Piecas lielas problēmas teorētiskajā fizikā

Savā pretrunīgi vērtētajā 2006. gada grāmatā "Traucējumi ar fiziku: stīgu teorijas pieaugums, zinātnes kritums" un Kas nāk tālāk ", teorētiskais fiziķis Lī Smolins norāda uz" piecām lielām teorētiskās problēmas fizika."

1. Kvantu gravitācijas problēma: Apvienojiet vispārējo relativitāti un kvantu teorija vienā teorijā, kas var pretendēt uz pilnīgu dabas teoriju.
2. Kvantu mehānikas pamatproblēmas: Atrisiniet problēmas kvantu mehānikas pamatos, vai nu saprotot teoriju, kāda tā ir, vai izgudrojot jaunu teoriju, kurai ir jēga.
3. Daļiņu un spēku apvienošana: Nosakiet, vai dažādās daļiņas un spēki var tikt apvienoti teorijā, kas tos visus izskaidro kā vienas būtiskas būtnes izpausmes.
4. Noskaņošanas problēma: Izskaidrojiet, kā dabā tiek izvēlētas brīvo konstantu vērtības daļiņu fizikas standarta modelī.
5. Kosmoloģisko noslēpumu problēma: Paskaidrojiet tumšā matērija un tumšā enerģija. Vai arī, ja tie neeksistē, nosakiet, kā un kāpēc gravitācija tiek modificēta lielos mērogos. Vispārīgāk izskaidrojiet, kāpēc kosmoloģijas standarta modeļa konstantēm, ieskaitot tumšo enerģiju, ir vērtības, kuras viņi dara.

Kvantu gravitācija ir centieni teorētiskajā fizikā radīt teoriju, kas ietver abus vispārējā relativitāte un daļiņu fizikas standarta modelis. Pašlaik šīs divas teorijas apraksta dažādas dabas skalas un mēģina izpētīt mērogu, kur tās atrodas pārklājas ražas rezultāti, kuriem nav gluži jēgas, piemēram, kļūst gravitācijas spēks (vai telpas laika izliekums) bezgalīgs. (Galu galā fiziķi nekad dabā neredz reālas bezgalības, un viņi arī nevēlas!)

Viens jautājums ar izpratni kvantu fizika ir tas, kas ir pamatā esošais fiziskais mehānisms. Kvantu fizikā ir daudz interpretāciju - klasiskā Kopenhāgenas interpretācija, Hjū Evereta II pretrunīgi vērtētā daudzo pasaules interpretācija, un vēl pretrunīgākā, piemēram, Antropijas princips. Jautājums, kas rodas šajās interpretācijās, griežas ap to, kas patiesībā izraisa kvantu viļņu funkcijas sabrukumu.

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

Tur ir četri fizikas pamat spēki, un daļiņu fizikas standarta modelī ir iekļauti tikai trīs no tiem (elektromagnētisms, spēcīgs kodolspēks un vājš kodolspēks). Smagums ir atstāts ārpus standarta modeļa. Mēģinot radīt vienu teoriju, kas šos četrus spēkus apvieno a vienota lauka teorija ir galvenais teorētiskās fizikas mērķis.

Tā kā daļiņu fizikas standarta modelis ir kvantu lauka teorija, tad būs jāveic jebkura apvienošana iekļauj gravitāciju kā kvantu lauka teoriju, kas nozīmē, ka 3. problēmas risināšana ir saistīta ar 1. problēma.

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

A teorētiskā fizika modelis ir matemātisks ietvars, kuram, lai veiktu prognozes, ir nepieciešami noteikti parametri. Daļiņu fizikas standarta modelī parametrus attēlo 18 daļiņas, ko paredz teorija, kas nozīmē, ka parametrus mēra ar novērošanu.

Daži fiziķi tomēr uzskata, ka teorijas fiziskajiem pamatprincipiem būtu jānosaka šie parametri neatkarīgi no mērījumiem. Tas lielā mērā motivēja pagātnes entuziasmu par vienotas lauka teoriju un izraisīja Einšteina slaveno jautājumu “Vai Dievam bija izvēle, kad viņš izveidoja Visumu? "Vai Visuma īpašības pēc būtības nosaka Visuma formu, jo šīs īpašības vienkārši nedarbosies, ja forma ir savādāk?

Šķiet, ka atbilde uz šo jautājumu ir vērsta uz domu, ka ir ne tikai viens Visums, ko varētu izveidot, bet ka ir arī plašs pamata teorijas (vai vienas un tās pašas teorijas dažādi varianti, kuru pamatā ir dažādi fizikāli parametri, sākotnējie enerģijas stāvokļi un tā tālāk), un mūsu Visums ir tikai viens no šiem iespējamiem Visumi.

Šajā gadījumā rodas jautājums, kāpēc mūsu visumam ir īpašības, kuras, šķiet, ir tik smalki noregulētas, lai ļautu pastāvēt dzīvībai. Šo jautājumu sauc par precizējoša problēma un ir pamudinājis dažus fizikus pievērsties antropiskais princips paskaidrojumam, kas diktē, ka mūsu visumam ir tādas īpašības, kādas tam ir, jo, ja tam būtu dažādas īpašības, mēs nebūtu šeit, lai uzdotu jautājumu. (Smolina grāmatas galvenā būtība ir šī viedokļa kritika kā īpašību skaidrojums.)

Visumam joprojām ir virkne noslēpumu, taču tie, kas visvairāk kaitina fiziķus, ir tumšā matērija un tumšā enerģija. Šāda veida matēriju un enerģiju nosaka tās gravitācijas ietekmē, bet to nevar tieši novērot, tāpēc fiziķi joprojām cenšas izdomāt, kas tie ir. Tomēr daži fiziķi ir ierosinājuši alternatīvus skaidrojumus šīm gravitācijas ietekmēm, kuriem nav nepieciešami jauni matērijas un enerģijas veidi, taču šīs alternatīvas lielākajai daļai ir nepopulāras fiziķi.

Rediģēja Anne Marie Helmenstine, Ph.