Piecas lielas problēmas teorētiskajā fizikā

Neatrisinātas problēmas fizikā saskaņā ar Lī Smolinu

Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju masa rada izliekumu telpā-laikā. Viena liela problēma fizikā ir vispārējās relativitātes teorijas apvienošana ar kvantu teoriju. D'ARCO REDAKTORS, Getty Images

Savā pretrunīgi vērtētajā 2006. gada grāmatā “The Trouble with Physics: The Rise of Sting Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next” teorētiskais fiziķis Lī Smolins norāda uz “piecām lielām problēmām teorētiskajā fizikā”.

Kvantu gravitācijas problēma: Apvienojiet vispārējo relativitāti un kvantu teorija vienā teorijā, kas var pretendēt uz pilnīgu dabas teoriju. Kvantu mehānikas pamatproblēmas: Atrisiniet kvantu mehānikas pamatu problēmas, vai nu izprotot teoriju tā, kā tā ir, vai arī izgudrojot jaunu teoriju, kurai ir jēga. Daļiņu un spēku apvienošana: Nosakiet, vai dažādās daļiņas un spēkus var apvienot teorijā, kas tos visus izskaidro kā vienas fundamentālas vienības izpausmes. Tuninga problēma: Paskaidrojiet, kā dabā tiek izvēlētas brīvo konstantu vērtības daļiņu fizikas standarta modelī. Kosmoloģisko noslēpumu problēma: Paskaidrojiet tumšā matērija un tumšā enerģija . Vai arī, ja tie nepastāv, nosakiet, kā un kāpēc gravitācija tiek modificēta lielos mērogos. Vispārīgāk, paskaidrojiet, kāpēc kosmoloģijas standarta modeļa konstantēm, tostarp tumšajai enerģijai, ir tādas vērtības kā tām.

1. fizikas uzdevums: kvantu gravitācijas problēma

Kvantu gravitācija ir teorētiskās fizikas centieni izveidot teoriju, kas ietver abus vispārējā relativitāte un daļiņu fizikas standarta modelis. Pašlaik šīs divas teorijas apraksta dažādus dabas mērogus un mēģina izpētīt mērogu, kur tie pārklājas, dod rezultātus, kuriem nav gluži jēgas, piemēram, gravitācijas spēka (vai telpas laika izliekuma) kļūstot par bezgalīgu. (Galu galā fiziķi dabā īstu bezgalību nekad neredz un arī negrib!)

2. fizikas problēma: kvantu mehānikas pamatproblēmas

Viena problēma ar izpratni kvantu fizika tas ir pamatā esošais fiziskais mehānisms. Kvantu fizikā ir daudz interpretāciju - klasiskā Kopenhāgenas interpretācija, Hjū Evereta II pretrunīgi vērtētā Daudzu pasauļu interpretācija un vēl pretrunīgākās interpretācijas, piemēram, Līdzdalības antropiskais princips . Jautājums, kas rodas šajās interpretācijās, ir saistīts ar to, kas patiesībā izraisa kvantu viļņu funkcijas sabrukumu.

Lielākā daļa mūsdienu fiziķu, kas strādā ar kvantu lauka teoriju, šos interpretācijas jautājumus vairs neuzskata par būtiskiem. Dekoherences princips daudziem ir izskaidrojums - mijiedarbība ar vidi izraisa kvantu sabrukumu. Vēl svarīgāk ir tas, ka fiziķi spēj atrisināt vienādojumus, veikt eksperimentus un praktizēt fiziku bez risinot jautājumus par to, kas tieši notiek fundamentālā līmenī, un tāpēc lielākā daļa fiziķu nevēlas tuvoties šiem dīvainajiem jautājumiem ar 20 pēdu stabu.

