理論物理学における 5 つの大きな問題

リー・スモリンによる物理学の未解決問題

一般相対性理論によれば、質量は時空の湾曲を引き起こします。物理学における大きな問題の 1 つは、一般相対性理論と量子論を組み合わせることです。ダルコ編集者、ゲッティイメージズ

物議をかもした 2006 年の著書「The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next」で、理論物理学者の Lee Smolin は「理論物理学における 5 つの大きな問題」を指摘しています。

量子重力の問題: 一般相対性理論と 量子論 自然の完全な理論であると主張できる単一の理論に。 量子力学の基本問題: 量子力学の基礎にある問題を、現状の理論を理解することによって、または意味のある新しい理論を発明することによって解決します。 粒子と力の統一: さまざまな粒子と力が、単一の基本的な存在の発現としてすべてを説明する理論で統一できるかどうかを判断します。 チューニングの問題: 素粒子物理学の標準モデルにおける自由定数の値が自然界でどのように選択されるかを説明してください. 宇宙の謎の問題： 説明 暗黒物質 と 暗黒エネルギー .または、それらが存在しない場合は、重力が大規模に変更される方法と理由を特定します。より一般的に言えば、暗黒エネルギーを含む宇宙論の標準モデルの定数がその値を持つ理由を説明してください。

物理学の問題 1: 量子重力の問題

量子重力 両方を含む理論を作成するための理論物理学の取り組みです。 一般相対論 そして素粒子物理学の標準モデル。現在、これら 2 つの理論は自然の異なるスケールを記述し、それらが重なるスケールを調査しようとすると、重力 (または時空の曲率) が無限になるなど、あまり意味のない結果が得られます。 (結局のところ、物理学者は自然界の本当の無限を決して見ませんし、見たいとも思いません!)

物理問題 2: 量子力学の基礎問題

理解に関する1つの問題 量子物理学 関係する基礎となる物理的メカニズムが何であるかです。量子物理学には多くの解釈があります - 古典的なコペンハーゲンの解釈、 ヒュー・エヴェレット 2 世の物議を醸す多世界解釈と、 参加型人間原理 .これらの解釈で出てくる問題は、量子波動関数の崩壊を実際に引き起こす原因を中心に展開しています。

場の量子論を扱っている現代の物理学者のほとんどは、これらの解釈の問題が関連性があるとはもはや考えていません。多くの人にとって、デコヒーレンスの原理は、環境との相互作用が量子崩壊を引き起こすという説明です。さらに重要なことに、物理学者は方程式を解き、実験を行い、物理学を練習することができます それなし 基本的なレベルで正確に何が起こっているかという問題を解決するため、ほとんどの物理学者は、これらの奇妙な問題に 20 フィートの棒を近づけたくありません。

物理問題 3: 粒子と力の統一

がある 物理学の 4 つの基本的な力 であり、素粒子物理学の標準モデルにはそのうちの 3 つ (電磁気学、強い核力、弱い核力) しか含まれていません。重力は標準モデルから除外されます。これらの 4 つの力を 1 つに統合する 1 つの理論を作成しようとしています。 統一場理論 理論物理学の主要な目標です。

素粒子物理学の標準モデルは場の量子論であるため、どのような統合も場の量子論として重力を含める必要があります。つまり、問題 3 を解決することは問題 1 を解決することと関連しています。

さらに、素粒子物理学の標準モデルは、多くの異なる粒子を示しています。全部で 18 個の基本粒子です。多くの物理学者は、自然の基本理論にはこれらの粒子を統合する何らかの方法が必要であると考えているため、より基本的な用語で記述されています。例えば、 ストリング理論 は、これらのアプローチの中で最も明確に定義されており、すべての粒子がエネルギーの基本的なフィラメントまたはストリングの異なる振動モードであると予測しています。

物理問題 4: チューニング問題

あ 理論物理学 モデルは、予測を行うために特定のパラメーターを設定する必要がある数学的フレームワークです。素粒子物理学の標準モデルでは、パラメータは理論によって予測された18個の粒子によって表されます。つまり、パラメータは観測によって測定されます。

しかし、一部の物理学者は、理論の基本的な物理原理が測定とは無関係にこれらのパラメータを決定するべきだと信じています。これは、過去の統一場理論に対する熱狂の多くを刺激し、アインシュタインの有名な質問「神は宇宙を創造したとき、選択の余地はありましたか?」に火をつけました。宇宙の性質は本質的に宇宙の形を設定するのでしょうか? これらの性質は形が異なると機能しないからです?

これに対する答えは、作成できる宇宙は 1 つだけではなく、さまざまな基本理論 (または同じ理論のさまざまな変形、さまざまな物理的パラメーター、元の理論に基づく) があるという考えに強く傾いているようです。エネルギー状態など)、私たちの宇宙は、これらの可能性のある宇宙の 1 つにすぎません。

この場合、問題は、私たちの宇宙が生命の存在を可能にするために非常に細かく調整されているように見える特性を持っている理由です.この質問は、 微調整問題 一部の物理学者は、 人間原理 説明のために、それは私たちの宇宙がそれが持つ特性を持っていることを示しています。なぜなら、それが異なる特性を持っていれば、私たちは質問をするためにここにいないからです. (Smolin の本の主要な主張は、特性の説明としてのこの視点の批判です。)

物理の問​​題 5: 宇宙の謎の問題

宇宙にはまだ多くの謎がありますが、ほとんどの物理学者が悩まされているのは暗黒物質と暗黒エネルギーです。このタイプの物質とエネルギーは、重力の影響によって検出されますが、直接観測することはできないため、物理学者はまだそれらが何であるかを解明しようとしています.それでも、一部の物理学者は、これらの重力の影響について、新しい形の物質とエネルギーを必要としない別の説明を提案していますが、これらの別の説明はほとんどの物理学者に人気がありません.

によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士