Cinco Grandes Problemas em Física Teórica

Em seu controverso livro de 2006 "O problema da física: o surgimento da teoria das cordas, a queda de uma ciência, e o que vem a seguir ", destaca o físico teórico Lee Smolin" cinco grandes problemas na teoria física."

1. O problema da gravidade quântica: Combinar relatividade geral e teoria quântica em uma única teoria que pode reivindicar ser a teoria completa da natureza.
2. Os problemas fundamentais da mecânica quântica: Resolva os problemas nos fundamentos da mecânica quântica, seja dando sentido à teoria atual ou inventando uma nova teoria que faça sentido.
3. A unificação de partículas e forças: Determine se as várias partículas e forças podem ou não ser unificadas em uma teoria que as explique como manifestações de uma única entidade fundamental.
4. O problema de sintonia: Explique como os valores das constantes livres no modelo padrão da física de partículas são escolhidos na natureza.
5. O problema dos mistérios cosmológicos: Explicar matéria escura e energia escura. Ou, se não existirem, determine como e por que a gravidade é modificada em grandes escalas. De maneira mais geral, explique por que as constantes do modelo padrão de cosmologia, incluindo a energia escura, têm os valores que possuem.
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Gravidade quântica é o esforço da física teórica para criar uma teoria que inclua ambos relatividade geral e o modelo padrão da física de partículas. Atualmente, essas duas teorias descrevem diferentes escalas da natureza e tentam explorar a escala em que elas resultados de sobreposição de resultados que não fazem muito sentido, como a força da gravidade (ou curvatura do espaço-tempo) se tornando infinito. (Afinal, os físicos nunca veem infinitos reais na natureza, nem querem!)

Um problema com o entendimento física quântica é o mecanismo físico subjacente envolvido. Existem muitas interpretações na física quântica - a interpretação clássica de Copenhague, A controversa interpretação de muitos mundos de Hugh Everette II e ainda mais controversas, como a Princípio Antrópico Participativo. A questão que surge nessas interpretações gira em torno do que realmente causa o colapso da função de onda quântica.

A maioria dos físicos modernos que trabalham com a teoria quântica de campos não considera mais essas questões de interpretação relevantes. O princípio da decoerência é, para muitos, a explicação - a interação com o meio ambiente causa o colapso quântico. Ainda mais significativamente, os físicos são capazes de resolver as equações, realizar experimentos e praticar física sem resolver as questões do que exatamente está acontecendo em um nível fundamental, e assim a maioria dos físicos não quer chegar perto dessas perguntas bizarras com um bastão de 6 metros.

tem quatro forças fundamentais da física, e o modelo padrão da física de partículas inclui apenas três deles (eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca). A gravidade é deixada de fora do modelo padrão. Tentando criar uma teoria que unifique essas quatro forças em um teoria do campo unificado é um dos principais objetivos da física teórica.

Como o modelo padrão da física de partículas é uma teoria quântica de campos, qualquer unificação terá que incluem a gravidade como uma teoria quântica de campos, o que significa que a solução do problema 3 está conectada à solução de problema 1.

Além disso, o modelo padrão da física de partículas mostra muitas partículas diferentes - 18 partículas fundamentais ao todo. Muitos físicos acreditam que uma teoria fundamental da natureza deve ter algum método para unificar essas partículas, de modo que são descritas em termos mais fundamentais. Por exemplo, teoria das cordas, a mais bem definida dessas abordagens, prevê que todas as partículas são diferentes modos vibracionais de filamentos fundamentais de energia ou cordas.

UMA física Teórica O modelo é uma estrutura matemática que, para fazer previsões, requer que determinados parâmetros sejam definidos. No modelo padrão da física de partículas, os parâmetros são representados pelas 18 partículas previstas pela teoria, o que significa que os parâmetros são medidos por observação.

Alguns físicos, no entanto, acreditam que os princípios físicos fundamentais da teoria devem determinar esses parâmetros, independentemente da medição. Isso motivou grande parte do entusiasmo por uma teoria de campo unificado no passado e provocou a famosa pergunta de Einstein "Deus teve alguma escolha quando ele criou o universo? "As propriedades do universo definem inerentemente a forma do universo, porque essas propriedades simplesmente não funcionarão se a forma for diferente?

A resposta para isso parece inclinar-se fortemente para a idéia de que não existe apenas um universo que poderia ser criado, mas que há uma ampla gama de teorias (ou diferentes variantes da mesma teoria, baseadas em diferentes parâmetros físicos, estados originais de energia etc.) e nosso universo é apenas uma dessas possíveis universos.

Nesse caso, a questão torna-se por que nosso universo tem propriedades que parecem estar tão bem afinadas para permitir a existência da vida. Essa pergunta é chamada de problema de ajuste fino e promoveu alguns físicos a recorrer ao princípio antrópico para uma explicação, que determina que nosso universo tem as propriedades que possui, porque se tivesse propriedades diferentes, não estaríamos aqui para fazer a pergunta. (Um grande impulso do livro de Smolin é a crítica a esse ponto de vista como uma explicação das propriedades.)

O universo ainda tem vários mistérios, mas os que mais incomodam os físicos são matéria escura e energia escura. Esse tipo de matéria e energia é detectado por suas influências gravitacionais, mas não pode ser observado diretamente; portanto, os físicos ainda estão tentando descobrir o que são. Ainda assim, alguns físicos propuseram explicações alternativas para essas influências gravitacionais, que não exigem novas formas de matéria e energia, mas essas alternativas são impopulares para a maioria físicos.

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph. D.