3. fizikas problēma: daļiņu un spēku apvienošana

Tur ir četri fizikas pamatspēki , un daļiņu fizikas standarta modelis ietver tikai trīs no tiem (elektromagnētisms, spēcīgs kodolspēks un vājš kodolspēks). Gravitācija ir atstāta ārpus standarta modeļa. Mēģinot izveidot vienu teoriju, kas apvieno šos četrus spēkus a vienotā lauka teorija ir galvenais teorētiskās fizikas mērķis.

Tā kā daļiņu fizikas standarta modelis ir kvantu lauka teorija, tad jebkurā unifikācijā gravitācija būs jāiekļauj kvantu lauka teorijā, kas nozīmē, ka 3. uzdevuma risināšana ir saistīta ar 1. uzdevuma atrisināšanu.

Turklāt daļiņu fizikas standarta modelis parāda daudz dažādu daļiņu - kopumā 18 pamatdaļiņas. Daudzi fiziķi uzskata, ka fundamentālai dabas teorijai vajadzētu būt kādai metodei šo daļiņu apvienošanai, tāpēc tās ir aprakstītas fundamentālāk. Piemēram, stīgu teorija , visprecīzāk definētā no šīm pieejām, paredz, ka visas daļiņas ir dažādi pamata enerģijas pavedienu vai virkņu vibrācijas režīmi.

4. fizikas problēma: noregulēšanas problēma

A teorētiskā fizika modelis ir matemātisks ietvars, kuram, lai veiktu prognozes, ir jāiestata noteikti parametri. Daļiņu fizikas standarta modelī parametrus attēlo teorijā paredzētās 18 daļiņas, kas nozīmē, ka parametri tiek mērīti ar novērojumiem.

Tomēr daži fiziķi uzskata, ka teorijas fizikālajiem pamatprincipiem ir jānosaka šie parametri neatkarīgi no mērījumiem. Tas pagātnē motivēja lielu entuziasmu par vienotu lauka teoriju un izraisīja Einšteina slaveno jautājumu 'Vai Dievam bija kāda izvēle, kad viņš radīja Visumu?' Vai Visuma īpašības pēc būtības nosaka Visuma formu, jo šīs īpašības vienkārši nedarbosies, ja forma ir atšķirīga?

Šķiet, ka atbilde uz šo jautājumu ir stingri nosliece uz domu, ka pastāv ne tikai viens Visums, ko varētu izveidot, bet ir plašs fundamentālo teoriju klāsts (vai vienas un tās pašas teorijas dažādi varianti, kuru pamatā ir dažādi fizikālie parametri, oriģināls). enerģijas stāvokļi un tā tālāk), un mūsu Visums ir tikai viens no šiem iespējamiem Visumiem.

Šajā gadījumā rodas jautājums, kāpēc mūsu Visumam ir īpašības, kas, šķiet, ir tik smalki noregulētas, lai nodrošinātu dzīvības pastāvēšanu. Šo jautājumu sauc par precizēšanas problēma un ir veicinājis dažus fiziķus pievērsties antropiskais princips skaidrojumam, kas nosaka, ka mūsu Visumam ir tādas īpašības, kādas tam piemīt, jo, ja tam būtu citas īpašības, mēs nebūtu šeit, lai uzdotu jautājumu. (Smolinas grāmatas galvenais virziens ir šī viedokļa kritika kā īpašību skaidrojums.)

5. fizikas uzdevums: kosmoloģisko noslēpumu problēma

Visumam joprojām ir vairāki noslēpumi, bet tie, kas visvairāk satrauc fiziķus, ir tumšā matērija un tumšā enerģija. Šāda veida vielu un enerģiju nosaka gravitācijas ietekme, taču to nevar tieši novērot, tāpēc fiziķi joprojām cenšas noskaidrot, kas tie ir. Tomēr daži fiziķi ir ierosinājuši alternatīvus skaidrojumus šīm gravitācijas ietekmēm, kurām nav nepieciešami jauni matērijas un enerģijas veidi, taču šīs alternatīvas ir nepopulāras lielākajai daļai fiziķu.

RediģējaAnne Marie Helmenstine, Ph.D.