Lista nierozwiązanych problemów z fizyki - List of unsolved problems in physics

Jest to lista dynamiczna i może nigdy nie być w stanie spełnić określonych standardów kompletności. Możesz pomóc, dodając brakujące elementy z wiarygodnych źródeł .

Poniżej znajduje się lista godnych uwagi nierozwiązanych problemów pogrupowanych w szerokie obszary fizyki.

Niektóre z głównych nierozwiązanych problemów w fizyce są teoretyczne, co oznacza, że istniejące teorie wydają się niezdolne do wyjaśnienia pewnej obserwowanego zjawiska lub rezultat eksperymentalnej. Pozostałe mają charakter eksperymentalny, co oznacza, że ​​istnieje trudność w stworzeniu eksperymentu, aby przetestować proponowaną teorię lub bardziej szczegółowo zbadać zjawisko.

Nadal istnieją pewne pytania poza Modelem Standardowym fizyki , takie jak silny problem CP , masa neutrin , asymetria materia-antymateria oraz natura ciemnej materii i ciemnej energii . Inny problem leży w matematycznych ramach samego Modelu Standardowego — Model Standardowy jest niezgodny z ogólną teorią względności do tego stopnia, że ​​jedna lub obie teorie załamują się w określonych warunkach (na przykład w obrębie znanych osobliwości czasoprzestrzeni, takich jak Wielki Wybuch i ośrodki z czarnych dziur poza horyzontem zdarzeń ).

Fizyka ogólna

  • Teoria wszystkiego : Czy istnieje teoria, która wyjaśnia wartości wszystkich podstawowych stałych fizycznych , tj. wszystkich stałych sprzężenia, wszystkich mas cząstek elementarnych i wszystkich kątów mieszania cząstek elementarnych?
  • Strzałka czasu (np . strzałka czasu entropii ): Dlaczego czas ma kierunek? Dlaczego wszechświat miał w przeszłości tak niską entropię , a czas koreluje z uniwersalnym (ale nie lokalnym) wzrostem entropii, od przeszłości do przyszłości, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ? Dlaczego naruszenia CP są obserwowane w niektórych słabych zanikach siły, ale nie gdzie indziej? Czy naruszenia CP są w jakiś sposób produktem drugiej zasady termodynamiki, czy też są osobną strzałką czasu? Czy istnieją wyjątki od zasady przyczynowości ? Czy istnieje jedna możliwa przeszłość? Czy teraźniejszość fizycznie różni się od przeszłości i przyszłości, czy też jest to tylko wyłaniająca się właściwość świadomości ? Co łączy kwantową strzałkę czasu ze strzałką termodynamiczną?
  • Bezwymiarowe stałe fizyczne : W chwili obecnej nie można obliczyć wartości różnych bezwymiarowych stałych fizycznych; można je określić tylko przez pomiar fizyczny. Jaka jest minimalna liczba bezwymiarowych stałych fizycznych, z których można wyprowadzić wszystkie inne bezwymiarowe stałe fizyczne? Czy wymiarowe stałe fizyczne są w ogóle konieczne?
  • Dostrojony wszechświat : wartości podstawowych stałych fizycznych mieszczą się w wąskim zakresie niezbędnym do podtrzymania życia opartego na węglu. Czy to dlatego, że istnieją inne wszechświaty o różnych stałych, czy też stałe naszego wszechświata są wynikiem przypadku lub jakiegoś innego czynnika lub procesu? Sformalizowania wymagają w szczególności hipoteza matematycznego wieloświata Tegmarka o abstrakcyjnych matematycznych sformalizowanych modelach wszechświata równoległego oraz hipoteza wieloświata krajobrazowego regionów czasoprzestrzeni o różnych sformalizowanych zestawach praw i stałych fizycznych niż w otaczającej przestrzeni.

