خمس مشكلات كبرى في الفيزياء النظرية

في كتابه المثير للجدل لعام 2006 "المشكلة مع الفيزياء: صعود نظرية الأوتار ، وسقوط العلم ، وماذا بعد ذلك "، يشير الفيزيائي النظري لي سمولين إلى" خمس مشاكل كبيرة في النظرية الفيزياء."

1. مشكلة الجاذبية الكمية: الجمع بين النسبية العامة و نظرية الكم في نظرية واحدة يمكن أن تدعي أنها النظرية الكاملة للطبيعة.
2. المشاكل التأسيسية لميكانيكا الكم: حل المشاكل في أسس ميكانيكا الكم ، إما عن طريق فهم النظرية كما هي أو من خلال ابتكار نظرية جديدة ذات معنى.
3. توحيد الجسيمات والقوى: تحديد ما إذا كان يمكن توحيد الجسيمات والقوى المختلفة أم لا في نظرية تفسرها جميعًا على أنها مظاهر كيان أساسي واحد.
4. مشكلة الضبط: اشرح كيف يتم اختيار قيم الثوابت الحرة في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات في الطبيعة.
5. مشكلة الألغاز الكونية: يشرح المادة المظلمة و الطاقة المظلمة. أو ، إذا لم تكن موجودة ، حدد كيف ولماذا يتم تعديل الجاذبية على نطاق واسع. بشكل عام ، اشرح لماذا تمتلك ثوابت النموذج القياسي لعلم الكونيات ، بما في ذلك الطاقة المظلمة ، القيم التي تمتلكها.

جاذبية الكم هو الجهد في الفيزياء النظرية لخلق نظرية تشمل كليهما

قضية واحدة مع الفهم فيزياء الكم هي الآلية الفيزيائية الأساسية المعنية. هناك العديد من التفسيرات في فيزياء الكم - تفسير كوبنهاجن الكلاسيكي ، مثيرة للجدل هيو ايفريت الثاني تفسير العديد من العوالم ، وأكثر إثارة للجدل مثل مبدأ الأنثروبك التشاركي. يدور السؤال الذي يطرح في هذه التفسيرات حول الأسباب التي تؤدي بالفعل إلى انهيار دالة الموجة الكمومية.

لم يعد معظم الفيزيائيين الحديثين الذين يعملون مع نظرية المجال الكمي يعتبرون أسئلة التفسير ذات صلة. مبدأ فك الارتباط هو ، بالنسبة للكثيرين ، التفسير - التفاعل مع البيئة يسبب الانهيار الكمي. والأهم من ذلك ، أن الفيزيائيين قادرون على حل المعادلات وإجراء التجارب وممارسة الفيزياء بدون حل الأسئلة حول ما يحدث بالضبط على المستوى الأساسي ، وبالتالي فإن معظم الفيزيائيين لا يريدون الاقتراب من هذه الأسئلة الغريبة بقطب 20 قدمًا.

يوجد أربع قوى أساسية للفيزياء، ويتضمن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ثلاثة منها فقط (الكهرومغناطيسية ، والقوة النووية القوية ، والقوة النووية الضعيفة). يتم ترك الجاذبية خارج النموذج القياسي. محاولة إنشاء نظرية واحدة توحد هذه القوى الأربع في نظرية المجال الموحد هو هدف رئيسي للفيزياء النظرية.

بما أن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هو نظرية المجال الكمي ، فإن أي توحيد يجب أن يكون تشمل الجاذبية كنظرية المجال الكمي ، مما يعني أن حل المشكلة 3 مرتبط بحل المشكلة 1.

بالإضافة إلى ذلك ، يظهر النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الكثير من الجسيمات المختلفة - 18 جسيمًا أساسيًا في الكل. يعتقد العديد من الفيزيائيين أن النظرية الأساسية للطبيعة يجب أن يكون لديها طريقة لتوحيد هذه الجسيمات ، لذلك يتم وصفها بمصطلحات أكثر جوهرية. فمثلا، نظرية الأوتار، الأكثر تحديدًا جيدًا لهذه النهج ، يتنبأ بأن جميع الجسيمات هي أنماط اهتزازية مختلفة لشعيرات أساسية للطاقة ، أو سلاسل.

أ الفيزياء النظرية النموذج هو إطار رياضي يتطلب ، من أجل التنبؤات ، تحديد معايير معينة. في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، يتم تمثيل المعلمات بواسطة الجسيمات الـ 18 التي تنبأت بها النظرية ، مما يعني أن المعلمات تقاس بالملاحظة.

ومع ذلك ، يعتقد بعض الفيزيائيين أن المبادئ الفيزيائية الأساسية للنظرية يجب أن تحدد هذه المعلمات ، بغض النظر عن القياس. حفز هذا الكثير من الحماس على نظرية المجال الموحد في الماضي وأثار سؤال آينشتاين الشهير "هل كان لدى الله أي خيار عندما خلقت الكون؟ "هل خصائص الكون تحدد بطبيعتها شكل الكون ، لأن هذه الخصائص لن تعمل إذا كان النموذج مختلف؟

يبدو أن الجواب على هذا يميل بقوة إلى فكرة أنه لا يوجد الكون الوحيد الذي يمكن إنشاؤه ، ولكن هناك مجموعة واسعة من الأساسيات النظريات (أو متغيرات مختلفة من نفس النظرية ، بناءً على معلمات فيزيائية مختلفة ، وحالات الطاقة الأصلية ، وما إلى ذلك) وكوننا هو واحد فقط من هذه الأكوان.

في هذه الحالة ، يصبح السؤال هو لماذا يمتلك كوننا خصائص تبدو مضبوطة بدقة للسماح بوجود الحياة. هذا السؤال يسمى ضبط المشكلة وقد شجع بعض الفيزيائيين على اللجوء إلى مبدأ الإنسان للحصول على تفسير ، والذي يفرض أن كوننا لديه الخصائص التي يمتلكها لأنه إذا كان له خصائص مختلفة ، فلن نكون هنا لطرح السؤال. (إن التوجه الرئيسي لكتاب سمولين هو انتقاد وجهة النظر هذه كشرح للممتلكات.)

لا يزال للكون عدد من الألغاز ، لكن الألغاز التي يروج لها معظم علماء الفيزياء هي المادة المظلمة والطاقة المظلمة. يتم الكشف عن هذا النوع من المادة والطاقة من خلال تأثيرات الجاذبية ، ولكن لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر ، لذلك لا يزال الفيزيائيون يحاولون معرفة ماهيتها. مع ذلك ، اقترح بعض الفيزيائيين تفسيرات بديلة لهذه التأثيرات الجاذبية ، التي لا تتطلب أشكالًا جديدة من المادة والطاقة ، لكن هذه البدائل لا تحظى بشعبية لدى معظم الناس علماء الفيزياء.

حررت بواسطة آن ماري هيلمينستين ، د.