bizarním otázkám pomocí 20-stopové tyče.

Existují čtyři základní fyzikální sílya standardní model částicové fyziky zahrnuje pouze tři z nich (elektromagnetismus, silná jaderná síla a slabá jaderná síla). Gravitace je vynechána ze standardního modelu. Snaží se vytvořit jednu teorii, která sjednocuje tyto čtyři síly do a sjednocená teorie pole je hlavním cílem teoretické fyziky.

Protože standardní model fyziky částic je kvantová teorie pole, bude muset jakékoli sjednocení muset zahrnují gravitaci jako teorii kvantového pole, což znamená, že řešení problému 3 je spojeno s řešením problém 1.

Kromě toho standardní model fyziky částic ukazuje mnoho různých částic - celkem 18 základních částic. Mnoho fyziků věří, že základní teorie přírody by měla mít nějakou metodu sjednocení těchto částic, takže jsou popsány v základních pojmech. Například, teorie strun, nejpřesněji definovaný z těchto přístupů, předpovídá, že všechny částice jsou různé vibrační režimy základních vláken energie nebo řetězců.

A teoretická fyzika model je matematický rámec, který pro vytváření předpovědí vyžaduje nastavení určitých parametrů. Ve standardním modelu fyziky částic jsou parametry představovány 18 částicemi předpovězenými teorií, což znamená, že parametry jsou měřeny pozorováním.

Někteří fyzici se však domnívají, že základní fyzikální principy teorie by měly tyto parametry určovat nezávisle na měření. Toto motivovalo hodně nadšení pro sjednocenou teorii pole v minulosti a vyvolalo Einsteinovu slavnou otázku „Měl Bůh na výběr, když vytvořil vesmír? “Stanovují vlastnosti vesmíru neodmyslitelně formu vesmíru, protože tyto vlastnosti prostě nebudou fungovat, pokud je forma odlišný?

Odpověď na tuto otázku se zdá být silně nakloněna myšlence, že není možné vytvořit pouze jeden vesmír, ale že existuje celá řada základních teorie (nebo různé varianty stejné teorie, založené na různých fyzikálních parametrech, původních energetických stavech atd.) a náš vesmír je jen jednou z těchto možných vesmíry.

V tomto případě se stává otázkou, proč má náš vesmír vlastnosti, které se zdají být tak jemně vyladěny, aby umožňovaly existenci života. Tato otázka se nazývá problém doladění a povýšil některé fyziky, aby se obrátili na antropický princip pro vysvětlení, které diktuje, že náš vesmír má vlastnosti, které má, protože kdyby měl jiné vlastnosti, nebyli bychom tu, abychom si položili otázku. (Hlavním tahem Smolinovy ​​knihy je kritika tohoto pohledu jako vysvětlení vlastností.)

Vesmír má stále řadu záhad, ale ty, které nejvíce vexoví fyzici jsou temná hmota a temná energie. Tento druh hmoty a energie je detekován svými gravitačními vlivy, ale nelze je přímo pozorovat, takže se fyzici stále snaží zjistit, o co jde. Někteří fyzici přesto navrhli alternativní vysvětlení těchto gravitačních vlivů, které nevyžadují nové formy hmoty a energie, ale tyto alternativy jsou pro většinu nepopulární fyzici.

Editoval Anne Marie Helmenstine, Ph. D.