Pięć wielkich problemów w fizyce teoretycznej

W swojej kontrowersyjnej książce z 2006 roku „The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science” and What Comes Next ”, fizyk teoretyczny Lee Smolin wskazuje na„ pięć wielkich problemów teoretycznych fizyka."

1. Problem grawitacji kwantowej: Połącz ogólną teorię względności i teoria kwantowa w jedną teorię, która może pretendować do pełnej teorii natury.
2. Podstawowe problemy mechaniki kwantowej: Rozwiąż problemy leżące u podstaw mechaniki kwantowej, albo poprzez zrozumienie teorii w jej obecnym kształcie, albo przez wymyślenie nowej teorii, która ma sens.
3. Zjednoczenie cząstek i sił: Ustal, czy różne cząstki i siły mogą zostać zjednoczone w teorii, która tłumaczy je wszystkie jako przejawy jednego, fundamentalnego bytu.
4. Problem strojenia: Wyjaśnij, w jaki sposób w naturze wybiera się wartości stałych stałych w standardowym modelu fizyki cząstek.
5. Problem tajemnic kosmologicznych: Wyjaśnić Ciemna materia i ciemna energia. Lub, jeśli nie istnieją, określ, w jaki sposób i dlaczego grawitacja jest modyfikowana na dużą skalę. Mówiąc bardziej ogólnie, wyjaśnij, dlaczego stałe standardowego modelu kosmologii, w tym ciemna energia, mają wartości, które mają.
   instagram viewer

Grawitacja kwantowa jest wysiłkiem fizyki teoretycznej, aby stworzyć teorię obejmującą oba te elementy ogólna teoria względności oraz standardowy model fizyki cząstek. Obecnie te dwie teorie opisują różne skale przyrody i próbują zbadać skalę tam, gdzie one nakładają się na wyniki, które nie mają większego sensu, takie jak siła grawitacji (lub krzywizna czasoprzestrzeni) nieskończony. (W końcu fizycy nigdy nie widzą prawdziwych nieskończoności w naturze, ani też nie chcą!)

Jeden problem ze zrozumieniem Fizyka kwantowa jest tym, czym jest zaangażowany mechanizm fizyczny. W fizyce kwantowej istnieje wiele interpretacji - klasyczna interpretacja kopenhaska, Kontrowersyjna interpretacja wielu światów Hugh Everette'a II, a nawet bardziej kontrowersyjna, taka jak Partycypacyjna zasada antropiczna. Pytanie, które pojawia się w tych interpretacjach, dotyczy tego, co faktycznie powoduje załamanie funkcji fali kwantowej.

Większość współczesnych fizyków pracujących z kwantową teorią pola nie uważa już tych pytań interpretacyjnych za istotne. Zasada dekoherencji jest dla wielu wyjaśnieniem - interakcja ze środowiskiem powoduje rozpad kwantowy. Co ważniejsze, fizycy potrafią rozwiązywać równania, przeprowadzać eksperymenty i ćwiczyć fizykę bez rozwiązując pytania o to, co dokładnie dzieje się na poziomie podstawowym, a więc większość fizyków nie chce zbliżyć się do tych dziwnych pytań za pomocą bieguna o długości 20 stóp.

Tam są cztery podstawowe siły fizyki, a standardowy model fizyki cząstek obejmuje tylko trzy z nich (elektromagnetyzm, silną siłę jądrową i słabą siłę jądrową). Grawitacja pozostaje poza standardowym modelem. Próba stworzenia jednej teorii, która łączy te cztery siły w jeden ujednolicona teoria pola jest głównym celem fizyki teoretycznej.

Ponieważ standardowym modelem fizyki cząstek jest kwantowa teoria pola, każde ujednolicenie będzie musiało uwzględnij grawitację jako kwantową teorię pola, co oznacza, że ​​rozwiązanie problemu 3 wiąże się z rozwiązaniem problem 1.

Ponadto standardowy model fizyki cząstek pokazuje wiele różnych cząstek - w sumie 18 cząstek podstawowych. Wielu fizyków uważa, że ​​podstawowa teoria przyrody powinna mieć jakąś metodę ujednolicenia tych cząstek, dlatego są one opisywane bardziej fundamentalnymi terminami. Na przykład, teoria strun, najlepiej zdefiniowane z tych podejść, przewiduje, że wszystkie cząstki są różnymi modami wibracyjnymi podstawowych włókien energii lub łańcuchów.

ZA Fizyka teoretyczna model jest strukturą matematyczną, która do prognozowania wymaga ustawienia określonych parametrów. W standardowym modelu fizyki cząstek parametry są reprezentowane przez 18 cząstek przewidywanych przez teorię, co oznacza, że ​​parametry są mierzone przez obserwację.

Jednak niektórzy fizycy uważają, że podstawowe fizyczne zasady teorii powinny określać te parametry, niezależnie od pomiaru. To motywowało wiele entuzjazmu do ujednoliconej teorii pola w przeszłości i wywołało słynne pytanie Einsteina: „Czy Bóg miał jakiś wybór, kiedy stworzył wszechświat? ”Czy właściwości wszechświata z natury określają formę wszechświata, ponieważ te właściwości po prostu nie zadziałają, jeśli forma jest różne?

Odpowiedź na to pytanie wydaje się silnie skłaniać ku idei, że istnieje nie tylko jeden wszechświat, który można stworzyć, ale że istnieje szeroki zakres fundamentalnych teorie (lub różne warianty tej samej teorii, oparte na różnych parametrach fizycznych, oryginalnych stanach energii itd.), a nasz wszechświat jest tylko jednym z tych możliwych wszechświaty.

W tym przypadku pojawia się pytanie, dlaczego nasz wszechświat ma właściwości, które wydają się tak precyzyjnie dostrojone, aby umożliwić istnienie życia. To pytanie nazywa się problem z dostrajaniem i zachęcił niektórych fizyków do zwrócenia się do zasada antropiczna dla wyjaśnienia, które dyktuje, że nasz wszechświat ma właściwości, które ma, ponieważ gdyby miał inne właściwości, nie byłoby nas tutaj, aby zadać pytanie. (Głównym celem książki Smolina jest krytyka tego punktu widzenia jako wyjaśnienia właściwości).

Wszechświat wciąż ma wiele tajemnic, ale najbardziej dokuczliwymi fizykami są ciemna materia i ciemna energia. Ten rodzaj materii i energii jest wykrywany przez wpływy grawitacyjne, ale nie można go zaobserwować bezpośrednio, więc fizycy wciąż próbują dowiedzieć się, czym są. Mimo to niektórzy fizycy zaproponowali alternatywne wyjaśnienia tych wpływów grawitacyjnych, które nie wymagają nowych form materii i energii, ale te alternatywy nie są popularne dla większości fizycy.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine