חמש בעיות גדולות בפיזיקה תיאורטית

בספרו השנוי במחלוקת משנת 2006 "הצרה בפיזיקה: עליית תורת המיתרים, נפילת מדע, ומה שבא אחר כך ", מציין הפיזיקאי התיאורטי לי סמולין" חמש בעיות גדולות בתיאורטית פיזיקה."

1. בעיית הכבידה הקוונטית: שלב תורת היחסות הכללית תורת הקוונטים לתאוריה יחידה שיכולה לטעון שהיא תיאוריית הטבע השלמה.
2. הבעיות היסודיות של מכניקת הקוונטים: פתרו את הבעיות ביסודות מכניקת הקוונטים, אם על ידי הגיון בתאוריה כפי שהיא עומדת, או על ידי המצאת תיאוריה חדשה שאמנם הגיונית.
3. איחוד חלקיקים וכוחות: קבע אם ניתן לאחד את החלקיקים והכוחות השונים בתיאוריה שמסבירה את כולם כביטויים של ישות בסיסית אחת.
4. בעיית הכוונון: הסבירו כיצד נבחרים ערכי הקבועים החופשיים במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
5. בעיית התעלומות הקוסמולוגיות: להסביר חומר אפל ו אנרגיה שחורה. לחלופין, אם הם לא קיימים, קבע כיצד ומדוע משתנים כוח המשיכה בקנה מידה גדול. באופן כללי יותר, הסבירו למה לקבועים של המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, כולל האנרגיה האפלה, יש את הערכים שהם עושים.

כוח הכבידה הקוונטי הוא המאמץ בפיזיקה תיאורטית ליצור תיאוריה הכוללת את שניהם

נושא אחד בהבנה פיזיקה קוונטית זה המנגנון הפיזי העומד בבסיסו. יש הרבה פרשנויות בפיזיקה קוונטית - ה- פרשנות קופנהגן הקלאסית, פירוש העולמות הרבים השנוי במחלוקת של יו אוורט השני, ויותר מעוררי מחלוקת כמו ה- עקרון אנתרופי משתתף. השאלה שעולה בפרשנויות אלה נסובה סביב מה גורם למעשה לקריסת תפקוד הגל הקוונטי.

מרבית הפיזיקאים המודרניים שעובדים עם תיאוריית שדה קוונטי אינם רואים עוד את שאלות הפירוש הללו כרלוונטיות. עקרון הדקורנטיות הוא, עבור רבים, ההסבר - אינטראקציה עם הסביבה גורמת לקריסת הקוונטים. אפילו יותר משמעותי, פיזיקאים מסוגלים לפתור את המשוואות, לבצע ניסויים ולתרגל פיזיקה בלי לפתור את השאלות על מה שקורה בדיוק ברמה הבסיסית, ולכן רוב הפיזיקאים לא רוצים להתקרב לשאלות הביזאריות האלה עם מוט של 20 מטר.

יש ארבעה כוחות יסוד של הפיזיקהוהמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים כולל רק שלושה מהם (אלקטרומגנטיות, כוח גרעיני חזק וכוח גרעיני חלש). הכבידה נותרה מחוץ לדגם הסטנדרטי. מנסה ליצור תיאוריה אחת המאחדת את ארבעת הכוחות הללו ל תיאוריית שדה אחידה היא מטרה עיקרית של הפיזיקה התיאורטית.

מכיוון שהמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא תיאוריית שדות קוונטיים, אז כל איחוד יהיה חייב כוללים כוח משיכה כתורת שדה קוונטית, שמשמעותה שפתרון בעיה 3 קשור לפיתרון של בעיה 1.

בנוסף, המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מראה המון חלקיקים שונים - 18 חלקיקים יסודיים בסך הכל. פיזיקאים רבים מאמינים שלתיאוריה בסיסית של הטבע צריכה להיות שיטה כלשהי לאיחוד חלקיקים אלה, ולכן הם מתוארים במונחים יסודיים יותר. לדוגמה, תיאוריית המיתרים, המוגדרת היטב מבין גישות אלה, מנבאת כי כל החלקיקים הם מצבי רטט שונים של חוטי אנרגיה יסודיים, או מיתרים.

א פיזיקה תיאורטית מודל הוא מסגרת מתמטית שלצורך חיזוי דורשת קביעת פרמטרים מסוימים. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מיוצגים הפרמטרים על ידי 18 החלקיקים החזויים על ידי התיאוריה, כלומר הפרמטרים נמדדים על ידי תצפית.

עם זאת, ישנם פיזיקאים הסבורים כי עקרונות פיסיקליים בסיסיים של התיאוריה צריכים לקבוע פרמטרים אלה, ללא תלות במדידה. זה הניע הרבה מהתלהבות מתורת שדה אחידה בעבר והצית את השאלה המפורסמת של איינשטיין "האם לאלוהים הייתה ברירה כאשר היה יצר את היקום? "האם תכונות היקום מטבעות באופן טבעי את צורת היקום, מכיוון שמאפיינים אלה פשוט לא יעבדו אם הצורה היא שונה?

נראה כי התשובה לכך נוטה בעוצמה לרעיון שיש לא רק יקום אחד שיכול להיווצר, אלא שיש מגוון רחב של יסודות תיאוריות (או גרסאות שונות של אותה תיאוריה, המבוססות על פרמטרים פיסיקליים שונים, מצבי אנרגיה מקוריים וכן הלאה) והיקום שלנו הוא רק אחד מאותם אפשריים יקומים.

במקרה זה, השאלה הופכת מדוע ליקום שלנו יש תכונות שנראות מכוונות כל כך דקות כדי לאפשר קיום של חיים. שאלה זו נקראת בעיה בכוונון עדין וקידם כמה פיזיקאים לפנות למרכז עיקרון אנתרופי להסבר, המכתיב שליקום שלנו יש את המאפיינים שהוא עושה כי אם היו לו תכונות שונות, לא היינו כאן כדי לשאול את השאלה. (הדגש העיקרי בספרו של סמולין הוא הביקורת על נקודת מבט זו כהסבר על המאפיינים.)

ביקום יש עדיין מספר תעלומות, אך אלה שרוב הפיזיקאים השטים הם חומר אפל ואנרגיה אפלה. סוג זה של חומר ואנרגיה מתגלה על ידי השפעות הכבידה שלו, אך לא ניתן לצפות בהם ישירות, כך שהפיזיקאים עדיין מנסים להבין מה הם. ועדיין, חלק מהפיזיקאים הציעו הסברים חלופיים להשפעות הכבידה הללו, שאינן דורשות צורות חדשות של חומר ואנרגיה, אך אלטרנטיבות אלה אינן פופולריות לרוב פיזיקאים.

נערך על ידי אן מארי הלמנסטין, ד.