Πέντε Μεγάλα Προβλήματα στη Θεωρητική Φυσική

Στο αμφιλεγόμενο βιβλίο του 2006 "Τα προβλήματα με τη φυσική: Η άνοδος της θεωρίας των συμβολοσειρών, η πτώση μιας επιστήμης, και τι έρχεται στη συνέχεια ", θεωρητικός φυσικός Lee Smolin επισημαίνει" πέντε μεγάλα προβλήματα στη θεωρητική η φυσικη."

1. Το πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας: Συνδυάστε γενική σχετικότητα και κβαντική θεωρία σε μια ενιαία θεωρία που μπορεί να ισχυριστεί ότι είναι η πλήρης θεωρία της φύσης.
2. Τα βασικά προβλήματα της κβαντικής μηχανικής: Επίλυση των προβλημάτων στα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής, είτε με την έννοια της θεωρίας ως έχει είτε με την εφεύρεση μιας νέας θεωρίας που έχει νόημα.
3. Η ενοποίηση σωματιδίων και δυνάμεων: Προσδιορίστε εάν τα διάφορα σωματίδια και δυνάμεις μπορούν να ενοποιηθούν ή όχι σε μια θεωρία που τους εξηγεί όλες ως εκδηλώσεις μιας ενιαίας, θεμελιώδους οντότητας.
4. Το πρόβλημα ρύθμισης: Εξηγήστε πως οι τιμές των ελεύθερων σταθερών στο πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής επιλέγονται στη φύση.
5. Το πρόβλημα των κοσμολογικών μυστηρίων: Εξηγήστε σκοτεινή ύλη
   instagram viewer
   και σκοτεινή ενέργεια. Ή, αν δεν υπάρχουν, καθορίστε πώς και γιατί η βαρύτητα τροποποιείται σε μεγάλες κλίμακες. Γενικότερα, εξηγήστε γιατί οι σταθερές του πρότυπου μοντέλου της κοσμολογίας, συμπεριλαμβανομένης της σκοτεινής ενέργειας, έχουν τις αξίες που κάνουν.

Κβαντική βαρύτητα είναι η προσπάθεια στη θεωρητική φυσική να δημιουργήσει μια θεωρία που περιλαμβάνει και τα δύο γενική σχετικότητα και το πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων. Επί του παρόντος, αυτές οι δύο θεωρίες περιγράφουν διαφορετικές κλίμακες της φύσης και προσπαθούν να εξερευνήσουν την κλίμακα όπου αυτοί αλληλεπικαλύπτονται αποτελέσματα απόδοσης που δεν έχουν νόημα, όπως η δύναμη της βαρύτητας (ή η καμπυλότητα του χωροχρόνου) γίνεται άπειρος. (Εξάλλου, οι φυσικοί δεν βλέπουν ποτέ αληθινά άπειρα στη φύση, ούτε θέλουν!)

Ένα ζήτημα με κατανόηση κβαντική φυσική είναι ο βασικός φυσικός μηχανισμός που εμπλέκεται. Υπάρχουν πολλές ερμηνείες στην κβαντική φυσική - η κλασική ερμηνεία της Κοπεγχάγης, Η αμφιλεγόμενη ερμηνεία πολλών κόσμων του Hugh Everette II, και ακόμη πιο αμφιλεγόμενες, όπως η Συμμετοχική Ανθρώπινη Αρχή. Το ερώτημα που έρχεται σε αυτές τις ερμηνείες περιστρέφεται γύρω από αυτό που πραγματικά προκαλεί την κατάρρευση της κβαντικής κυματομορφής.

Οι περισσότεροι σύγχρονοι φυσικοί που δουλεύουν με τη θεωρία του κβαντικού πεδίου δεν θεωρούν πλέον αυτά τα ερωτήματα ερμηνείας ως σχετικά. Η αρχή της αποκάλυψης είναι, για πολλούς, η εξήγηση - η αλληλεπίδραση με το περιβάλλον προκαλεί την κβαντική κατάρρευση. Ακόμη πιο σημαντικό είναι ότι οι φυσικοί είναι σε θέση να λύσουν τις εξισώσεις, να εκτελέσουν πειράματα και να ασκήσουν τη φυσική χωρίς επιλύοντας τα ερωτήματα για το τι ακριβώς συμβαίνει σε ένα θεμελιώδες επίπεδο και έτσι οι περισσότεροι φυσικοί δεν θέλουν να πλησιάσουν αυτές τις παράξενες ερωτήσεις με πόλο 20 ποδιών.

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φυσικής, και το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων περιλαμβάνει μόνο τρία (ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή πυρηνική δύναμη και αδύναμη πυρηνική δύναμη). Η βαρύτητα έχει απομείνει από το πρότυπο μοντέλο. Προσπαθώντας να δημιουργήσουμε μια θεωρία η οποία ενώνει αυτές τις τέσσερις δυνάμεις σε ένα ενιαία θεωρία πεδίων είναι ένας σημαντικός στόχος της θεωρητικής φυσικής.

