Fünf große Probleme in der theoretischen Physik

In seinem umstrittenen Buch "Das Problem mit der Physik: Der Aufstieg der Stringtheorie, der Fall einer Wissenschaft" von 2006 und was als nächstes kommt ", weist der theoretische Physiker Lee Smolin auf" fünf große theoretische Probleme hin Physik."

1. Das Problem der Quantengravitation: Kombinieren Sie die allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie in eine einzige Theorie, die behaupten kann, die vollständige Theorie der Natur zu sein.
2. Die grundlegenden Probleme der Quantenmechanik: Lösen Sie die Probleme in den Grundlagen der Quantenmechanik, indem Sie entweder die Theorie in ihrer jetzigen Form verstehen oder eine neue Theorie erfinden, die Sinn macht.
3. Die Vereinigung von Partikeln und Kräften: Bestimmen Sie, ob die verschiedenen Teilchen und Kräfte in einer Theorie vereinheitlicht werden können, die sie alle als Manifestationen einer einzigen fundamentalen Einheit erklärt.
4. Das Abstimmungsproblem: Erklären Sie, wie die Werte der freien Konstanten im Standardmodell der Teilchenphysik in der Natur gewählt werden.
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5. Das Problem der kosmologischen Geheimnisse: Erklären Sie Dunkle Materie und dunkle Energie. Oder, falls sie nicht existieren, bestimmen Sie, wie und warum die Schwerkraft in großem Maßstab verändert wird. Erklären Sie allgemeiner, warum die Konstanten des Standardmodells der Kosmologie, einschließlich der Dunklen Energie, die Werte haben, die sie haben.

Quantengravitation ist die Anstrengung in der theoretischen Physik, eine Theorie zu schaffen, die beides umfasst generelle Relativität und das Standardmodell der Teilchenphysik. Gegenwärtig beschreiben diese beiden Theorien verschiedene Skalen der Natur und versuchen, die Skala zu erforschen, in der sie sich befinden Überlappungsausbeutergebnisse, die nicht ganz sinnvoll sind, wie die Schwerkraft (oder die Krümmung der Raumzeit) unendlich. (Schließlich sehen Physiker niemals echte Unendlichkeiten in der Natur und wollen es auch nicht!)

Ein Problem mit dem Verständnis Quantenphysik ist der zugrunde liegende physikalische Mechanismus. In der Quantenphysik gibt es viele Interpretationen - die klassische Kopenhagener Interpretation, Hugh Everette IIs umstrittene Interpretation vieler Welten und noch kontroversere wie die Partizipatives anthropisches Prinzip. Die Frage, die sich in diesen Interpretationen stellt, dreht sich darum, was tatsächlich den Zusammenbruch der Quantenwellenfunktion verursacht.

Die meisten modernen Physiker, die mit der Quantenfeldtheorie arbeiten, halten diese Interpretationsfragen nicht mehr für relevant. Das Prinzip der Dekohärenz ist für viele die Erklärung - die Interaktion mit der Umgebung verursacht den Quantenkollaps. Noch wichtiger ist, dass Physiker die Gleichungen lösen, Experimente durchführen und Physik üben können ohne Die Fragen zu lösen, was genau auf einer fundamentalen Ebene passiert, und so wollen die meisten Physiker diesen bizarren Fragen nicht mit einer 20-Fuß-Stange nahe kommen.

Es gibt vier fundamentale Kräfte der Physikund das Standardmodell der Teilchenphysik umfasst nur drei davon (Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft). Die Schwerkraft wird im Standardmodell nicht berücksichtigt. Der Versuch, eine Theorie zu schaffen, die diese vier Kräfte zu einer vereint einheitliche Feldtheorie ist ein Hauptziel der theoretischen Physik.

Da das Standardmodell der Teilchenphysik eine Quantenfeldtheorie ist, muss jede Vereinheitlichung erfolgen Schwerkraft als Quantenfeldtheorie einbeziehen, was bedeutet, dass die Lösung von Problem 3 mit der Lösung von verbunden ist Problem 1.

Darüber hinaus zeigt das Standardmodell der Teilchenphysik viele verschiedene Teilchen - insgesamt 18 Grundteilchen. Viele Physiker glauben, dass eine fundamentale Naturtheorie eine Methode zur Vereinigung dieser Teilchen haben sollte, daher werden sie grundlegender beschrieben. Beispielsweise, StringtheorieDer am besten definierte dieser Ansätze sagt voraus, dass alle Teilchen unterschiedliche Schwingungsmoden grundlegender Energiefilamente oder Strings sind.

EIN theoretische Physik Das Modell ist ein mathematischer Rahmen, für den bestimmte Parameter festgelegt werden müssen, um Vorhersagen treffen zu können. Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die Parameter durch die 18 von der Theorie vorhergesagten Teilchen dargestellt, was bedeutet, dass die Parameter durch Beobachtung gemessen werden.

Einige Physiker glauben jedoch, dass grundlegende physikalische Prinzipien der Theorie diese Parameter unabhängig von der Messung bestimmen sollten. Dies motivierte einen Großteil der Begeisterung für eine einheitliche Feldtheorie in der Vergangenheit und löste Einsteins berühmte Frage aus: "Hatte Gott eine Wahl, als er hat das Universum erstellt? "Legen die Eigenschaften des Universums von Natur aus die Form des Universums fest, da diese Eigenschaften einfach nicht funktionieren, wenn die Form ist anders?

Die Antwort darauf scheint sich stark auf die Idee zu stützen, dass nicht nur ein Universum geschaffen werden könnte, sondern dass es eine breite Palette von Grundlagen gibt Theorien (oder verschiedene Varianten derselben Theorie, basierend auf verschiedenen physikalischen Parametern, ursprünglichen Energiezuständen usw.) und unser Universum sind nur eine davon Universen.

In diesem Fall stellt sich die Frage, warum unser Universum Eigenschaften hat, die so fein abgestimmt zu sein scheinen, dass sie die Existenz von Leben ermöglichen. Diese Frage heißt die Feinabstimmungsproblem und hat einige Physiker befördert, sich an die zu wenden anthropisches Prinzip Für eine Erklärung, die vorschreibt, dass unser Universum die Eigenschaften hat, die es hat, denn wenn es andere Eigenschaften hätte, wären wir nicht hier, um die Frage zu stellen. (Ein Hauptschwerpunkt von Smolins Buch ist die Kritik an diesem Standpunkt als Erklärung der Eigenschaften.)

Das Universum hat immer noch eine Reihe von Geheimnissen, aber diejenigen, die die meisten ärgerlichen Physiker sind, sind dunkle Materie und dunkle Energie. Diese Art von Materie und Energie wird durch ihre Gravitationseinflüsse erfasst, kann jedoch nicht direkt beobachtet werden. Daher versuchen die Physiker immer noch herauszufinden, was sie sind. Dennoch haben einige Physiker alternative Erklärungen für diese Gravitationseinflüsse vorgeschlagen. die keine neuen Formen von Materie und Energie erfordern, aber diese Alternativen sind für die meisten unpopulär Physiker.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.