Grawitacja kwantowa

Fizyka kwantowa

  • Interpretacja mechaniki kwantowej : W jaki sposób kwantowy opis rzeczywistości, który obejmuje takie elementy, jak superpozycja stanów i załamanie funkcji falowej lub dekoherencja kwantowa , daje początek rzeczywistości, którą postrzegamy? Inny sposób postawienia tego pytania dotyczy problemu pomiaru : Co stanowi „pomiar”, który najwyraźniej powoduje, że funkcja falowa zapada się do określonego stanu? W przeciwieństwie do klasycznych procesów fizycznych, niektóre procesy mechaniki kwantowej (takie jak teleportacja kwantowa wynikająca ze splątania kwantowego ) nie mogą być jednocześnie „lokalne”, „przyczynowe” i „rzeczywiste”, ale nie jest oczywiste, która z tych właściwości musi zostać poświęcona lub czy próba opisania procesów mechaniki kwantowej w tych zmysłach jest błędem kategorii, tak że właściwe zrozumienie mechaniki kwantowej pozbawiłoby to sensu pytania. Czy wieloświat może go rozwiązać?
  • Teoria Yanga-Millsa : Czy przy dowolnej zwartej grupie cechowania istnieje nietrywialna kwantowa teoria Yanga-Millsa ze skończoną przerwą masową ? (Ten problem jest również wymieniony jako jeden z problemów związanych z Nagrodą Milenijną w matematyce.)
  • Kwantowa teoria pola : Czy możliwe jest skonstruowanie, w matematycznie rygorystycznych ramach algebraicznej QFT , teorii w 4-wymiarowej czasoprzestrzeni, która obejmuje interakcje i nie korzysta z metod perturbacyjnych ?
  • Miejscowość : Czy w fizyce kwantowej występują zjawiska nielokalne? Jeśli istnieją, to czy zjawiska nielokalne ograniczają się do splątania ujawnionego w naruszeniach nierówności Bella , czy też informacja i zachowane wielkości mogą poruszać się również w sposób nielokalny? W jakich okolicznościach obserwuje się zjawiska nielokalne? Co oznacza istnienie lub brak zjawisk nielokalnych w fundamentalnej strukturze czasoprzestrzeni? Jak to wyjaśnia właściwą interpretację fundamentalnej natury fizyki kwantowej?

Kosmologia i ogólna teoria względności

Szacowany rozkład ciemnej materii i ciemnej energii we wszechświecie
  • Ciemna materia : Jaka jest tożsamość ciemnej materii? Czy to cząstka ? Czy to najlżejszy superpartner (LSP)? A może zjawiska przypisywane ciemnej materii nie wskazują na jakąś formę materii, ale na rozszerzenie grawitacji ?
  • Ciemna energia : Co jest przyczyną obserwowanej przyspieszonej ekspansji ( faza de Sittera ) wszechświata? Dlaczego gęstość energii składnika ciemnej energii jest tej samej wielkości co gęstość materii w chwili obecnej, kiedy te dwie rzeczy ewoluują w czasie zupełnie inaczej; czy to możliwe, że obserwujemy dokładnie we właściwym czasie ? Czy ciemna energia jest czystą stałą kosmologiczną, czy można zastosować modele kwintesencji, takie jak energia fantomowa ?
  • Przepływ ciemności : czy niesferycznie symetryczne przyciąganie grawitacyjne spoza obserwowalnego wszechświata jest odpowiedzialne za niektóre obserwowane ruchy dużych obiektów, takich jak gromady galaktyk we wszechświecie?
  • Oś zła : Niektóre duże elementy nieba mikrofalowego w odległości ponad 13 miliardów lat świetlnych wydają się być zgodne zarówno z ruchem, jak i orientacją Układu Słonecznego. Czy jest to spowodowane systematycznymi błędami w przetwarzaniu, zanieczyszczeniem wyników efektami lokalnymi, czy niewyjaśnionym naruszeniem zasady kopernikańskiej ?
  • Kształt wszechświata : Co to jest 3- kolektor z comoving przestrzeni , czyli z comoving sekcji przestrzennych wszechświata, nieoficjalnie nazywany „kształt” wszechświata? Ani krzywizna, ani topologia nie są obecnie znane, chociaż wiadomo, że krzywizna jest „bliska” zeru w obserwowalnych skalach. Kosmiczna inflacja hipoteza sugeruje, że kształt wszechświata może być niemierzalna, ale od 2003 roku, Jean-Pierre Luminet , et al., A pozostałe grupy sugerują, że kształt wszechświata może być Poincaré dodecahedral przestrzeń . Czy kształt jest niemierzalny; przestrzeń Poincare; czy inny 3-rozdzielacz?
  • Do największych struktur we wszechświecie są większe niż oczekiwano. Obecne modele kosmologiczne mówią, że w skalach większych niż kilkaset milionów lat świetlnych powinno być bardzo mało struktur, ze względu na ekspansję wszechświata, która pokonuje efekt grawitacji. Ale Wielki Mur Sloana ma długość 1,38 miliarda lat świetlnych . A największa znana obecnie struktura, Wielki Mur Hercules-Corona Borealis , ma długość do 10 miliardów lat świetlnych. Czy są to rzeczywiste struktury czy losowe fluktuacje gęstości? Jeśli są to rzeczywiste struktury, to zaprzeczają hipotezie „ Koniec wielkości ”, która głosi, że w skali 300 milionów lat świetlnych struktury widziane w mniejszych przeglądach są losowe do tego stopnia, że ​​gładki rozkład Wszechświata jest widoczny wizualnie.
  • Dodatkowe wymiary : Czy natura ma więcej niż cztery wymiary czasoprzestrzeni ? Jeśli tak, jaki jest ich rozmiar? Czy wymiary są fundamentalną właściwością wszechświata, czy wyłaniającym się rezultatem innych praw fizycznych? Czy możemy doświadczalnie zaobserwować dowody na wyższe wymiary przestrzenne?

