Viisi suurta ongelmaa teoreettisessa fysiikassa

Vuonna 2006 hänen kiistanalaisessa kirjassaan "Fysiikan vaikeudet: jousteteorian nousu, tieteen pudotus" ja mitä tulee seuraavaksi ", teoreettinen fyysikko Lee Smolin huomauttaa" viidestä suuresta teoreettisesta ongelmasta fysiikka."

1. Kvanttigravitaation ongelma: Yhdistä yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttiteoria yhdeksi teoriaksi, joka voi väittää olevansa täydellinen luonnon teoria.
2. Kvanttimekaniikan perusteelliset ongelmat: Ratkaise kvantimekaniikan perusteiden ongelmat joko tuntemalla nykyinen teoria tai keksimällä uusi, järkevä teoria.
3. Hiukkasten ja voimien yhdentyminen: Määritä, voidaanko erilaiset hiukkaset ja voimat yhtenäistää teoriassa, joka selittää ne kaikki yhden, perustavanlaatuisen kokonaisuuden ilmentyminä.
4. Viritysongelma: Selitä, kuinka hiukkasfysiikan vakiomallissa vapaiden vakioiden arvot valitaan luonnossa.
5. Kosmologisten mysteerien ongelma: Selitä pimeä aine ja tumma energia. Tai, jos niitä ei ole, määritä, kuinka ja miksi painovoimaa muutetaan suurilla mittakaavoilla. Yleisemmin selitä, miksi kosmologian standardimallin vakioilla, mukaan lukien tumma energia, on arvot, joita he tekevät.
   instagram viewer

Kvanttipaino on teoreettisen fysiikan pyrkimys luoda teoria, joka sisältää molemmat yleinen suhteellisuusteoria ja hiukkasfysiikan standardimalli. Tällä hetkellä nämä kaksi teoriaa kuvaavat erilaisia ​​luontoasteikkoja ja yrittävät tutkia asteikkoa missä päällekkäiset saannon tulokset, jotka eivät ole aivan järkeviä, kuten painovoiman (tai avaruuden ajan kaarevuuden) tulossa ääretön. (Loppujen lopuksi fyysikot eivät koskaan näe todellisia äärettömyyksiä luonnossa, eivätkä he haluakaan!)

Yksi ymmärryksen aihe kvanttifysiikka on mitä taustalla oleva fyysinen mekanismi on. Kvantfysiikassa on monia tulkintoja - Kööpenhaminan klassinen tulkinta, Hugh Everette II: n kiistanalainen monien maailmojen tulkinta, ja vieläkin kiistanalaisempi, kuten Osallistuva antropinen periaate. Näissä tulkinnoissa esiin nouseva kysymys kiertää sen, mikä tosiasiallisesti aiheuttaa kvantti-aaltofunktion romahtamisen.

Useimmat nykyajan fyysikot, jotka työskentelevät kvantikenttäteorian kanssa, eivät enää pidä näitä tulkintakysymyksiä merkityksellisinä. Dekherenssin periaate on monille selitys - vuorovaikutus ympäristön kanssa aiheuttaa kvanttiromahduksen. Vielä tärkeämpää on, että fyysikot pystyvät ratkaisemaan yhtälöt, suorittamaan kokeita ja harjoittamaan fysiikkaa ilman ratkaisemaan kysymykset siitä, mitä juuri tapahtuu perustasolla, ja niin useimmat fyysikot eivät halua päästä lähelle näitä omituisia kysymyksiä 20 jalan navalla.

On neljä fysiikan perusvoimaa, ja hiukkasfysiikan standardimalli sisältää vain kolme niistä (sähkömagneettisuus, voimakas ydinvoima ja heikko ydinvoima). Painovoima jätetään standardimallin ulkopuolelle. Yritetään luoda yksi teoria, joka yhdistää nämä neljä voimaa a: ksi yhtenäinen kenttäteoria on teoreettisen fysiikan päätavoite.

Koska hiukkasfysiikan vakiomalli on kvanttikenttäteoria, minkä tahansa yhdistämisen on tehtävä sisällyttävät painovoiman kvanttikenttäteoriaksi, mikä tarkoittaa, että tehtävän 3 ratkaiseminen liittyy tehtävä 1.

Lisäksi hiukkasfysiikan vakiomalli näyttää paljon erilaisia ​​hiukkasia - yhteensä 18 perushiukkasta. Monien fyysikkojen mielestä luonnontieteellisessä perusteoriassa tulisi olla jokin menetelmä näiden hiukkasten yhdistämiseksi, joten ne kuvataan perusteellisemmin. Esimerkiksi, säieteoria, selkeimmin määritelty näistä lähestymistavoista, ennustaa, että kaikki hiukkaset ovat erilaisia ​​energian perushiukkasten tai jousien värähtelytapoja.

teoreettinen fysiikka malli on matemaattinen kehys, joka ennusteiden tekemiseksi vaatii tiettyjen parametrien asettamisen. Hiukkasfysiikan standardimallissa parametrit esitetään teoriassa ennustetulla 18 hiukkasella, mikä tarkoittaa, että parametrit mitataan havainnoimalla.

Jotkut fyysikot kuitenkin uskovat, että teorian fysikaalisten perusperiaatteiden tulisi määrittää nämä parametrit mittauksesta riippumatta. Tämä motivoi suurta osaa menneisyyden innostusta yhtenäiseen kenttäteoriaan ja herätti Einsteinin kuuluisan kysymyksen "Onko Jumalalla ollut valintaa, kun hän luonut universumin? "Määritävätkö maailmankaikkeuden ominaisuudet luonnostaan ​​maailmankaikkeuden muodon, koska nämä ominaisuudet eivät vain toimi, jos muoto on eri?

Vastaus tähän näyttää kallistuvan voimakkaasti ajatukseen, että ei voi luoda vain yhtä maailmankaikkeutta, vaan että on olemassa laaja valikoima perustavanlaatuisia teorioita (tai saman teorian erilaisia ​​variantteja, jotka perustuvat erilaisiin fysikaalisiin parametreihin, alkuperäisiin energiatiloihin ja niin edelleen) ja universumimme on vain yksi näistä mahdollisista maailmankaikkeuksia.

Tässä tapauksessa tulee kysymys siitä, miksi maailmankaikkeudellamme on ominaisuuksia, jotka näyttävät olevan niin hienosti viritetty elämän olemassaolon mahdollistamiseksi. Tätä kysymystä kutsutaan hienosäätöongelma ja on kannustanut joitain fyysikoita kääntymään antropinen periaate selitykseksi, joka sanoo, että maailmankaikkeudellamme on ominaisuuksia, joita sillä on, koska jos sillä olisi erilaisia ​​ominaisuuksia, emme olisi täällä kysymässä. (Smolin-kirjan suuri painopiste on tämän näkökannan kritiikki ominaisuuksien selityksenä.)

Universumilla on edelleen joukko mysteerejä, mutta ne, jotka useimmat ärsyttävät fyysikot ovat, ovat tumma aine ja tumma energia. Tämän tyyppinen aine ja energia havaitaan sen gravitaatiovaikutuksilla, mutta niitä ei voida suoraan havaita, joten fyysikot yrittävät silti selvittää, mitä ne ovat. Jotkut fyysikot ovat kuitenkin ehdottaneet vaihtoehtoisia selityksiä näille painovoimavaikutuksille, jotka eivät vaadi uusia aineen ja energian muotoja, mutta nämä vaihtoehdot ovat epäsuosittuja suurimmalle osalle fyysikot.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine