Cinque grandi problemi di fisica teorica

Problemi irrisolti in fisica secondo Lee Smolin

Secondo la Relatività Generale, la massa provoca la curvatura nello spazio-tempo. Un grande problema in fisica è combinare la relatività generale con la teoria quantistica. D'ARCO EDITORI, Getty Images

Nel suo controverso libro del 2006 'The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next', il fisico teorico Lee Smolin sottolinea 'cinque grandi problemi nella fisica teorica'.

Il problema della gravità quantistica: Combina relatività generale e teoria dei quanti in un'unica teoria che può pretendere di essere la teoria completa della natura. I problemi fondamentali della meccanica quantistica: Risolvi i problemi nei fondamenti della meccanica quantistica, sia dando un senso alla teoria così com'è o inventando una nuova teoria che abbia un senso. L'unificazione di particelle e forze: Determina se le varie particelle e forze possono essere unificate in una teoria che le spieghi tutte come manifestazioni di un'unica entità fondamentale. Il problema dell'accordatura: Spiega come vengono scelti in natura i valori delle costanti libere nel modello standard della fisica delle particelle. Il problema dei misteri cosmologici: Spiegare materia oscura e energia oscura . Oppure, se non esistono, determinare come e perché la gravità viene modificata su larga scala. Più in generale, spiega perché le costanti del modello standard della cosmologia, inclusa l'energia oscura, hanno i valori che hanno.

Problema di fisica 1: Il problema della gravità quantistica

Gravità quantistica è lo sforzo della fisica teorica per creare una teoria che includa entrambi relatività generale e il modello standard della fisica delle particelle. Attualmente, queste due teorie descrivono diverse scale della natura e tentano di esplorare la scala in cui si sovrappongono producono risultati che non hanno molto senso, come la forza di gravità (o la curvatura dello spaziotempo) che diventa infinita. (Dopo tutto, i fisici non vedono mai infiniti reali in natura, né vogliono!)

Problema di fisica 2: i problemi fondamentali della meccanica quantistica

Un problema con la comprensione fisica quantistica è qual è il meccanismo fisico sottostante coinvolto. Ci sono molte interpretazioni nella fisica quantistica -- il classica interpretazione di Copenaghen, Il controverso Many Worlds Interpretation di Hugh Everette II, e ancora più controversi come il Principio Antropico Partecipativo . La domanda che emerge in queste interpretazioni ruota attorno a ciò che effettivamente causa il collasso della funzione d'onda quantistica.

La maggior parte dei fisici moderni che lavorano con la teoria quantistica dei campi non considerano più rilevanti queste domande di interpretazione. Il principio di decoerenza è, per molti, la spiegazione: l'interazione con l'ambiente provoca il collasso quantistico. Ancora più significativamente, i fisici sono in grado di risolvere le equazioni, eseguire esperimenti e praticare la fisica senza risolvendo le domande su cosa sta accadendo esattamente a un livello fondamentale, e quindi la maggior parte dei fisici non vuole avvicinarsi a queste bizzarre domande con un palo di 20 piedi.

Problema di fisica 3: l'unificazione di particelle e forze

Ci sono quattro forze fondamentali della fisica e il modello standard della fisica delle particelle ne include solo tre (elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole). La gravità è esclusa dal modello standard. Cercando di creare una teoria che unisca queste quattro forze in a teoria dei campi unificati è uno degli obiettivi principali della fisica teorica.

Poiché il modello standard della fisica delle particelle è una teoria quantistica dei campi, qualsiasi unificazione dovrà includere la gravità come teoria quantistica dei campi, il che significa che la risoluzione del problema 3 è connessa con la risoluzione del problema 1.

Inoltre, il modello standard della fisica delle particelle mostra molte particelle diverse -- 18 particelle fondamentali in tutto. Molti fisici credono che una teoria fondamentale della natura dovrebbe avere un metodo per unificare queste particelle, quindi sono descritte in termini più fondamentali. Per esempio, teoria delle stringhe , il più ben definito di questi approcci, prevede che tutte le particelle siano modi vibrazionali differenti dei filamenti fondamentali di energia, o stringhe.

Problema di fisica 4: il problema dell'accordatura

UN fisica teorica model è un framework matematico che, per fare previsioni, richiede l'impostazione di determinati parametri. Nel modello standard della fisica delle particelle, i parametri sono rappresentati dalle 18 particelle previste dalla teoria, il che significa che i parametri sono misurati dall'osservazione.

Alcuni fisici, tuttavia, ritengono che i principi fisici fondamentali della teoria dovrebbero determinare questi parametri, indipendentemente dalla misurazione. Ciò ha motivato gran parte dell'entusiasmo per una teoria del campo unificato in passato e ha suscitato la famosa domanda di Einstein 'Dio ha avuto scelta quando ha creato l'universo?' Le proprietà dell'universo determinano intrinsecamente la forma dell'universo, perché queste proprietà semplicemente non funzioneranno se la forma è diversa?

La risposta a questa sembra essere fortemente orientata verso l'idea che non esiste un solo universo che potrebbe essere creato, ma che esistono un'ampia gamma di teorie fondamentali (o diverse varianti della stessa teoria, basate su parametri fisici diversi, originali stati energetici e così via) e il nostro universo è solo uno di questi possibili universi.

In questo caso, la domanda diventa perché il nostro universo ha proprietà che sembrano essere così finemente sintonizzate per consentire l'esistenza della vita. Questa domanda si chiama il problema di messa a punto e ha promosso alcuni fisici a rivolgersi al principio antropico per una spiegazione, che impone che il nostro universo abbia le proprietà che ha perché se avesse proprietà diverse, non saremmo qui per porre la domanda. (Una spinta importante del libro di Smolin è la critica a questo punto di vista come spiegazione delle proprietà.)

Problema di fisica 5: Il problema dei misteri cosmologici

L'universo ha ancora una serie di misteri, ma quelli che più irritano i fisici sono la materia oscura e l'energia oscura. Questo tipo di materia ed energia viene rilevato dalle sue influenze gravitazionali, ma non può essere osservato direttamente, quindi i fisici stanno ancora cercando di capire cosa siano. Tuttavia, alcuni fisici hanno proposto spiegazioni alternative per queste influenze gravitazionali, che non richiedono nuove forme di materia ed energia, ma queste alternative sono impopolari alla maggior parte dei fisici.

A cura diAnne Marie Helmenstine, Ph.D.