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, and What Comes Next", wijst theoretisch fysicus Lee Smolin op "vijf grote problemen in de theoretische fysica."

Het probleem van kwantumzwaartekracht: Combineer algemene relativiteitstheorie en kwantumtheorie in een enkele theorie die kan beweren de complete natuurtheorie te zijn.
De fundamentele problemen van de kwantummechanica: Los de problemen in de grondslagen van de kwantummechanica op, hetzij door de theorie in haar huidige vorm te begrijpen of door een nieuwe theorie uit te vinden die wel klopt.
De vereniging van deeltjes en krachten: Bepaal of de verschillende deeltjes en krachten al dan niet kunnen worden verenigd in een theorie die ze allemaal verklaart als manifestaties van een enkele, fundamentele entiteit.
Het afstemmingsprobleem: Leg uit hoe de waarden van de vrije constanten in het standaardmodel van deeltjesfysica in de natuur worden gekozen.
Het probleem van kosmologische mysteries: Verklaar donkere materie en donkere energie. Of, als ze niet bestaan, bepalen hoe en waarom de zwaartekracht op grote schaal wordt gewijzigd. Meer in het algemeen, leg uit waarom de constanten van het standaardmodel van de kosmologie, inclusief de donkere energie, de waarden hebben die ze hebben.

Natuurkunde Probleem 1: Het probleem van kwantumzwaartekracht

Kwantumzwaartekracht is de inspanning in de theoretische fysica om een theorie te maken die zowel algemene relativiteitstheorie als het standaardmodel van deeltjesfysica omvat. Momenteel beschrijven deze twee theorieën verschillende schalen van de natuur en proberen ze de schaal te verkennen waar ze overlappende resultaten opleveren die niet helemaal logisch zijn, zoals de zwaartekracht (of kromming van ruimtetijd) die oneindig wordt. (Natuurkundigen zien immers nooit echte oneindigheden in de natuur, en willen dat ook niet!)

Natuurkunde Probleem 2: De fundamentele problemen van kwantummechanica

Een probleem met het begrijpen van kwantumfysica is wat het onderliggende fysieke mechanisme is. Er zijn veel interpretaties in de kwantumfysica - de klassieke Kopenhagen-interpretatie, de controversiële Many Worlds Interpretation van Hugh Everette II, en zelfs meer controversiële zoals het Participatory Anthropic Principle. De vraag die in deze interpretaties naar boven komt, draait om wat de instorting van de kwantumgolffunctie eigenlijk veroorzaakt.

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

Natuurkunde Probleem 3: De eenwording van deeltjes en krachten

Er zijn vier fundamentele krachten van de fysica en het standaardmodel voor deeltjesfysica omvat er slechts drie (elektromagnetisme, sterke nucleaire kracht en zwakke nucleaire kracht). Zwaartekracht is weggelaten uit het standaardmodel. Het proberen om één theorie te creëren die deze vier krachten verenigt tot een verenigde veldtheorie is een belangrijk doel van de theoretische fysica.

Aangezien het standaardmodel van de deeltjesfysica een kwantumveldentheorie is, zal elke unificatie zwaartekracht moeten 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 geloven dat een fundamentele theorie van de natuur een methode moet hebben om deze deeltjes te verenigen, dus ze worden in meer fundamentele termen beschreven. De snaartheorie, de meest goed gedefinieerde van deze benaderingen, voorspelt bijvoorbeeld dat alle deeltjes verschillende vibratiemodi zijn van fundamentele energiedraden of snaren.

Natuurkunde Probleem 4: Het afstemmingsprobleem

Een theoretisch natuurkundemodel 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 deeltjes die door de theorie worden voorspeld, wat betekent dat de parameters worden gemeten door observatie.

Sommige natuurkundigen zijn echter van mening dat fundamentele fysische principes van de theorie deze parameters moeten bepalen, onafhankelijk van metingen. Dit motiveerde veel van het enthousiasme voor een verenigde veldtheorie in het verleden en leidde tot Einsteins beroemde vraag: "Had God enige keuze toen hij het universum schiep?" Stel de eigenschappen van het universum inherent de vorm van het universum in, omdat deze eigenschappen gewoon niet werken als de vorm anders is?

Het antwoord hierop lijkt sterk te leunen op het idee dat er niet alleen 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, origineel is) energietoestanden, enzovoort) en ons universum is slechts een van deze mogelijke universums.

In dit geval wordt de vraag waarom ons universum eigenschappen heeft die zo fijn zijn afgestemd om het bestaan mogelijk te maken. Deze vraag wordt de fijnafstemmingsprobleem en heeft sommige natuurkundigen ertoe aangezet om zich tot het antropische principe te wenden voor een verklaring, die dicteert dat ons universum de eigenschappen heeft die het heeft, want als het andere eigenschappen had, zouden we hier niet zijn om de vraag te stellen. (Een belangrijke stuwkracht in het boek van Smolin is de kritiek op dit standpunt als een verklaring voor de eigenschappen.)

Natuurkunde Probleem 5: The Problem of Cosmological Mysteries

Het universum heeft nog steeds een aantal mysteries, maar degene die de meeste vex-fysici zijn donkere materie en donkere energie. Dit soort materie en energie wordt gedetecteerd door de zwaartekrachtsinvloeden, maar kan niet direct worden waargenomen, dus fysici proberen nog steeds te achterhalen wat ze zijn. Toch hebben sommige natuurkundigen alternatieve verklaringen voorgesteld voor deze zwaartekrachtsinvloeden, waarvoor geen nieuwe vormen van materie en energie nodig zijn, maar deze alternatieven zijn niet populair voor de meeste natuurkundigen.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

Wetenschap