Δεδομένου ότι το πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων είναι μια κβαντική θεωρία πεδίου, τότε οποιαδήποτε ενοποίηση θα πρέπει να περιλαμβάνουν τη βαρύτητα ως θεωρία κβαντικού πεδίου, που σημαίνει ότι η επίλυση του προβλήματος 3 συνδέεται με την επίλυση του πρόβλημα 1.

Επιπλέον, το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής δείχνει πολλά διαφορετικά σωματίδια - 18 θεμελιώδη σωματίδια σε όλα. Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι μια θεμελιώδης θεωρία της φύσης πρέπει να έχει κάποια μέθοδο ενοποίησης αυτών των σωματιδίων, έτσι περιγράφονται με περισσότερους θεμελιώδεις όρους. Για παράδειγμα, θεωρία χορδών, η πιο καλά καθορισμένη από αυτές τις προσεγγίσεις, προβλέπει ότι όλα τα σωματίδια είναι διαφορετικοί δονητικοί τρόποι θεμελιωδών νημάτων ενέργειας ή χορδών.

ΕΝΑ θεωρητική φυσική το μοντέλο είναι ένα μαθηματικό πλαίσιο το οποίο, για να κάνει προβλέψεις, απαιτεί να οριστούν ορισμένες παράμετροι. Στο πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων, οι παράμετροι αντιπροσωπεύονται από τα 18 σωματίδια που προβλέπονται από τη θεωρία, που σημαίνει ότι οι παράμετροι μετρούνται με παρατήρηση.

Μερικοί φυσικοί, ωστόσο, πιστεύουν ότι οι θεμελιώδεις φυσικές αρχές της θεωρίας πρέπει να καθορίζουν αυτές τις παραμέτρους, ανεξάρτητα από τη μέτρηση. Το γεγονός αυτό προκάλεσε μεγάλο μέρος του ενθουσιασμού για μια ενοποιημένη θεωρία πεδίων στο παρελθόν και πυροδότησε τη διάσημη ερώτηση του Αϊνστάιν "Έχει ο Θεός κάποια επιλογή όταν δημιούργησε το σύμπαν; "Οι ιδιότητες του σύμπαντος καθορίζουν εγγενώς τη μορφή του σύμπαντος, επειδή αυτές οι ιδιότητες απλά δεν θα λειτουργήσουν εάν η μορφή είναι διαφορετικός?

Η απάντηση σε αυτό φαίνεται να στηρίζεται έντονα στην ιδέα ότι δεν υπάρχει μόνο ένα σύμπαν που θα μπορούσε να δημιουργηθεί, αλλά ότι υπάρχει ένα ευρύ φάσμα θεμελιωδών (ή διαφορετικές παραλλαγές της ίδιας θεωρίας, με βάση διαφορετικές φυσικές παραμέτρους, αρχικές ενεργειακές καταστάσεις κλπ.) και το σύμπαν μας είναι μόνο ένα από αυτά τα πιθανά σύμπαντα.

Σε αυτή την περίπτωση, το ερώτημα γίνεται γιατί το σύμπαν μας έχει ιδιότητες που φαίνονται τόσο λεπτή ώστε να επιτρέπουν την ύπαρξη της ζωής. Αυτή η ερώτηση ονομάζεται πρόβλημα ρύθμισης και έχει προωθήσει ορισμένους φυσικούς να στραφούν προς το ανθρωπιστική αρχή για μια εξήγηση, η οποία υπαγορεύει ότι το σύμπαν μας έχει τις ιδιότητες που κάνει επειδή αν είχε διαφορετικές ιδιότητες, δεν θα είμαστε εδώ για να θέσουμε την ερώτηση. (Μια σημαντική ώθηση του βιβλίου του Smolin είναι η κριτική αυτής της άποψης ως εξήγηση των ιδιοτήτων.)

Το σύμπαν εξακολουθεί να έχει πολλά μυστήρια, αλλά εκείνα που οι πιο άσχημοι φυσικοί είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια. Αυτός ο τύπος ύλης και ενέργειας ανιχνεύεται από τις βαρυτικές επιρροές του, αλλά δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, έτσι οι φυσικοί προσπαθούν ακόμα να καταλάβουν τι είναι. Ακόμα, ορισμένοι φυσικοί έχουν προτείνει εναλλακτικές εξηγήσεις για αυτές τις βαρυτικές επιρροές, που δεν απαιτούν νέες μορφές ύλης και ενέργειας, αλλά αυτές οι εναλλακτικές λύσεις δεν είναι δημοφιλείς για τους περισσότερους φυσικοί.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.