Fem store problemer i teoretisk fysikk

I sin kontroversielle bok fra 2006 "Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next ", påpeker teoretisk fysiker Lee Smolin" fem store problemer i teoretisk fysikk."

1. Problemet med kvantetyngdekraften: Kombiner generell relativitet og kvanteteori inn i en enkelt teori som kan hevde å være den komplette naturteorien.
2. Kvantemekanikkens grunnleggende problemer: Løs problemene i grunnlaget for kvantemekanikk, enten ved å gi mening om teorien slik den står eller ved å oppfinne en ny teori som gir mening.
3. Enhet av partikler og krefter: Bestem om de forskjellige partiklene og kreftene kan forenes i en teori som forklarer dem alle som manifestasjoner av en enkelt, grunnleggende enhet.
4. Tuningsproblemet: Forklar hvordan verdiene til de frie konstantene i standardmodellen for partikkelfysikk er valgt i naturen.
5. Problemet med kosmologiske mysterier: Forklare mørk materie og mørk energi. Eller, hvis de ikke eksisterer, kan du bestemme hvordan og hvorfor tyngdekraften blir endret på store skalaer. Mer generelt, forklar hvorfor konstantene i standardmodellen for kosmologi, inkludert den mørke energien, har verdiene de gjør.
   instagram viewer

Kvantevekt er innsatsen i teoretisk fysikk for å lage en teori som inkluderer begge deler generell relativitet og standardmodellen for partikkelfysikk. For øyeblikket beskriver disse to teoriene forskjellige skalaer i naturen og forsøker å utforske skalaen der de overlappende avkastningsresultater som ikke helt gir mening, som at tyngdekraften (eller romtids krumning) blir uendelig. (Når alt kommer til alt så ser fysikere aldri reelle uendeligheter i naturen, og de vil heller ikke!)

En sak med forståelse kvantefysikk er hva den underliggende fysiske mekanismen er involvert. Det er mange tolkninger i kvantefysikk - the klassisk København-tolkning, Hugh Everette IIs kontroversielle Many Worlds Tolkning, og enda mer kontroversielle som de Deltakende antropisk prinsipp. Spørsmålet som kommer opp i disse tolkningene dreier seg om hva som faktisk forårsaker sammenbruddet av kvantebølgefunksjonen.

De fleste moderne fysikere som arbeider med kvantefeltteori anser ikke lenger disse spørsmålene om tolkning som relevante. Prinsippet om koherens er for mange forklaringen - samhandling med miljøet forårsaker kvantekollaps. Enda mer betydelig er fysikere i stand til å løse likningene, utføre eksperimenter og praktisere fysikk uten å løse spørsmålene om hva som virkelig skjer på et grunnleggende nivå, og så de fleste fysikere ikke vil komme nær disse bisarre spørsmålene med en 20 fot lang stolpe.

Det er fire fysiske krefter, og standardmodellen for partikkelfysikk inkluderer bare tre av dem (elektromagnetisme, sterk kjernekraft og svak kjernekraft). Tyngdekraften utelates fra standardmodellen. Prøver å lage en teori som forener disse fire kreftene til en enhetlig feltteori er et hovedmål for teoretisk fysikk.

Siden standardmodellen for partikkelfysikk er en kvantefeltteori, vil enhver forening måtte inkludere tyngdekraft som kvantefeltteori, noe som betyr at å løse problem 3 er forbundet med løsningen av problem 1.

I tillegg viser standardmodellen for partikkelfysikk mye forskjellige partikler - 18 grunnleggende partikler i alt. Mange fysikere mener at en grunnleggende naturteori bør ha en metode for å forene disse partiklene, slik at de blir beskrevet i mer grunnleggende termer. For eksempel, strengteori, den mest veldefinerte av disse tilnærmingene, spår at alle partikler er forskjellige vibrasjonsmåter for grunnleggende energifilament eller strenger.

EN teoretisk fysikk modell er et matematisk rammeverk som, for å komme med spådommer, krever at visse parametere settes. I standardmodellen for partikkelfysikk er parametrene representert av de 18 partiklene som er forutsagt av teorien, noe som betyr at parametrene måles ved observasjon.

Noen fysikere mener imidlertid at grunnleggende fysiske prinsipper i teorien bør bestemme disse parametrene, uavhengig av måling. Dette motiverte mye av entusiasmen for en samlet feltteori i fortiden og utløste Einsteins berømte spørsmål "Hadde Gud noe valg da han skapte universet? "Angir universets egenskaper iboende universets form, fordi disse egenskapene bare ikke vil fungere hvis formen er annerledes?

Svaret på dette ser ut til å lene sterkt mot ideen om at det ikke bare er ett univers som kan skapes, men at det er et bredt spekter av grunnleggende teorier (eller forskjellige varianter av samme teori, basert på forskjellige fysiske parametere, originale energitilstander og så videre) og universet vårt er bare en av disse mulige univers.

I dette tilfellet blir spørsmålet hvorfor vårt univers har egenskaper som ser ut til å være så fint innstilt for å gi rom for livets eksistens. Dette spørsmålet kalles finjusteringsproblem og har oppfordret noen fysikere til å henvende seg til antropisk prinsipp for en forklaring, som dikterer at universet vårt har de egenskapene det gjør fordi hvis det hadde forskjellige egenskaper, ville vi ikke vært her for å stille spørsmålet. (Et viktig stykke i Smolins bok er kritikken av dette synspunktet som en forklaring av egenskapene.)

Universet har fremdeles en rekke mysterier, men de som mest fysiske fysikere er mørk materie og mørk energi. Denne typen materie og energi blir oppdaget av dens gravitasjonspåvirkning, men kan ikke observeres direkte, så fysikere prøver fortsatt å finne ut hva de er. Fortsatt har noen fysikere foreslått alternative forklaringer på disse gravitasjonspåvirkningene, som ikke krever nye former for materie og energi, men disse alternativene er upopulære for de fleste fysikere.

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.