Fem store problemer i teoretisk fysik

I sin kontroversielle bog fra 2006 "Problemet med fysik: stigeteoriens stigning, videnskabens fald, og Hvad kommer dernæst ", påpeger teoretisk fysiker Lee Smolin" fem store teoretiske problemer fysik."

1. Problemet med kvantetyngdekraft: Kombiner generel relativitet og kvante teori ind i en enkelt teori, der kan hævde at være den komplette naturteori.
2. Kvantemekanikens grundlæggende problemer: Løs problemerne i kvantemekanikens fundament, enten ved at give mening om teorien, som den står, eller ved at opfinde en ny teori, der giver mening.
3. Enheden om partikler og kræfter: Bestem, om de forskellige partikler og kræfter kan forenes i en teori, der forklarer dem alle som manifestationer af en enkelt, grundlæggende enhed.
4. Indstillingsproblemet: Forklar, hvordan værdierne af de frie konstanter i standardmodellen for partikelfysik vælges i naturen.
5. Problemet med kosmologiske mysterier: Forklare mørkt stof og mørk energi. Eller, hvis de ikke eksisterer, skal du bestemme, hvordan og hvorfor tyngdekraften ændres i store skalaer. Mere generelt, forklar, hvorfor konstanterne i standardmodellen for kosmologi, inklusive den mørke energi, har de værdier, de gør.
   instagram viewer

Kvantetyngdekraft er indsatsen i teoretisk fysik for at skabe en teori, der inkluderer begge dele generel relativitet og standardmodellen for partikelfysik. I øjeblikket beskriver disse to teorier forskellige skalaer i naturen og forsøger at udforske skalaen, hvor de er overlapper udbytteresultater, der ikke helt giver mening, som tyngdekraften (eller rumtids krumning) bliver uendelig. (Når alt kommer til alt ser fysikere aldrig rigtige uendeligheder i naturen, og de vil heller ikke!)

Et problem med forståelse kvantefysik er, hvad den underliggende fysiske mekanisme er involveret. Der er mange fortolkninger i kvantefysik - the klassisk københavnsfortolkning, Hugh Everette IIs kontroversielle tolkning af mange verdener og endnu mere kontroversielle som f.eks Deltagende antropisk princip. Spørgsmålet, der kommer op i disse fortolkninger, drejer sig om, hvad der faktisk forårsager sammenbruddet af kvantebølgefunktionen.

De fleste moderne fysikere, der arbejder med kvantefeltteori, betragter ikke længere disse fortolkningsspørgsmål som relevante. Princippet om afkohærens er for mange forklaringen - interaktion med miljøet forårsager kvantefaldet. Endnu mere markant er fysikere i stand til at løse ligningerne, udføre eksperimenter og praktisere fysik uden at løse spørgsmålene om, hvad der præcist sker på et grundlæggende niveau, og så de fleste fysikere ikke ønsker at komme nær disse bisarre spørgsmål med en 20-fods pol.

Der er fire fysiske kræfter, og standardmodellen for partikelfysik inkluderer kun tre af dem (elektromagnetisme, stærk atomkraft og svag kernekraft). Tyngdekraften udelades fra standardmodellen. Forsøger at skabe en teori, der forener disse fire kræfter til en samlet feltteori er et hovedmål for teoretisk fysik.

Da standardmodellen for partikelfysik er en kvantefeltteori, er enhver forening nødt til det inkluderer tyngdekraft som en kvantefeltteori, hvilket betyder, at løsning af problem 3 er forbundet med løsningen af problem 1.

Derudover viser standardmodellen for partikelfysik en masse forskellige partikler - i alt 18 grundlæggende partikler. Mange fysikere mener, at en grundlæggende teori om naturen bør have en metode til at forene disse partikler, så de beskrives i mere grundlæggende termer. For eksempel, strengteori, den mest veldefinerede af disse fremgangsmåder, forudser, at alle partikler er forskellige vibrationsformer for grundlæggende filamenter af energi eller strenge.

EN teoretisk fysik model er en matematisk ramme, der kræver, at bestemte parametre indstilles for at kunne forudsige. I standardmodellen for partikelfysik er parametrene repræsenteret ved de 18 partikler, der er forudsagt af teorien, hvilket betyder, at parametrene måles ved observation.

Nogle fysikere mener imidlertid, at teoriens grundlæggende fysiske principper bør bestemme disse parametre uafhængigt af måling. Dette motiverede meget af entusiasmen for en samlet feltteori i fortiden og udløste Einsteins berømte spørgsmål "Har Gud noget valg, da han skabte universet? ”Angiver universets egenskaber iboende universets form, fordi disse egenskaber bare ikke fungerer, hvis formen er forskellige?

Svaret på dette ser ud til at læne sig stærkt mod tanken om, at der ikke kun er et univers, der kan skabes, men at der er en bred vifte af grundlæggende teorier (eller forskellige varianter af den samme teori, baseret på forskellige fysiske parametre, originale energitilstander osv.) og vores univers er bare en af ​​disse mulige universer.

I dette tilfælde bliver spørgsmålet, hvorfor vores univers har egenskaber, der ser ud til at være så fint indstillede til at give mulighed for livets eksistens. Dette spørgsmål kaldes finjusteringsproblem og har fremmet nogle fysikere til at henvende sig til antropisk princip til en forklaring, som dikterer, at vores univers har de egenskaber, det gør, fordi hvis det havde forskellige egenskaber, ville vi ikke være her for at stille spørgsmålet. (Et væsentligt træk i Smolins bog er kritikken af ​​dette synspunkt som en forklaring af egenskaberne.)

Universet har stadig et antal mysterier, men de fleste af de fysiske fysikere er mørk stof og mørk energi. Denne type stof og energi detekteres af dens tyngdepåvirkninger, men kan ikke observeres direkte, så fysikere forsøger stadig at finde ud af, hvad de er. Stadigvis har nogle fysikere foreslået alternative forklaringer på disse tyngdepåvirkninger, der ikke kræver nye former for stof og energi, men disse alternativer er upopulære for de fleste fysikere.

Redigeret af Anne Marie Helmenstine, ph.d.