Penkios pagrindinės teorinės fizikos problemos

Savo prieštaringai vertinamoje 2006 m. Knygoje „Bėda su fizika: stygų teorijos kilimas, mokslo kritimas“ ir kas ateina toliau “, fizikas Lee Smolinas pabrėžia„ penkias dideles teorinės problemos fizika “.

1. Kvantinės gravitacijos problema: Derinkite bendrąjį reliatyvumą ir kvantinė teorija į vieną teoriją, kuri gali pretenduoti į visišką gamtos teoriją.
2. Pagrindinės kvantinės mechanikos problemos: Išspręskite problemas, susijusias su kvantinės mechanikos pagrindais, arba suprantant dabartinės teorijos prasmę, arba sugalvojant naują prasmingą teoriją.
3. Dalelių ir jėgų suvienijimas: Išsiaiškinkite, ar galima suvienyti įvairias daleles ir jėgas teorijoje, paaiškinančioje jas visas kaip vieno esminio subjekto pasireiškimus.
4. Derinimo problema: Paaiškinkite, kaip gamtoje pasirenkamos laisvųjų konstantų vertės standartiniame dalelių fizikos modelyje.
5. Kosmologinių paslapčių problema: Paaiškink Juodoji medžiaga ir tamsi energija. Arba, jei jų nėra, nustatykite, kaip ir kodėl keičiama gravitacija didelėmis skalėmis. Apskritai paaiškinkite, kodėl standartinio kosmologijos modelio konstantos, įskaitant tamsiąją energiją, turi tas vertybes, kurias jos daro.
   instagram viewer

Kvantinis sunkis yra teorinės fizikos pastangos sukurti teoriją, apimančią abi bendrasis reliatyvumas ir standartinis dalelių fizikos modelis. Šiuo metu šios dvi teorijos apibūdina skirtingas gamtos skales ir bando ištirti skalę ten, kur jos yra sutampa derliaus rezultatai, kurie nėra gana prasmingi, pavyzdžiui, tampa sunkio jėga (arba erdvėlaikio kreivė) begalinis. (Juk fizikai niekada nemato tikrųjų begalybių gamtoje ir nenori!)

Vienas klausimas su supratimu Kvantinė fizika yra tai, kas yra pagrindinis fizinis mechanizmas. Kvantinėje fizikoje yra daug interpretacijų - klasikinė Kopenhagos interpretacija, Hugh Everette II prieštaringai vertinamas daugelio pasaulių aiškinimas ir dar prieštaringesnis, pavyzdžiui, Dalyvaujantis antropinis principas. Šiose interpretacijose iškyla klausimas, kas iš tikrųjų sukelia kvantinės bangos funkcijos žlugimą.

Dauguma šiuolaikinių fizikų, dirbančių su kvantinio lauko teorija, nebelaiko šių aiškinimo klausimų aktualiais. Dekoherencijos principas daugeliui yra paaiškinimas - sąveika su aplinka sukelia kvantinį žlugimą. Dar svarbiau, kad fizikai sugeba išspręsti lygtis, atlikti eksperimentus ir praktikuoti fiziką be išspręsti klausimus, kas iš tikrųjų vyksta pagrindiniame lygmenyje, ir todėl dauguma fizikų nenori prieiti prie šių keistų klausimų su 20 pėdų poliu.

Yra keturios pagrindinės fizikos jėgos, o standartinis dalelių fizikos modelis apima tik tris iš jų (elektromagnetizmas, stipri branduolinė jėga ir silpna branduolinė jėga). Sunkumas nėra standartinio modelio dalis. Bandoma sukurti vieną teoriją, sujungiančią šias keturias jėgas į vieningo lauko teorija yra pagrindinis teorinės fizikos tikslas.

Kadangi standartinis dalelių fizikos modelis yra kvantinio lauko teorija, tada suvienyti teks įtraukti gravitaciją kaip kvantinio lauko teoriją, o tai reiškia, kad 3 uždavinio sprendimas yra susijęs su 1 problema.

Be to, standartiniame dalelių fizikos modelyje parodyta daug skirtingų dalelių - iš viso 18 pagrindinių dalelių. Daugelis fizikų mano, kad pagrindinėje gamtos teorijoje turėtų būti koks nors šių dalelių suvienijimo būdas, todėl jos aprašytos fundamentalesniais terminais. Pavyzdžiui, stygų teorija, kuris labiausiai apibrėžtas iš šių metodų, prognozuoja, kad visos dalelės yra skirtingi vibracijos būdai pagrindinių energijos gijų ar stygų.

A teorinė fizika modelis yra matematinė sistema, kuri, norint daryti prognozes, reikalauja, kad būtų nustatyti tam tikri parametrai. Standartiniame dalelių fizikos modelyje parametrus vaizduoja 18 teorijos numatytų dalelių, tai reiškia, kad parametrai matuojami stebint.

Tačiau kai kurie fizikai mano, kad pagrindiniai fiziniai teorijos principai turėtų nustatyti šiuos parametrus, nepriklausomai nuo matavimo. Tai paskatino praeities entuziazmą suvienyti lauko teoriją ir paskatino garsųjį Einšteino klausimą „Ar Dievas turėjo kokį nors pasirinkimą sukūrė Visatą? “Ar visatos savybės iš esmės lemia Visatos formą, nes šios savybės tiesiog neveiks, jei forma yra skiriasi?

Atrodo, kad atsakymas į tai stipriai nukreiptas į mintį, kad yra ne viena visata, kurią būtų galima sukurti, bet kad egzistuoja daugybė pagrindinių teorijos (arba skirtingi tos pačios teorijos variantai, pagrįsti skirtingais fiziniais parametrais, pirminėmis energijos būsenomis ir pan.) ir mūsų visata yra tik viena iš šių galimų visatos.

Tokiu atveju kyla klausimas, kodėl mūsų visata turi savybių, kurios atrodo taip tiksliai suderintos, kad būtų galima egzistuoti gyvybei. Šis klausimas vadinamas tikslinimo problema ir paskatino kai kuriuos fizikus kreiptis į antropinis principas paaiškinimui, kuris diktuoja, kad mūsų visata turi tas savybes, kurias ji daro, nes jei ji turėtų skirtingas savybes, mes čia nebūtume užduoti klausimo. (Smolino knygos esmė yra šio požiūrio kritika kaip savybių paaiškinimas.)

Visata vis dar turi nemažai paslapčių, tačiau labiausiai erzinantys fizikai yra tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos. Šio tipo medžiagas ir energiją nustato gravitaciniai poveikiai, tačiau jų negalima tiesiogiai pastebėti, todėl fizikai vis dar bando išsiaiškinti, kas jie yra. Vis dėlto kai kurie fizikai pasiūlė alternatyvius šių gravitacinių poveikių paaiškinimus, kuriems nereikia naujų materijos ir energijos formų, tačiau šios alternatyvos daugumai yra nepopuliarios fizikai.

Redaguota Anne Marie Helmenstine, Ph.