Fizyka wysokich energii/fizyka cząstek

Zobacz także: Poza modelem standardowym
  • Problem hierarchii : dlaczego grawitacja jest tak słabą siłą? Staje się silna dla cząstek dopiero w skali Plancka , około 10 19 GeV , znacznie powyżej skali elektrosłabej (100 GeV, skala energii dominująca w fizyce przy niskich energiach). Dlaczego te skale tak bardzo różnią się od siebie? Co powstrzymuje wielkości w skali elektrosłabej, takie jak masa bozonu Higgsa , przed uzyskaniem poprawek kwantowych rzędu skali Plancka? Czy rozwiązaniem jest supersymetria , dodatkowe wymiary , czy po prostu antropiczne dostrojenie ?
  • Monopole magnetyczne : Czy cząstki przenoszące „ładunek magnetyczny” istniały w jakiejś minionej, wysokoenergetycznej epoce? Jeśli tak, czy któreś z nich pozostało do dziś? ( Paul Dirac wykazał, że istnienie niektórych typów monopoli magnetycznych wyjaśnia kwantyzację ładunku ).
  • Zagadka dotycząca życia neutronów : Chociaż czas życia neutronu był badany od dziesięcioleci, obecnie istnieje brak zgodności co do jego dokładnej wartości, ze względu na różne wyniki z dwóch metod eksperymentalnych ("butelka" i "wiązka").
  • Rozpad protonu i kryzys spinowy : Czy proton jest zasadniczo stabilny? A może rozpada się z skończonym czasem życia, jak przewidują niektóre rozszerzenia modelu standardowego? Jak kwarki i gluony przenoszą spin protonów?
  • Supersymetria : Czy supersymetria czasoprzestrzeni jest realizowana w skali TeV? Jeśli tak, to jaki jest mechanizm łamania supersymetrii? Czy supersymetria stabilizuje skalę elektrosłabą, zapobiegając wysokim korekcjom kwantowym? Czy najlżejsza supersymetryczna cząstka ( LSP ) zawiera ciemną materię ?
  • Ograniczenie kolorów : przypuszczenie dotyczące ograniczenia kolorów chromodynamiki kwantowej (QCD) mówi, że naładowane kolorami cząstki (takie jak kwarki i gluony) nie mogą być oddzielone od ich macierzystego hadronu bez wytworzenia nowych hadronów. Czy możliwe jest dostarczenie analitycznego dowodu ograniczenia koloru w jakiejkolwiek nieabelowej teorii cechowania?
  • Pokolenia materii : Dlaczego istnieją trzy pokolenia kwarków i leptonów ? Czy istnieje teoria, która może wyjaśnić masy poszczególnych kwarków i leptonów w poszczególnych generacjach na podstawie pierwszych zasad (teoria sprzężeń Yukawy )?
  • Masa neutrin : Jaka jest masa neutrin, niezależnie od tego, czy są zgodne ze statystykami Diraca czy Majorany ? Czy hierarchia mas jest normalna czy odwrócona? Czy faza naruszania CP jest równa 0?
  • Anomalia antyneutrin w reaktorach: Istnieje anomalia w istniejącym zbiorze danych dotyczących strumienia antyneutrin z reaktorów jądrowych na całym świecie. Zmierzone wartości tego strumienia wydają się być tylko 94% wartości oczekiwanej z teorii. Nie wiadomo, czy wynika to z nieznanej fizyki (takiej jak sterylne neutrina ), błędu doświadczalnego w pomiarach, czy błędów w obliczeniach strumienia teoretycznego.
  • Silny problem CP i aksjony : Dlaczego silne oddziaływanie jądrowe jest niezmienne względem parzystości i koniugacji ładunku ? Czy teoria Peccei-Quinna jest rozwiązaniem tego problemu? Czy aksjony mogą być głównym składnikiem ciemnej materii ?
  • Nienormalna dipol moment magnetyczny : dlaczego eksperymentalnie zmierzona wartość mion „s nienormalna moment dipolowy magnetycznego («mion g-2»), znacznie różni się od przewidywanej wartości teoretycznie tej fizycznej stałej?
  • Zagadka o promieniu protonu : Jaki jest promień ładunku elektrycznego protonu? Czym różni się od ładunku gluonowego?
  • Pentakwarki i inne egzotyczne hadrony : Jakie kombinacje kwarków są możliwe? Dlaczego pentakwarki były tak trudne do odkrycia? Czy są to ściśle związany układ pięciu cząstek elementarnych, czy też słabiej związana para barionu i mezonu?
  • Problem mu : problem teorii supersymetrycznych , dotyczący zrozumienia parametrów teorii.
  • Wzór Koide'a : Aspekt generacji cząstek . Suma mas trzech naładowanych leptonów podzielona przez kwadrat sumy pierwiastków tych mas z dokładnością do jednego odchylenia standardowego obserwacji wynosi . Nie wiadomo, w jaki sposób taki prosty wartość chodzi o, i dlaczego jest to dokładna średnia arytmetyczna z możliwych wartości ekstremalnych 1 / 3 (równych masach) i 1 (dominuje jedna masa).

