Fünf große Probleme in der theoretischen Physik

In seinem umstrittenen Buch "Das Problem mit der Physik: Der Aufstieg der Stringtheorie, der Fall einer Wissenschaft und was als nächstes kommt" aus dem Jahr 2006 weist der theoretische Physiker Lee Smolin auf "fünf große Probleme in der theoretischen Physik" hin.

1. Das Problem der Quantengravitation: Kombiniere allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie zu einer einzigen Theorie, die behaupten kann, die vollständige Theorie der Natur zu sein.
2. Die grundlegenden Probleme der Quantenmechanik: Lösen Sie die Probleme in den Grundlagen der Quantenmechanik, indem Sie entweder die Theorie in ihrer jetzigen Form verstehen oder eine neue Theorie erfinden, die Sinn macht.
3. Die Vereinigung von Teilchen und Kräften: Bestimmen Sie, ob die verschiedenen Teilchen und Kräfte in einer Theorie vereint werden können oder nicht, die sie alle als Manifestationen einer einzelnen fundamentalen Einheit erklärt.
4. Das Stimmproblem: Erklären Sie, wie die Werte der freien Konstanten im Standardmodell der Teilchenphysik in der Natur gewählt werden.
5. Das Problem der kosmologischen Geheimnisse: Erkläre dunkle Materie und dunkle Energie. Oder, falls nicht, bestimmen Sie, wie und warum die Schwerkraft in großem Maßstab verändert wird. Erklären Sie allgemeiner, warum die Konstanten des Standardmodells der Kosmologie, einschließlich der Dunklen Energie, die Werte haben, die sie haben.

Physik-Problem 1: Das Problem der Quantengravitation

Die Quantengravitation ist die Anstrengung in der theoretischen Physik, eine Theorie zu schaffen, die sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch das Standardmodell der Teilchenphysik umfasst. Gegenwärtig beschreiben diese beiden Theorien verschiedene Skalen der Natur und versuchen, die Skala zu untersuchen, in der sie die Ergebnisse überlappen, die keinen Sinn ergeben, z. B. wenn die Schwerkraft (oder die Krümmung der Raumzeit) unendlich wird. (Physiker sehen ja nie echte Unendlichkeiten in der Natur und wollen es auch nicht!)

Physik-Problem 2: Die grundlegenden Probleme der Quantenmechanik

Ein Problem beim Verständnis der Quantenphysik ist der zugrunde liegende physikalische Mechanismus. In der Quantenphysik gibt es viele Interpretationen - die klassische Kopenhagener Interpretation, die umstrittene Interpretation von Hugh Everette II. Für viele Welten und noch umstrittenere wie das partizipative anthropische Prinzip. Die Frage, die in diesen Interpretationen auftaucht, dreht sich darum, was tatsächlich den Kollaps der Quantenwellenfunktion verursacht. 

Die meisten modernen Physiker, die mit der Quantenfeldtheorie arbeiten, halten diese Interpretationsfragen nicht mehr für relevant. Das Prinzip der Dekohärenz ist für viele die Erklärung - Interaktion mit der Umwelt verursacht den Quantenkollaps. Noch wichtiger ist, dass Physiker in der Lage sind, die Gleichungen zu lösen, Experimente durchzuführen und Physik zu üben ohne Die Frage, was genau auf einer fundamentalen Ebene vor sich geht, wird geklärt, und die meisten Physiker möchten sich diesen bizarren Fragen nicht mit einer 20-Fuß-Stange nähern.

Physik-Problem 3: Die Vereinigung von Teilchen und Kräften

Es gibt vier fundamentale Kräfte der Physik, und das Standardmodell der Teilchenphysik umfasst nur drei von ihnen (Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft). Die Schwerkraft ist im Standardmodell nicht enthalten. Der Versuch, eine Theorie zu schaffen, die diese vier Kräfte zu einer einheitlichen Feldtheorie vereint, ist ein Hauptziel der theoretischen Physik.

Da das Standardmodell der Teilchenphysik eine Quantenfeldtheorie ist, muss jede Vereinheitlichung die Schwerkraft als Quantenfeldtheorie einschließen, was bedeutet, dass die Lösung von Problem 3 mit der Lösung von Problem 1 verbunden ist.

Darüber hinaus zeigt das Standardmodell der Teilchenphysik viele verschiedene Teilchen - insgesamt 18 grundlegende Teilchen. Viele Physiker glauben, dass eine fundamentale Theorie der Natur eine Methode zur Vereinheitlichung dieser Teilchen haben sollte, daher werden sie in grundlegenderen Begriffen beschrieben. Zum Beispiel sagt die Stringtheorie, der am besten definierte dieser Ansätze, voraus, dass alle Partikel unterschiedliche Schwingungsmodi von fundamentalen Energiefäden oder Strings sind.

Physik-Problem 4: Das Tuning-Problem

Ein theoretisches Physikmodell ist ein mathematischer Rahmen, für den bestimmte Parameter festgelegt werden müssen, um Vorhersagen treffen zu können. In dem Standardmodell der Teilchenphysik werden die Parameter durch die 18 von der Theorie vorhergesagten Teilchen dargestellt, was bedeutet, dass die Parameter durch Beobachtung gemessen werden.

Einige Physiker glauben jedoch, dass grundlegende physikalische Prinzipien der Theorie diese Parameter unabhängig von der Messung bestimmen sollten. Dies motivierte in der Vergangenheit einen Großteil der Begeisterung für eine einheitliche Feldtheorie und löste Einsteins berühmte Frage aus: "Hatte Gott eine Wahl, als er das Universum erschuf?" Legen die Eigenschaften des Universums von Natur aus die Form des Universums fest, da diese Eigenschaften nur dann nicht funktionieren, wenn sich das Formular unterscheidet?

Die Antwort darauf scheint stark in der Vorstellung zu liegen, dass nicht nur ein Universum geschaffen werden kann, sondern dass es eine breite Palette grundlegender Theorien gibt (oder verschiedene Varianten derselben Theorie, die auf unterschiedlichen physikalischen Parametern beruhen, ursprünglich Energiezustände usw.) und unser Universum ist nur eines dieser möglichen Universen.

In diesem Fall stellt sich die Frage, warum unser Universum Eigenschaften hat, die so fein abgestimmt zu sein scheinen, dass sie die Existenz von Leben ermöglichen. Diese Frage nennt man die Problem bei der Feinabstimmung und hat einige Physiker dazu angehalten, sich für eine Erklärung an das anthropische Prinzip zu wenden, das vorschreibt, dass unser Universum die Eigenschaften hat, die es hat, denn wenn es andere Eigenschaften hätte, wären wir nicht hier, um die Frage zu stellen. (Ein Hauptschwerpunkt von Smolins Buch ist die Kritik an diesem Standpunkt als Erklärung der Eigenschaften.)

Physik-Problem 5: Das Problem der kosmologischen Mysterien

Das Universum hat noch eine Reihe von Rätseln, aber die meisten ärgerlichen Physiker sind dunkle Materie und dunkle Energie. Diese Art von Materie und Energie wird durch ihre Gravitationseinflüsse erfasst, kann aber nicht direkt beobachtet werden. Deshalb versuchen die Physiker immer noch herauszufinden, was sie sind. Dennoch haben einige Physiker alternative Erklärungen für diese Gravitationseinflüsse vorgeschlagen, die keine neuen Formen von Materie und Energie erfordern, aber diese Alternativen sind für die meisten Physiker unpopulär.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..