Viis suurt probleemi teoreetilises füüsikas

Tema 2006. aasta vastuolulises raamatus "Füüsika hädad: keelteooria tõus, teaduse langus" ja What Comes Next ", toob teoreetiline füüsik Lee Smolin välja" viis suurt probleemi teoreetilises osas Füüsika."

1. Kvantgravitatsiooni probleem: Ühendage üldrelatiivsus ja kvantteooria üheks teooriaks, mis võib väita, et see on täielik loodusteooria.
2. Kvantmehaanika põhiprobleemid: Lahendage kvantmehaanika aluste probleemid, tehes seda teooria praeguses tähenduses või leiutades uue mõistliku teooria.
3. Osakeste ja jõudude ühendamine: Määrake, kas erinevaid osakesi ja jõude saab ühendada teoorias, mis seletab neid kõiki ühe põhiolemuse olemina.
4. Häälestamise probleem: Selgitage, kuidas osakeste füüsika standardmudeli vabade konstantide väärtused looduses valitakse.
5. Kosmoloogiliste müsteeriumide probleem: Seletama tume aine ja tume energia. Või kui neid pole, siis määrake, kuidas ja miks raskusjõudu suurtel skaaladel muudetakse. Üldisemalt selgitage, miks kosmoloogia standardmudeli konstantidel, sealhulgas tumeenergial, on väärtused, mida nad teevad.

Kvantgravitatsioon on teoreetilise füüsika püüdlus luua mõlemaid hõlmav teooria üldrelatiivsus ja osakeste füüsika standardmudel. Praegu kirjeldavad need kaks teooriat looduse erinevaid skaalasid ja proovivad uurida skaala, kus nad asuvad kattuvad saagisetulemused, millel pole päris mõtet, näiteks raskusjõu (või kosmoseaja kumeruse) muutumine lõpmatu. (Lõppude lõpuks ei näe füüsikud kunagi looduses tõelisi lõpmatusi ega taha ka!)

Üks teema mõistmisega kvantfüüsika on see, mille aluseks olev füüsiline mehhanism on. Kvantfüüsikas on palju tõlgendusi - klassikaline Kopenhaageni tõlgendus, Hugh Everette II vastuoluline paljude maailmade tõlgendus ja veelgi vaieldavamad, nagu näiteks Antropoloogiline osaluspõhimõte. Nendes tõlgendustes kerkib küsimus, mis tegelikult põhjustab kvantlainefunktsiooni kokkuvarisemist.

Enamik tänapäevaseid füüsikuid, kes töötavad kvantvälja teooriaga, ei pea neid tõlgendusküsimusi enam asjakohasteks. Dekoherentsuse põhimõte on paljudele seletus - interaktsioon keskkonnaga põhjustab kvantkollapi. Veelgi olulisem on see, et füüsikud suudavad võrrandid lahendada, katseid teha ja füüsikat praktiseerida ilma lahendades küsimused, mis täpselt toimub põhitasandil, ja nii ei taha enamik füüsikuid nende veidrate küsimuste juurde jõuda 20-jalase postiga.

Seal on neli füüsika põhijõud, ja osakestefüüsika standardmudel sisaldab neist ainult kolme (elektromagnetism, tugev tuumajõud ja nõrk tuumajõud). Gravitatsioon jäetakse tavamudelist välja. Proovitakse luua üks teooria, mis ühendab need neli jõudu a-ks ühtne väljateooria on teoreetilise füüsika peamine eesmärk.

Kuna osakeste füüsika standardmudel on kvantvälja teooria, peab iga ühendamine toimuma hõlmavad gravitatsiooni kui kvantvälja teooriat, mis tähendab, et ülesande 3 lahendamine on seotud 1. probleem.

Lisaks näitab osakestefüüsika standardmudel palju erinevaid osakesi - kokku 18 põhiosakest. Paljud füüsikud usuvad, et fundamentaalsel loodusteoorial peaks olema mingi meetod nende osakeste ühendamiseks, nii et neid kirjeldatakse põhjalikumalt. Näiteks, keelteooria, nende lähenemisviiside kõige paremini määratletud, ennustab, et kõik osakesed on erinevad põhiliste energiakiudude või keelte vibratsioonirežiimid.

A teoreetiline füüsika mudel on matemaatiline raamistik, mis eelduste tegemiseks eeldab teatud parameetrite seadmist. Osakeste füüsika standardses mudelis tähistatakse parameetreid teooria poolt ennustatud 18 osakesega, mis tähendab, et parameetreid mõõdetakse vaatluse teel.

Mõned füüsikud usuvad siiski, et need parameetrid peaksid mõõtmisest sõltumatult määrama teooria põhilised füüsikalised põhimõtted. See motiveeris suures osas mineviku entusiasmi ühtse väljateooria järele ja kutsus esile Einsteini kuulsa küsimuse "Kas jumalal oli valikut, kui ta lõi universumi? "Kas universumi omadused määravad olemuselt universumi vormi, sest need omadused lihtsalt ei toimi, kui vorm on erinevad?

Näib, et vastus sellele kaldub tugevalt mõtte poole, et pole ainult üks universum, mida saaks luua, vaid et seal on lai valik põhimõttelisi põhimõtteid teooriaid (või sama teooria erinevaid variante, mis põhinevad erinevatel füüsikalistel parameetritel, algsetel energiaseisunditel ja nii edasi) ja meie universum on vaid üks neist võimalikest universumid.

Sel juhul muutub küsimus, miks meie universumil on omadused, mis näivad olevat nii peenelt häälestatud, et võimaldada elu olemasolu. Seda küsimust nimetatakse täpsustav probleem ja on ergutanud mõnda füüsikut pöörduma antropiline põhimõte selgituse saamiseks, mis dikteerib, et meie universumil on omadused, mida ta teeb, sest kui sellel oleks teistsuguseid omadusi, ei oleks meil siin küsimusi. (Smolini raamatu peamine tõuge on selle vaate kriitika kui omaduste selgitus.)

Universumil on endiselt mitmeid saladusi, kuid need, mis on kõige ärevamad füüsikud, on tume aine ja tume energia. Seda tüüpi ainet ja energiat tuvastavad selle gravitatsioonilised mõjud, kuid neid ei saa otseselt jälgida, seetõttu proovivad füüsikud ikkagi välja mõelda, mis need on. Mõned füüsikud on siiski pakkunud nendele gravitatsioonilistele mõjudele alternatiivseid seletusi, mis ei vaja uusi aine- ja energiavorme, kuid need alternatiivid on enamiku jaoks ebapopulaarsed füüsikud.

Toimetanud Anne Marie Helmenstine, Ph.