Astronomia i astrofizyka

Główny artykuł: Lista nierozwiązanych problemów w astronomii
  • Cykl słoneczny : w jaki sposób Słońce generuje okresowo odwracające się wielkoskalowe pole magnetyczne? W jaki sposób inne gwiazdy podobne do Słońca generują swoje pola magnetyczne i jakie są podobieństwa i różnice między cyklami aktywności gwiazd i Słońca? Co spowodowało minimum Maundera i inne wielkie minima i jak cykl słoneczny wychodzi ze stanu minimów?
  • Problem nagrzewania się korony : Dlaczego korona słoneczna (warstwa atmosfery) jest o wiele gorętsza niż powierzchnia Słońca? Dlaczego efekt ponownego połączenia magnetycznego jest o wiele rzędów wielkości szybszy niż przewidywany przez standardowe modele?
  • Dżet astrofizyczny : Dlaczego tylko niektóre dyski akrecyjne otaczające niektóre obiekty astronomiczne emitują relatywistyczne dżety wzdłuż ich osi biegunowych? Dlaczego w wielu dyskach akrecyjnych występują quasi-okresowe oscylacje ? Dlaczego okres tych oscylacji skaluje się jako odwrotność masy obiektu centralnego? Dlaczego czasami pojawiają się alikwoty i dlaczego pojawiają się one w różnych proporcjach częstotliwości w różnych obiektach?
  • Rozproszone pasma międzygwiazdowe : co jest odpowiedzialne za liczne międzygwiazdowe linie absorpcyjne wykryte w widmach astronomicznych? Czy mają pochodzenie molekularne, a jeśli tak, to jakie cząsteczki są za nie odpowiedzialne? Jak się tworzą?
  • Supermasywne czarne dziury : Jakie jest pochodzenie relacji M-sigma między masą supermasywnej czarnej dziury a dyspersją prędkości galaktyk? Jak najbardziej odległe kwazary rosną ich supermasywne czarne dziury do 10 10 mas Słońca tak wcześnie w historii wszechświata?
Krzywa rotacji typowej galaktyki spiralnej: przewidywana ( A ) i obserwowana ( B ). Czy rozbieżność między krzywymi można przypisać ciemnej materii?
  • Klif Kuipera : Dlaczego liczba obiektów w pasie Kuipera w Układzie Słonecznym spada gwałtownie i niespodziewanie poza promień 50 jednostek astronomicznych?
  • Anomalia przelotu : Dlaczego obserwowana energia satelitów przelatujących przez ciała planetarne czasami różni się o minutę od wartości przewidywanej przez teorię?
  • Problem rotacji galaktyk : Czy ciemna materia odpowiada za różnice w obserwowanej i teoretycznej prędkości gwiazd krążących wokół centrum galaktyk, czy jest to coś innego?
  • Supernowe : Jaki jest dokładny mechanizm, dzięki któremu implozja umierającej gwiazdy staje się eksplozją?
  • p-jądra : Jaki proces astrofizyczny odpowiada za nukleogenezę tych rzadkich izotopów?
  • Promień kosmiczny o ultrawysokiej energii : dlaczego niektóre promienie kosmiczne wydają się mieć niemożliwie wysokie energie, biorąc pod uwagę, że w pobliżu Ziemi nie ma wystarczająco energetycznych źródeł promieniowania kosmicznego? Dlaczego (podobno) niektóre promienie kosmiczne emitowane przez odległe źródła mają energie powyżej granicy Greisena-Zatsepina-Kuzmina ?
