Vijf grote problemen in de theoretische fysica

In zijn controversiële boek uit 2006 "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, en What Comes Next ", benadrukt theoretisch natuurkundige Lee Smolin" vijf grote problemen in de theoretische wereld fysica."

1. Het probleem van kwantumzwaartekracht: Combineer algemene relativiteit en Kwantum theorie in een enkele theorie die kan beweren de volledige natuurleer te zijn.
2. De fundamentele problemen van de kwantummechanica: Los de problemen in de grondslagen van de kwantummechanica op, ofwel door de theorie zoals ze nu is te begrijpen, of door een nieuwe theorie te bedenken die wel logisch is.
3. De vereniging van deeltjes en krachten: Bepaal of de verschillende deeltjes en krachten al dan niet verenigd kunnen worden in een theorie die ze allemaal verklaart als manifestaties van een enkele, fundamentele entiteit.
4. Het afstemmingsprobleem: Leg uit hoe de waarden van de vrije constanten in het standaardmodel van de deeltjesfysica in de natuur worden gekozen.
5. Het probleem van kosmologische mysteries
   instagram viewer
   : Leg uit donkere materie en donkere energie. Of, als ze niet bestaan, bepaal hoe en waarom de zwaartekracht op grote schaal wordt gewijzigd. Leg meer in het algemeen uit waarom de constanten van het standaardmodel van de kosmologie, inclusief de donkere energie, de waarden hebben die ze hebben.

Quantumzwaartekracht is de poging in de theoretische fysica om een ​​theorie te creëren die beide omvat algemene relativiteit en het standaardmodel van de deeltjesfysica. Momenteel beschrijven deze twee theorieën verschillende natuurschalen en proberen ze de schaal te verkennen waar ze zijn overlappen resultaten die niet helemaal logisch zijn, zoals de zwaartekracht (of kromming van de ruimtetijd) die wordt eindeloos. (Fysici zien tenslotte nooit echte oneindigheden in de natuur, en dat willen ze ook niet!)

Een probleem met begrip kwantumfysica is wat het onderliggende fysieke mechanisme is. Er zijn veel interpretaties in de kwantumfysica - de klassieke Kopenhagen-interpretatie, Hugh Everette II's controversiële Many Worlds Interpretation, en zelfs nog meer controversiële zoals de Participatief antropisch principe. De vraag die in deze interpretaties naar voren komt, draait om wat de ineenstorting van de kwantumgolffunctie veroorzaakt.

De meeste moderne natuurkundigen die met de kwantumveldentheorie werken, beschouwen deze interpretatievragen niet langer als relevant. Het principe van decoherentie is voor velen de verklaring - interactie met de omgeving zorgt ervoor dat de quantum instort. Nog belangrijker is dat natuurkundigen de vergelijkingen kunnen oplossen, experimenten kunnen uitvoeren en natuurkunde kunnen oefenen zonder het oplossen van de vragen over wat er precies gebeurt op een fundamenteel niveau, en dus willen de meeste natuurkundigen deze bizarre vragen niet benaderen met een 20-voet paal.

Er zijn vier fundamentele natuurkundige krachten, en het standaardmodel van de deeltjesfysica omvat er slechts drie (elektromagnetisme, sterke kernkracht en zwakke kernkracht). Zwaartekracht is weggelaten uit het standaardmodel. Proberen een theorie te creëren die deze vier krachten verenigt tot een verenigde veldtheorie is een belangrijk doel van de theoretische natuurkunde.

Aangezien het standaardmodel van de deeltjesfysica een kwantumveldentheorie is, zal elke eenwording dat moeten doen zwaartekracht opnemen als een kwantumveldentheorie, wat betekent dat het oplossen van probleem 3 verband houdt met het oplossen van probleem 1.

Bovendien toont het standaardmodel van de deeltjesfysica veel verschillende deeltjes - in totaal 18 fundamentele deeltjes. Veel natuurkundigen zijn van mening dat een fundamentele natuurtheorie een methode zou moeten hebben om deze deeltjes te verenigen, dus worden ze in meer fundamentele termen beschreven. Bijvoorbeeld, snaartheorie, de meest goed gedefinieerde van deze benaderingen, voorspelt dat alle deeltjes verschillende trillingsmodi zijn van fundamentele energiefilamenten of snaren.

EEN theoretische fysica model is een wiskundig raamwerk dat, om voorspellingen te doen, vereist dat bepaalde parameters worden ingesteld. In het standaardmodel van de deeltjesfysica worden de parameters weergegeven door de 18 door de theorie voorspelde deeltjes, wat betekent dat de parameters worden gemeten door observatie.

Sommige natuurkundigen zijn echter van mening dat de fundamentele fysische principes van de theorie deze parameters moeten bepalen, onafhankelijk van de meting. Dit motiveerde veel van het enthousiasme voor een verenigde veldtheorie in het verleden en leidde tot de beroemde vraag van Einstein: 'Had God een keuze toen hij de universe gemaakt? '' Hebben de eigenschappen van de universe inherent de vorm van de universe ingesteld, omdat deze eigenschappen gewoon niet werken als de vorm anders?

Het antwoord hierop lijkt sterk te leunen op het idee dat er niet slechts één universum kan worden gecreëerd, maar dat er een breed scala aan fundamentele theorieën (of verschillende varianten van dezelfde theorie, gebaseerd op verschillende fysieke parameters, originele energietoestanden, enzovoort) en ons universum is slechts een van deze mogelijke universa.

In dit geval wordt de vraag waarom ons universum eigenschappen heeft die zo fijn afgestemd lijken te zijn om het bestaan ​​van leven mogelijk te maken. Deze vraag heet de fijnafstemming probleem en heeft enkele natuurkundigen aangemoedigd zich tot de antropisch principe voor een uitleg, die dicteert dat ons universum de eigenschappen heeft die het heeft, want als het verschillende eigenschappen had, zouden we hier niet zijn om de vraag te stellen. (Een belangrijk punt in het boek van Smolin is de kritiek op dit standpunt als een verklaring van de eigenschappen.)

Het universum heeft nog steeds een aantal mysteries, maar degenen die de meeste ergere fysici zijn, zijn donkere materie en donkere energie. Dit type materie en energie wordt gedetecteerd door de zwaartekrachtinvloeden, maar kan niet direct worden waargenomen, dus natuurkundigen proberen nog steeds uit te zoeken wat ze zijn. Toch hebben sommige natuurkundigen alternatieve verklaringen voor deze gravitatie-invloeden voorgesteld, waarvoor geen nieuwe vormen van materie en energie nodig zijn, maar deze alternatieven zijn voor de meesten niet populair natuurkundigen.

Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.