Pet velikih problemov v teoretični fiziki

Nerešeni problemi v fiziki po Lee Smolin

Po splošni relativnosti masa povzroča ukrivljenost prostora-časa. Eden od velikih problemov v fiziki je združevanje splošne teorije relativnosti s kvantno teorijo. D'ARCO EDITORI, Getty Images

V svoji kontroverzni knjigi iz leta 2006 'The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, Fall of a Science, and What Comes Next' teoretični fizik Lee Smolin izpostavi 'pet velikih problemov v teoretični fiziki.'

Problem kvantne gravitacije: Združite splošno relativnost in kvantna teorija v eno samo teorijo, ki lahko trdi, da je popolna teorija narave. Temeljni problemi kvantne mehanike: Rešite težave v temeljih kvantne mehanike, bodisi tako, da osmislite sedanjo teorijo ali tako, da izumite novo teorijo, ki je smiselna. Združevanje delcev in sil: Ugotovite, ali je mogoče različne delce in sile poenotiti v teoriji, ki jih vse pojasnjuje kot manifestacije ene same temeljne entitete. Težava z uglaševanjem: Pojasnite, kako so vrednosti prostih konstant v standardnem modelu fizike delcev izbrane v naravi. Problem kozmoloških skrivnosti: Razloži temna snov in temna energija . Ali pa, če ne obstajajo, ugotovite, kako in zakaj se gravitacija spreminja v velikih merilih. Na splošno pojasnite, zakaj imajo konstante standardnega modela kozmologije, vključno s temno energijo, takšne vrednosti, kot jih imajo.

Fizikalna težava 1: Problem kvantne gravitacije

Kvantna gravitacija je prizadevanje teoretične fizike za ustvarjanje teorije, ki vključuje oboje splošna relativnost in standardni model fizike delcev. Trenutno ti dve teoriji opisujeta različne lestvice narave in poskušata raziskati lestvico, kjer se prekrivata, dajeta rezultate, ki nimajo povsem smisla, na primer sila gravitacije (ali ukrivljenost prostor-časa), ki postane neskončna. (Navsezadnje fiziki nikoli ne vidijo prave neskončnosti v naravi, niti nočejo!)

Fizikalni problem 2: Temeljni problemi kvantne mehanike

Ena težava z razumevanjem kvantna fizika je vpleten osnovni fizični mehanizem. V kvantni fiziki obstaja veliko interpretacij -- klasična köbenhavnska interpretacija, Kontroverzna interpretacija mnogih svetov Hugha Everetteja II in še bolj kontroverzne, kot je Participativno antropično načelo . Vprašanje, ki se pojavi v teh interpretacijah, se vrti okoli tega, kaj dejansko povzroči propad kvantne valovne funkcije.

Večina sodobnih fizikov, ki se ukvarjajo s kvantno teorijo polja, ne meni več, da so ta vprašanja interpretacije pomembna. Načelo dekoherence je za mnoge razlaga -- interakcija z okoljem povzroči kvantni kolaps. Še pomembneje je, da lahko fiziki rešujejo enačbe, izvajajo poskuse in vadijo fiziko brez reševanje vprašanj, kaj točno se dogaja na temeljni ravni, zato se večina fizikov ne želi približati tem bizarnim vprašanjem z 20-metrskim drogom.

Fizikalni problem 3: Združevanje delcev in sil

obstajajo štiri temeljne sile fizike , standardni model fizike delcev pa vključuje samo tri izmed njih (elektromagnetizem, močno jedrsko silo in šibko jedrsko silo). Gravitacija je izpuščena iz standardnega modela. Poskus ustvariti eno teorijo, ki združuje te štiri sile v a enotna teorija polja je glavni cilj teoretične fizike.

Ker je standardni model fizike delcev kvantna teorija polja, bo moralo vsako poenotenje vključevati gravitacijo kot kvantno teorijo polja, kar pomeni, da je reševanje problema 3 povezano z reševanjem problema 1.

Poleg tega standardni model fizike delcev prikazuje veliko različnih delcev -- skupaj 18 osnovnih delcev. Številni fiziki verjamejo, da bi temeljna teorija narave morala imeti neko metodo za poenotenje teh delcev, zato so opisani z bolj temeljnimi izrazi. na primer teorija strun , najbolj natančno definiran od teh pristopov, napoveduje, da so vsi delci različni načini nihanja osnovnih energijskih filamentov ali strun.

Fizikalna težava 4: Problem uglaševanja

A teoretična fizika model je matematični okvir, ki za izdelavo napovedi zahteva nastavitev določenih parametrov. V standardnem modelu fizike delcev so parametri predstavljeni z 18 delci, ki jih predvideva teorija, kar pomeni, da so parametri izmerjeni z opazovanjem.

Nekateri fiziki pa menijo, da bi morali temeljni fizikalni principi teorije določati te parametre, neodvisno od meritev. To je spodbudilo velik del navdušenja nad enotno teorijo polja v preteklosti in sprožilo Einsteinovo slavno vprašanje 'Ali je imel Bog kakšno izbiro, ko je ustvarjal vesolje?' Ali lastnosti vesolja same po sebi določajo obliko vesolja, ker te lastnosti preprosto ne bodo delovale, če je oblika drugačna?

Zdi se, da se odgovor na to močno nagiba k ideji, da ne obstaja samo eno vesolje, ki bi ga lahko ustvarili, ampak da obstaja širok nabor temeljnih teorij (ali različnih variant iste teorije, ki temeljijo na različnih fizikalnih parametrih, izvirnih energijska stanja in tako naprej) in naše vesolje je le eno od teh možnih vesolj.

V tem primeru se postavlja vprašanje, zakaj ima naše vesolje lastnosti, ki se zdijo tako natančno prilagojene, da omogočajo obstoj življenja. To vprašanje se imenuje problem natančne nastavitve in spodbudil nekatere fizike, da so se obrnili na antropično načelo za razlago, ki narekuje, da ima naše vesolje lastnosti, ki jih ima, ker če bi imelo drugačne lastnosti, ne bi bili tukaj, da bi postavili vprašanje. (Glavna usmeritev Smolinove knjige je kritika tega stališča kot razlage lastnosti.)

Fizikalni problem 5: Problem kozmoloških skrivnosti

Vesolje ima še vedno številne skrivnosti, a tisti, ki najbolj vznemirjata fizike, sta temna snov in temna energija. To vrsto materije in energije zaznava gravitacijski vpliv, vendar ju ni mogoče neposredno opazovati, zato fiziki še vedno poskušajo ugotoviti, kaj sta. Kljub temu so nekateri fiziki predlagali alternativne razlage za te gravitacijske vplive, ki ne zahtevajo novih oblik snovi in ​​energije, vendar so te alternative za večino fizikov nepriljubljene.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.