  • Tempo rotacji Saturna : Dlaczego magnetosfera Saturna wykazuje (powoli zmieniającą się) okresowość zbliżoną do tej, w której obracają się chmury planety? Jaka jest prawdziwa prędkość rotacji głębokiego wnętrza Saturna?
  • Pochodzenie pola magnetycznego magnetaru : Jakie jest pochodzenie pola magnetycznego magnetaru ?
  • Anizotropia na dużą skalę : czy wszechświat w bardzo dużej skali jest anizotropowy , co sprawia, że zasada kosmologiczna jest nieważnym założeniem? Liczbowa anizotropia dipolowa w radiu, katalog NRAO VLA Sky Survey (NVSS) jest niespójna z lokalnym ruchem pochodzącym z kosmicznego mikrofalowego tła i wskazuje na wewnętrzną anizotropię dipolową. Te same dane radiowe NVSS pokazują również wewnętrzny dipol w gęstości polaryzacji i stopniu polaryzacji w tym samym kierunku, co pod względem liczby i natężenia. Istnieje kilka innych obserwacji ujawniających anizotropię na dużą skalę. Polaryzacja optyczna z kwazarów pokazuje wyrównanie polaryzacji na bardzo dużej skali Gpc. Dane tła kosmicznego mikrofalowego pokazują kilka cech anizotropii, które nie są zgodne z modelem Wielkiego Wybuchu .
  • Relacja wieku-metaliczności w dysku galaktycznym: Czy istnieje uniwersalna relacja wieku-metaliczności (AMR) w dysku galaktycznym (zarówno „cienkie”, jak i „grube” części dysku)? Chociaż w lokalnym (głównie cienkim) dysku Drogi Mlecznej nie ma dowodów na silne AMR, próbka 229 pobliskich „grubych” gwiazd dyskowych została wykorzystana do zbadania istnienia relacji wiek-metaliczność w grubym dysku galaktycznym. , i wskazują, że w grubym dysku występuje relacja wieku-metaliczności. Epoki gwiazd z asterosejsmologii potwierdzają brak silnego związku wieku z metalicznością w dysku galaktycznym.
  • Problem z litem : dlaczego istnieje rozbieżność między przewidywaną ilością litu-7, która zostanie wytworzona podczas nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, a ilością obserwowaną w bardzo starych gwiazdach?
  • Ultraświetlne źródła promieniowania X (ULX): Co zasila źródła promieniowania X, które nie są związane z aktywnymi jądrami galaktyk, ale przekraczają limit Eddingtona dla gwiazdy neutronowej lub gwiezdnej czarnej dziury ? Czy są spowodowane czarnymi dziurami o masie pośredniej ? Niektóre ULX są okresowe, co sugeruje nieizotropową emisję z gwiazdy neutronowej. Czy dotyczy to wszystkich ULX? Jak taki system mógłby powstać i pozostać stabilny?
  • Szybkie impulsy radiowe (FRB): Co powoduje te przejściowe impulsy radiowe z odległych galaktyk, trwające tylko kilka milisekund każdy? Dlaczego niektóre FRB powtarzają się w nieprzewidywalnych odstępach czasu, a większość nie? Zaproponowano dziesiątki modeli, ale żaden nie został powszechnie zaakceptowany.

