Päť veľkých problémov teoretickej fyziky

Vo svojej kontroverznej knihe z roku 2006 „Problémy s fyzikou: Teória povstania strún, pád vedy“, a „Čo bude ďalej“, teoretický fyzik Lee Smolin poukazuje na päť veľkých problémov teoreticky fyzika. "

1. Problém kvantovej gravitácie: Kombinujte všeobecnú relativitu a kvantová teória do jedinej teórie, ktorá môže tvrdiť, že je úplnou teóriou prírody.
2. Základné problémy kvantovej mechaniky: Vyriešiť problémy v základoch kvantovej mechaniky, a to buď zmyslom teórie v jej súčasnej podobe, alebo vytvorením novej teórie, ktorá dáva zmysel.
3. Zjednotenie častíc a síl: Určite, či môžu byť rôzne častice a sily zjednotené v teórii, ktorá ich všetky vysvetľuje ako prejavy jedinej základnej entity.
4. Problém ladenia: Vysvetlite, ako sa v prírode volia hodnoty voľných konštánt štandardného modelu fyziky častíc.
5. Problém kozmologických záhad: Vysvetlite temná hmota a temná energia. Alebo, ak neexistujú, určte, ako a prečo sa gravitácia vo veľkom meradle upravuje. Všeobecnejšie vysvetlite, prečo majú konštanty štandardného kozmologického modelu vrátane temnej energie hodnoty, ktoré majú.

Kvantová gravitácia je snaha teoretickej fyziky vytvoriť teóriu, ktorá obsahuje obidve všeobecná relativita a štandardný model fyziky častíc. V súčasnosti tieto dve teórie opisujú rôzne stupnice prírody a snažia sa preskúmať, kde sú výsledky prekrývania výnosov, ktoré nie sú úplne zmysluplné, ako napríklad gravitačná sila (alebo zakrivenie časopriestoru) nekonečný. (Koniec koncov, fyzici nikdy nevidia skutočné nekonečno v prírode, ani to nechcú!)

Jeden problém s porozumením kvantová fyzika je to, čo je základným fyzikálnym mechanizmom. V kvantovej fyzike existuje veľa interpretácií - klasická kodanská interpretácia, Hugh Everette II je kontroverzná interpretácia mnohých svetov a ešte kontroverznejšia, ako napríklad Participatívny antropický princíp. Otázka, ktorá sa objavuje v týchto interpretáciách, sa točí okolo toho, čo skutočne spôsobuje kolaps kvantovej vlnovej funkcie.

Väčšina moderných fyzikov, ktorí pracujú s teóriou kvantového poľa, už tieto interpretačné otázky nepovažuje za relevantné. Princípom dekherencie je pre mnohých vysvetlenie - interakcia s prostredím spôsobuje kvantový kolaps. Ešte dôležitejšie je, že fyzici sú schopní riešiť rovnice, vykonávať experimenty a precvičovať fyziku bez vyriešenie otázok o tom, čo sa presne deje na základnej úrovni, a tak väčšina fyzikov sa nechce priblížiť týmto bizarným otázkam pomocou 20-stopovej tyče.

Existujú štyri základné sily fyzikya štandardný model časticovej fyziky zahŕňa iba tri z nich (elektromagnetizmus, silná jadrová sila a slabá jadrová sila). Gravitácia je vynechaná zo štandardného modelu. Pokúsiť sa vytvoriť jednu teóriu, ktorá zjednocuje tieto štyri sily do a jednotná teória poľa je hlavným cieľom teoretickej fyziky.

Pretože štandardným modelom časticovej fyziky je teória kvantového poľa, akékoľvek zjednotenie bude musieť zahŕňajú gravitáciu ako teóriu kvantového poľa, čo znamená, že riešenie problému 3 je spojené s riešením problém 1.

Okrem toho štandardný model fyziky častíc ukazuje veľa rôznych častíc - celkovo 18 základných častíc. Mnohí fyzici sa domnievajú, že základná teória prírody by mala mať nejakú metódu zjednotenia týchto častíc, takže sú opísané v základných pojmoch. Napríklad, teória strún, najlepšie definovaný z týchto prístupov, predpovedá, že všetky častice sú rozdielnymi vibračnými režimami základných vlákien energie alebo reťazcov.

teoretická fyzika Model je matematický rámec, ktorý si vyžaduje predvídanie určitých parametrov. V štandardnom modeli fyziky častíc sú parametre reprezentované 18 časticami predpovedanými teóriou, čo znamená, že parametre sa merajú pozorovaním.

Niektorí fyzici sa však domnievajú, že základné fyzikálne princípy teórie by mali určovať tieto parametre nezávisle od merania. Toto motivovalo veľa entuziazmu pre zjednotenú teóriu poľa v minulosti a vyvolalo Einsteinovu slávnu otázku „Mal Boh na výber, keď on vytvoril vesmír? “Stanovujú vlastnosti vesmíru neodmysliteľne formu vesmíru, pretože tieto vlastnosti jednoducho nebudú fungovať, ak je forma inak?

Odpoveď na túto otázku sa zdá byť silne naklonená myšlienke, že nie je možné vytvoriť iba jeden vesmír, ale že existuje široká škála základných teórie (alebo rôzne varianty tej istej teórie, založené na rôznych fyzikálnych parametroch, pôvodných energetických stavoch atď.) a náš vesmír je len jednou z týchto možných vesmíry.

V tomto prípade sa stáva otázkou, prečo má náš vesmír vlastnosti, ktoré sa zdajú byť tak jemne vyladené, aby umožňovali existenciu života. Táto otázka sa nazýva problém doladenia a povýšil niektorých fyzikov, aby sa obrátili na antropický princíp pre vysvetlenie, ktoré diktuje, že náš vesmír má vlastnosti, ktoré má, pretože keby to malo odlišné vlastnosti, neboli by sme tu, aby sme si položili otázku. (Hlavným zámerom Smolinovej knihy je kritika tohto pohľadu ako vysvetlenie vlastností.)

Vesmír má stále niekoľko záhad, ale tie, ktoré sú väčšinou fyzikmi vexu, sú temná hmota a temná energia. Tento druh hmoty a energie je detekovaný jej gravitačnými vplyvmi, ale nemožno ich priamo pozorovať, takže fyzici sa stále snažia zistiť, o čo ide. Niektorí fyzici napriek tomu navrhli alternatívne vysvetlenia týchto gravitačných vplyvov, ktoré nevyžadujú nové formy hmoty a energie, ale tieto alternatívy sú pre väčšinu nepopulárne fyzici.

Upravil Anne Marie Helmenstine, Ph. D.