Pet velikih problemov teoretične fizike

V svoji kontroverzni knjigi iz leta 2006 "Težava s fiziko: vzpon teorije strun, padec znanosti, in Kaj sledi ", teoretični fizik Lee Smolin poudarja" pet velikih teoretičnih težav fizika. "

1. Problem kvantne gravitacije: Združite splošno relativnost in kvantna teorija v eno samo teorijo, ki lahko trdi, da je popolna teorija narave.
2. Temeljni problemi kvantne mehanike: Rešite težave v temeljih kvantne mehanike bodisi tako, da bi teorijo smiselno utemeljili, bodisi z izumom nove teorije, ki ima smisel.
3. Poenotenje delcev in sil: Določite, ali je mogoče različne delce in sile združiti v teoriji, ki pojasnjuje vse kot manifestacije ene same, temeljne celote.
4. Težava pri uglaševanju: Pojasnite, kako se v naravi izberejo vrednosti prostih konstant v standardnem modelu fizike delcev.
5. Problem kozmoloških skrivnosti: Pojasnite temna snov in temna energija. Če pa ne obstajajo, določite, kako in zakaj se gravitacija spreminja na velikih lestvicah. Na splošno pojasnite, zakaj imajo konstante standardnega modela kozmologije, vključno s temno energijo, vrednosti, ki jih imajo.

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 obseg, kjer sta rezultati prekrivanja pridelka, ki nimajo povsem smisla, kot je sila teže (ali ukrivljenost vesolja) neskončno. (Navsezadnje fiziki nikoli ne vidijo resničnih neskončnosti v naravi, niti tega ne želijo!)

Eno vprašanje z razumevanjem kvantna fizika je tisto, kar je osnovni fizični mehanizem. V kvantni fiziki je veliko razlag - the klasična kopenhagenska interpretacija, Sporna interpretacija Mnogo svetov, Hugh Everette II., In še bolj sporna, kot je Antropično načelo sodelovanja. Vprašanje, ki se pojavlja v teh interpretacijah, se vrti okoli tega, kaj dejansko povzroča propad kvantne valovne funkcije.

Večina sodobnih fizikov, ki delajo s kvantno teorijo polja, teh vprašanj interpretacije ne šteje za ustrezna. Načelo dekoherenčnosti je mnogim razlaga - interakcija z okoljem povzroči kvantni propad. Še pomembneje je, da so fiziki sposobni reševati enačbe, izvajati poskuse in izvajati fiziko brez reševanje vprašanj, kaj se točno dogaja na temeljni ravni, in tako večina fizikov ne želi približati teh bizarnih vprašanj z 20-metrskim drogom.

Obstajajo štiri temeljne sile fizikein standardni model fizike delcev vključuje le tri od njih (elektromagnetizem, močna jedrska sila in šibka jedrska sila). Gravitacija ne pušča običajnega modela. Poskuša 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 treba to storiti vključujejo gravitacijo kot kvantno teorijo polja, kar pomeni, da je reševanje problema 3 povezano z reševanjem problem 1.

Poleg tega standardni model fizike delcev prikazuje veliko različnih delcev - 18 osnovnih delcev. Številni fiziki menijo, da bi morala temeljna teorija narave imeti neko metodo združevanja teh delcev, zato so opisane v bolj temeljnih pogledih. Na primer teorija strun, najbolj natančno opredeljen od teh pristopov, napoveduje, da so vsi delci različni vibracijski načini osnovnih nitk energije ali strun.

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

Nekateri fiziki pa menijo, da morajo temeljni fizikalni principi teorije določiti te parametre, neodvisno od meritev. To je motiviralo veliko navdušenja nad enotno teorijo polja v preteklosti in sprožilo Einsteinovo znamenito vprašanje "Ali je imel Bog kaj izbire, ko je ustvarili vesolje? "Ali lastnosti vesolja svojstveno določijo obliko vesolja, ker te lastnosti preprosto ne bodo delovale, če je oblika drugačen?

Zdi se, da je odgovor na to močno nagnjen k ideji, da ni mogoče ustvariti samo enega vesolja, ampak da obstaja veliko temeljnih teorije (ali različne različice iste teorije, ki temeljijo na različnih fizikalnih parametrih, izvornih energetskih stanjih ipd.) in naše vesolje je le ena od teh možnih vesolji.

V tem primeru postane vprašanje, zakaj ima naše vesolje lastnosti, za katere se zdi, da so tako naravnane, da omogočajo obstoj življenja. To vprašanje se imenuje težava s fino nastavitvijo in spodbujal nekatere fizike, naj se obrnejo na antropično načelo za razlago, ki narekuje, da ima naše vesolje lastnosti, ki jih ima, ker če bi imel različne lastnosti, ne bi bili tu, da bi postavili vprašanje. (Glavni pomen Smolinove knjige je kritika tega vidika kot razlage lastnosti.)

Vesolje ima še vedno številne skrivnosti, toda tiste, ki jih večina vednih fizikov predstavlja, so temna snov in temna energija. To vrsto snovi in ​​energije zaznajo njeni gravitacijski vplivi, vendar jih ni mogoče neposredno opazovati, zato fiziki še vedno poskušajo ugotoviti, kaj so. Kljub temu nekateri fiziki predlagajo alternativna pojasnila za te gravitacijske vplive, ki ne zahtevajo novih oblik materije in energije, vendar so te alternative večini nepriljubljene fiziki.

Uredil Anne Marie Helmenstine, dr.