Fizyka nuklearna

„ Wyspa stabilności ” na wykresie liczby protonów w zależności od liczby neutronów dla ciężkich jąder

Fizyka atomowa, molekularna i optyczna

Dynamika płynów

Fizyka materii skondensowanej

Próbka nadprzewodnika miedzianowego (w szczególności BSCCO ). Mechanizm nadprzewodnictwa tych materiałów jest nieznany.
Magnetooporność w u = 8/5 ułamkowym kwantowym stanie Halla.

Fizyka plazmy

  • Fizyka plazmy i moc syntezy jądrowej : Energia syntezy jądrowej może potencjalnie dostarczać energię z obfitych zasobów (np. wodoru) bez rodzaju odpadów radioaktywnych, które obecnie wytwarza energia rozszczepienia. Czy jednak zjonizowane gazy (plazma) mogą być zamknięte wystarczająco długo i w wystarczająco wysokiej temperaturze, aby wytworzyć moc syntezy jądrowej? Jakie jest fizyczne pochodzenie trybu H ?
  • Problem wstrzykiwania : uważa się, że przyspieszenie Fermiego jest głównym mechanizmem przyspieszającym cząstki astrofizyczne do wysokiej energii. Nie jest jednak jasne, jaki mechanizm powoduje, że cząstki te początkowo mają wystarczająco wysoką energię, aby mogło na nie zadziałać przyspieszenie Fermiego.
  • Turbulencje Alfvénic : W przypadku wiatru słonecznego i turbulencji w rozbłyskach słonecznych, koronalne wyrzuty masy i burze magnetosferyczne są głównymi nierozwiązanymi problemami w fizyce plazmy kosmicznej.

Biofizyka

  • Stochastyczność i odporność na szum w ekspresji genów : W jaki sposób geny rządzą naszym ciałem, wytrzymując różne zewnętrzne naciski i wewnętrzną stochastyczność ? Istnieją pewne modele procesów genetycznych, ale daleko nam do zrozumienia całego obrazu, w szczególności w rozwoju, gdzie ekspresja genów musi być ściśle regulowana.
  • Badanie ilościowe układu odpornościowego : Jakie są ilościowe właściwości odpowiedzi immunologicznej ? Jakie są podstawowe elementy budulcowe sieci układu odpornościowego ?
  • Homochiralność : Skąd bierze się przewaga określonych enancjomerów w układach biochemicznych ?
  • Magnetorecepcja : Jak zwierzęta (np. ptaki wędrowne) wyczuwają pole magnetyczne Ziemi?
  • Przewidywanie struktury białka : w jaki sposób trójwymiarowa struktura białek jest określana przez jednowymiarową sekwencję aminokwasową? Jak białka mogą fałdować się w skali od mikrosekundy do sekundy, gdy liczba możliwych konformacji jest astronomiczna, a przejścia konformacyjne zachodzą w skali od pikosekundy do mikrosekundy? Czy można napisać algorytmy pozwalające przewidzieć trójwymiarową strukturę białka na podstawie jego sekwencji? Czy natywne struktury większości naturalnie występujących białek pokrywają się z globalnym minimum energii swobodnej w przestrzeni konformacyjnej? A może większość natywnych konformacji jest termodynamicznie niestabilna, ale kinetycznie uwięziona w stanach metastabilnych? Co powstrzymuje wysoką gęstość białek obecnych w komórkach przed wytrącaniem się?

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki