Пять великих проблем теоретической физики

В своей скандальной книге 2006 года «Проблемы с физикой: теория струн, упадок науки», и что будет дальше ", физик-теоретик Ли Смолин указывает на" пять больших проблем в теоретической физика «.

1. Проблема квантовой гравитации: Объединить общую относительность и квантовая теория в единую теорию, которая может претендовать на звание полной теории природы.
2. Основополагающие проблемы квантовой механикиРешить проблемы в основах квантовой механики, либо разобравшись в теории в ее нынешнем виде, либо придумав новую теорию, которая имеет смысл.
3. Объединение частиц и силОпределить, могут ли различные частицы и силы быть объединены в теории, которая объясняет их все как проявления единой, фундаментальной сущности.
4. Проблема настройкиОбъясните, как значения свободных констант в стандартной модели физики частиц выбираются в природе.
5. Проблема космологических загадок: Объяснить темная материя и темная энергия. Или, если они не существуют, определите, как и почему гравитация изменяется в больших масштабах. В целом объясните, почему константы стандартной модели космологии, включая темную энергию, имеют значения, которые они имеют.
   instagram viewer

Квантовая гравитация это попытка теоретической физики создать теорию, которая включает в себя как общая теория относительности и стандартная модель физики элементарных частиц. В настоящее время эти две теории описывают различные масштабы природы и пытаются исследовать масштаб, в котором они перекрытия дают результаты, которые не совсем имеют смысла, например, сила гравитации (или кривизна пространства-времени) становится бесконечный. (В конце концов, физики никогда не видят реальных бесконечностей в природе и не хотят!)

Одна проблема с пониманием квантовая физика это то, что лежит в основе физического механизма. Есть много толкований в квантовой физике - классическая копенгагенская интерпретация, Противоречивая интерпретация многих миров Хью Эверетта II, и даже более спорные, такие как Принцип участия человека. Вопрос, который возникает в этих интерпретациях, вращается вокруг того, что на самом деле вызывает коллапс квантовой волновой функции.

Большинство современных физиков, работающих с квантовой теорией поля, больше не считают эти вопросы интерпретации актуальными. Для многих принцип декогеренции является объяснением - взаимодействие с окружающей средой вызывает квантовый коллапс. Что еще более важно, физики могут решать уравнения, проводить эксперименты и практиковать физику без решение вопросов о том, что именно происходит на фундаментальном уровне, и поэтому большинство физиков не хотят подходить к этим странным вопросам с 20-футовым шестом.

Есть четыре фундаментальные силы физикии стандартная модель физики элементарных частиц включает только три из них (электромагнетизм, сильная ядерная сила и слабая ядерная сила). Гравитация не входит в стандартную модель. Попытка создать одну теорию, которая объединяет эти четыре силы в единая теория поля является основной целью теоретической физики.

Поскольку стандартной моделью физики элементарных частиц является квантовая теория поля, то любое объединение должно включить гравитацию в качестве квантовой теории поля, что означает, что решение проблемы 3 связано с решением проблема 1

Кроме того, стандартная модель физики элементарных частиц показывает множество различных частиц - всего 18 элементарных частиц. Многие физики считают, что фундаментальная теория природы должна иметь какой-то метод объединения этих частиц, поэтому они описаны в более фундаментальных терминах. Например, теория струнНаиболее четко определенный из этих подходов предсказывает, что все частицы представляют собой различные колебательные моды основных нитей энергии или струн.

теоретическая физика Модель - это математическая структура, которая для прогнозирования требует установки определенных параметров. В стандартной модели физики частиц параметры представлены 18 частицами, предсказанными теорией, что означает, что параметры измеряются путем наблюдения.

Некоторые физики, однако, считают, что фундаментальные физические принципы теории должны определять эти параметры независимо от измерения. Это побудило большую часть энтузиазма к единой теории поля в прошлом и вызвало знаменитый вопрос Эйнштейна «Был ли у Бога какой-либо выбор, когда он создал вселенную? »Свойства вселенной по своей природе устанавливают форму вселенной, потому что эти свойства просто не будут работать, если форма разные?

Ответ на этот вопрос, кажется, сильно склоняется к идее, что существует не только одна вселенная, которая может быть создана, но что существует широкий круг фундаментальных теории (или разные варианты одной и той же теории, основанные на разных физических параметрах, исходных энергетических состояниях и т. д.) и наша вселенная - только одна из этих возможных вселенные.

В этом случае возникает вопрос, почему наша вселенная обладает свойствами, которые кажутся настолько точно настроенными, чтобы учесть существование жизни. Этот вопрос называется проблема тонкой настройки и способствовал тому, чтобы некоторые физики обратились к антропный принцип для объяснения, которое диктует, что у нашей вселенной есть свойства, которые она имеет, потому что, если бы у нее были другие свойства, мы не были бы здесь, чтобы задать вопрос. (Основной смысл книги Смолина - критика этой точки зрения как объяснения свойств.)

У вселенной все еще есть много загадок, но те, которые большинство недовольных физиков - темная материя и темная энергия. Этот тип вещества и энергии определяется его гравитационным влиянием, но не может наблюдаться непосредственно, поэтому физики все еще пытаются выяснить, что они из себя представляют. Тем не менее, некоторые физики предложили альтернативные объяснения этих гравитационных влияний, которые не требуют новых форм материи и энергии, но эти альтернативы непопулярны для большинства физики.

Отредактировано Энн Мари Хельменстин, доктор философии