Cinque grandi problemi di fisica teorica

Nel suo controverso libro del 2006 "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, e What Comes Next ", il fisico teorico Lee Smolin sottolinea" cinque grandi problemi teorici fisica."

1. Il problema della gravità quantistica: Combina la relatività generale e teoria dei quanti in un'unica teoria che può pretendere di essere la teoria completa della natura.
2. I problemi di base della meccanica quantistica: Risolvi i problemi alla base della meccanica quantistica, o dando un senso alla teoria così com'è o inventando una nuova teoria che abbia un senso.
3. L'unificazione di particelle e forze: Determina se le varie particelle e forze possono essere unificate in una teoria che le spiega tutte come manifestazioni di una singola entità fondamentale.
4. Il problema di ottimizzazione: Spiega come i valori delle costanti libere nel modello standard della fisica delle particelle sono scelti in natura.
5. Il problema dei misteri cosmologici: Spiega materia oscura e energia oscura. Oppure, se non esistono, determinare come e perché la gravità viene modificata su larga scala. Più in generale, spiega perché le costanti del modello standard di cosmologia, inclusa l'energia oscura, hanno i valori che hanno.
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Gravità quantistica è lo sforzo nella fisica teorica per creare una teoria che includa entrambi relatività generale e il modello standard di fisica delle particelle. Attualmente, queste due teorie descrivono diverse scale della natura e tentano di esplorare la scala in cui si trovano la sovrapposizione produce risultati che non hanno del tutto senso, come la forza di gravità (o curvatura dello spaziotempo) che sta diventando infinito. (Dopo tutto, i fisici non vedono mai i veri infiniti in natura, né vogliono farlo!)

Un problema con la comprensione fisica quantistica è il meccanismo fisico sottostante coinvolto. Ci sono molte interpretazioni nella fisica quantistica - il interpretazione classica di Copenaghen, La controversa interpretazione di molti mondi di Hugh Everette II e ancora più controversa come la Principio antropico partecipativo. La domanda che sorge in queste interpretazioni ruota attorno a ciò che effettivamente provoca il collasso della funzione d'onda quantistica.

La maggior parte dei fisici moderni che lavorano con la teoria dei campi quantistici non considerano più rilevanti queste domande di interpretazione. Il principio di decoerenza è, per molti, la spiegazione - l'interazione con l'ambiente provoca il collasso quantico. Ancora più significativo, i fisici sono in grado di risolvere le equazioni, eseguire esperimenti e praticare la fisica senza risolvendo le domande su cosa stia esattamente accadendo a un livello fondamentale, e quindi la maggior parte dei fisici non vuole avvicinarsi a queste bizzarre domande con un palo da 20 piedi.

Ci sono quattro forze fondamentali della fisicae il modello standard della fisica delle particelle ne comprende solo tre (elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole). La gravità è esclusa dal modello standard. Cercare di creare una teoria che unisca queste quattro forze in a teoria dei campi unificata è uno dei principali obiettivi della fisica teorica.

Poiché il modello standard della fisica delle particelle è una teoria quantistica dei campi, allora ogni unificazione dovrà includere la gravità come teoria dei campi quantistici, il che significa che la risoluzione del problema 3 è connessa alla risoluzione di problema 1.

Inoltre, il modello standard della fisica delle particelle mostra molte particelle diverse - 18 particelle fondamentali in tutto. Molti fisici ritengono che una teoria fondamentale della natura dovrebbe avere un metodo per unificare queste particelle, quindi sono descritte in termini più fondamentali. Per esempio, teoria delle stringhe, il più ben definito di questi approcci, prevede che tutte le particelle siano diverse modalità vibrazionali di filamenti fondamentali di energia o stringhe.

UN fisica teorica Il modello è un framework matematico che, per fare previsioni, richiede l'impostazione di determinati parametri. Nel modello standard della fisica delle particelle, i parametri sono rappresentati dalle 18 particelle previste dalla teoria, il che significa che i parametri sono misurati mediante l'osservazione.

Alcuni fisici, tuttavia, ritengono che i principi fisici fondamentali della teoria dovrebbero determinare questi parametri, indipendentemente dalla misurazione. Ciò ha motivato gran parte dell'entusiasmo per una teoria dei campi unificata in passato e ha scatenato la famosa domanda di Einstein "Dio ha avuto altra scelta quando ha creato l'universo? "Le proprietà dell'universo impostano intrinsecamente la forma dell'universo, perché queste proprietà non funzioneranno se il modulo è diverso?

La risposta a questo sembra essere fortemente propensa all'idea che non esiste un solo universo che potrebbe essere creato, ma che esiste una vasta gamma di fondamentali teorie (o diverse varianti della stessa teoria, basate su diversi parametri fisici, stati energetici originali e così via) e il nostro universo è solo una di queste possibili universi.

In questo caso, la domanda diventa perché il nostro universo ha proprietà che sembrano essere così finemente sintonizzate per consentire l'esistenza della vita. Questa domanda si chiama problema di messa a punto e ha promosso alcuni fisici a rivolgersi al principio antropico per una spiegazione, che impone che il nostro universo abbia le proprietà che possiede perché se avesse proprietà diverse, non saremmo qui per porre la domanda. (Una grande spinta del libro di Smolin è la critica di questo punto di vista come una spiegazione delle proprietà.)

L'universo ha ancora una serie di misteri, ma quelli che la maggior parte dei fisici irriverenti sono materia oscura ed energia oscura. Questo tipo di materia ed energia viene rilevato dalle sue influenze gravitazionali, ma non può essere osservato direttamente, quindi i fisici stanno ancora cercando di capire cosa sono. Tuttavia, alcuni fisici hanno proposto spiegazioni alternative per queste influenze gravitazionali, che non richiedono nuove forme di materia ed energia, ma queste alternative sono impopolari per la maggior parte fisici.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.