Нерешенные проблемы современной физики

Знакомимся с несколькими актуальными проблемами современной физики.

Нерешенные проблемы современной физики

Несмотря на то что человечество достигло немыслимых научных достижений, ученые до сих пор ломают голову над многими проблемами. Мы запускаем людей в открытый космос, исследуем дно океана, сталкиваем частицы в адронном коллайдере. Однако чем больше ответов мы получаем, тем больше вопросов рождается.

Сегодня мы познакомимся с несколькими нерешенными задачами в области физики, которые не дают спать ученым. Некоторые из них несут теоретический характер и не могут объяснить те или иные явления или экспериментальные результаты. У других трудности возникают на самом этапе эксперимента. 

Общая физика

Стрела времени

Почему у времени есть направление? В чем отличие времени от пространства? Возможно только одно прошлое?

Этот принцип означает одностороннее направление или асимметрию по времени. Был вынесен британским астрономом Артуром Эддингтоном в 1927 году.

Физические процессы на микроскопическом уровне полностью или почти всегда симметричны во времени. Если вдруг направление времени изменится, то теоретические утверждения, которые описывают эти процессы, останутся верными. Но на макроскопическом уровне это не всегда так: существует определенное направление времени.

Таким образом, если бы время было совершенно симметричным, то видео, воспроизведенное задом-наперед, в любом случае казалось бы реалистичным.

Теоретические проблемы

Квантовая гравитация

Пространство-время непрерывно или дискретно? Существуют ли отклонения от предсказаний теории относительности для малых или больших масштабов или в других обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?

Основная трудность этой теории заключается в том, что она пытается объединить воедино квантовую механику и общую теорию относительности, которые изначально опираются на совершенно разные наборы принципов. Квантовая механика описывает временную эволюцию физических систем на фоне внешнего пространства-времени. В теории относительности нет внешнего пространства-времени, так как оно и есть динамическая переменная теории.

Так как гравитационная постоянная — это размерная величина, квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией.

Черные дыры

Есть ли способ исследовать внутреннюю структуру черной дыры, если она существует? Производят ли она тепловое излучение?

Черная дыра — это область пространства-времени. В ней настолько большое гравитационное притяжение, что покинуть ее не могут даже те объекты, которые движутся со скоростью света. Даже сам свет.

Вопрос о существовании и образовании черных дыр связан с теорией гравитации. Утверждение об их существовании может быть плотно связано и с другими астрономическими объектами. Они по своей плотности и массе схожи с черными дырами, но могут обладать и другими свойствами. Однако их все равно можно интерпретировать как черные дыры в общей теории относительности.

Размерность пространства-времени

Существуют ли в природе другие измерения пространства-времени, кроме известных нам четырех? Если да, то сколько их? Может ли мы наблюдать их экспериментально?

Пространство-время — это физическая модель, которая дополняет пространство временным измерением. Таким образом, создается теоретико-физическая конструкция — пространственно-временной континуум.

Классические физические теории описывают лишь трехмерные физические измерения.

Мультивселенная

Существуют ли параллельные миры? Есть ли другие вселенные с иными физическими законами? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры теплового излучения во Вселенной?

Идея о существовании других параллельных вселенных активно используется в теории струн, а также в многометровой интерпретации квантовой механики и в теории вечной инфляции мультивселенной. Многие ученые считают эту идею антинаучной, поскольку ее нельзя опровергнуть с помощью эксперимента.

Проблемы элементарной физики

Проблемы в этой категории делятся на два вида:

• из чего состоит все вокруг, и почему оно построено именно так, сюда также относится поиск новых частиц и форм их взаимодействий;
• как из известных нам частиц образуются известные явления.

Механизм Хиггса

Сколько бозонов Хиггса существует? Можно ли их описать в рамках Стандартной модели?

Механизм Хиггса — это теория, которая описывает приобретение массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия.

Введение этой теории и самого бозона Хиггса было необходимо по некоторым причинам. Эксперименты показывали наличие массы у частиц, через обмен которыми характеризуются фундаментальные взаимодействия. Поэтому нужно было ввести выражение для массы в уравнение движения этих частиц. Но оно нарушало бы законы природы.

Проблемы ядерной физики

Квантовая хромодинамика

Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи, какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Что определяет ключевые особенности квантовой хромодинамики, и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?

Квантовая хромодинамика — это калибровочная теория квантовых полей, которая описывает сильное взаимодействие элементарных частиц.

Ядерная астрофизика

Почему простые частицы соединяются в сложные ядра? Откуда произошли элементы в космосе? Что такое ядерные реакции, которые приводят к взрывам звезды?

Атомное ядро — это центральная часть атома. Именно в ядре сосредоточена основная его масса. Оно состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Они связаны между собой с помощью сильного взаимодействия.

Сверхтекучесть

Эта проблема является нерешенной по нескольким признакам:

• не создана последовательная квантовая гидродинамическая теория сверхтекучей жидкости — она могла бы объединить двухжидкостную теорию Ландау и теорию градиентов макроскопической волновой функции;
• теория сверхтекучести на макроскопическом уровне не унывает взаимодействие между наблюдателем и квантовой системой;
• формулировка квантовой механики не позволяет получить описание сверхтекучей системы;
• неизвестно, как взаимодействуют частицы при квантовом подходе.

Другие проблемы

Квантовая механика и принцип соответствия

Существуют ли предпочтительные интерпретации квантовой механики?

В КМ принципом соответствия называется утверждение о поведении квантомеханической системы, которое стремится к классической физике в пределе квантовых чисел.

Принцип соответствия — это один из инструментов физиков, помогающий им выбрать соответствующую действительности квантовую теорию.

Теория всего

Есть ли теория, которая объединяет значения всех фундаментальных и неизменных физических величин?

Эта теория описывает все известные фундаментальные взаимодействия. В течение всего прошлого века было предложено множество «теорий всего». Но построить их с точки зрения научного подхода сложно, так как квантовая механика и общая теория относительности имеют разные области применения. Если квантовая механика — для описания микромира, то ОТО — для макромира.

Мы стоим на пороге возникновения нового мира. Перед нами появляется все больше и больше задач, которые требуют решения. Мы осваиваем космос, изучаем новые миры на макро и микро уровнях, открываем новые химические элементы... Но ради чего? Любопытство? Или ради другой, более высокой цели?

Сложно и непонятно? На носу контрольная, курсовая или диплом? Специалисты из ФениксХелп помогут решить даже нерешаемые задачи. Пиши, справимся вместе!