Придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из этих вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию!
Открытые вопросы в физике
Open Questions in Physics
John Baez
Physics FAQ содержит ответы на такие часто задаваемые вопросы, ответы на которые известны. Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов, которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.
Этот список "открытых" вопросов разделён на три группы: Сплошная среда и Нелинейная динамика, Космология и Астрофизика, Элементарные частицы и Квантовая физика. Конечно, такое разделение несколько искусственно, так как физика элементарных частиц и нелинейная динамика используются в космологии, есть и другие связи между этими группами. Следовательно, сама классификация тоже несколько произвольна.
Есть много интересных и фундаментальных вопросов в других областях и их даже больше, чем перечислено здесь. Они не упоминаются не потому, что менее важны, просто они выходят за рамки этой статьи.
Сплошная среда и Нелинейная динамика
1 . Как объяснить сонолюминисценцию? Сонолюминисценция - это вызываемые звуком слабые вспышки света в жидкости. В точках низкого давления в жидкости образуются пузырьки, которые схлопываются при проходе волны высокого давления. Вспышка света происходит в момент схлопывания. Точная причина этого явления сейчас интенсивно обсуждается и исследуется.
2 . Как правильно понимать турбулентность и как рассчитывать, к чему она приводит? Это одна из старейших проблем из всех перечисленных.
3 . Какова причина высокотемпературной сверхпроводимости? Можно ли создать материал, который является сверхпроводником при комнатной температуре? Теория сверхпроводимости при очень низких температурах была создана в 1957 году, но высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 году, всё ещё не объяснена.
Космология и Астрофизика
1 . Что происходило в момент Большого взрыва и до него? На самом ли деле была начальная сингулярность? Следующий вопрос, может быть, не имеет смысла, но, возможно, и имеет. Возвращается ли история вселенной к исходной точке вечно и точно, или только частично?
2 . Будущее вселенной вечно или нет? Будет ли "Большое схлопывание" в будущем? Бесконечна ли пространственная протяжённость вселенной?
3 . Как объяснить направление времени? Другими словами, почему будущее так сильно отличается от прошлого? Если вселенная конечна и она периодически схлопывается, то обратится ли термодинамическое направление времени при коллапсе в сторону этого "большого схлопывания"?
4 . Действительно ли пространство-время четырёхмерно? Если да, то почему? Или почему это глупый вопрос? Сохраняет ли пространство-время свои геометрические свойства в очень малых масштабах?
5 . Существуют ли чёрные дыры? (Очень похоже, что существуют.) Действительно ли они излучают энергию и испаряются в соответствии с теорией Хокинга? Если да, то что происходит по истечении конечного времени в момент их полного испарения? Что остаётся? Действительно ли в чёрной дыре нарушаются все законы сохранения кроме сохранения энергии, импульса, момента вращения и электрического заряда? Что происходит с информацией, которая содержится на объекте, падающем на чёрную дыру? Она исчезает при испарении дыры? Требует ли это модификации квантовой механики?
6 . Справедлива ли Гипотеза о космической цензуре? Грубо говоря, гарантируется ли, что в изолированной гравитирующей системе, в которой могут развиться сингулярности, эти сингулярности будут скрыты за горизонтом событий? Если эта гипотеза не верна, то как эти сингулярности проявляются? То есть какие принципиальные физические последствия это имеет?
7 . Почему галактики распределены в виде скоплений и нитей? Верно ли, что большая часть материи во вселенной - это барионы? Та ли это материя, которую ищет современная физика?
8 . Почему кажется, что масса галактик превышает массу всего, что мы можем наблюдать, даже если принять во внимание спорные невидимые "тёмные карлики", "Юпитеры" и т.п.? Существует ли "Скрытая масса"? Если да, то это барионное, нейтринное или другое, более экзотическое вещество? Если нет, то это проблема в понимании гравитации, или в понимании чего-то другого?
9 . Какова причина вспышек космического гамма излучения? Есть буквально сотни теорий об этих загадочных вспышках, которые, предположительно, исходят из различных космических катаклизмов.
10 . Каково происхождение и природа космических лучей сверхвысокой энергии? Рекордная зарегистрированная (by the Fly's eye detector in the US) энергия в потоке космических лучей составляет 3x10 20 эв. Похожее явление зафиксировано японским сцинтиляционным детектором AGASA. Когда такие энергии были обнаружены впервые, они настолько превышали что-либо ожидаемое, что пока придумано только несколько возможных гипотез для их объяснения.
Элементарные частицы и Квантовая физика
1 . Почему законы физики не симметричны относительно левого и правого, будущего и прошлого, материи и антиматерии? То есть в чём состоит механизм нарушения CP инвариантности и какова причина нарушения чётности в Слабом взаимодействии? Существуют ли правые Слабые токи, которые так слабы, что пока не обнаружены? Если да, то что "портит" симметрию? Объясняется ли CP инвариантность полностью в рамках Стандартной модели, или для её объяснения нужна новая сила или механизм?
2 . Почему величины фундаментальных сил (электромагнитной, слабой, сильной и гравитационной) именно таковы? В частности, почему постоянная тонкой структуры, которая является мерой электромагнитных сил, примерно равна 1/137.036? Откуда в природе взялась эта безразмерная константа? Действительно ли произойдёт "Великое объединение" этих сил при достаточно большой энергии?
3 . Почему имеется 3 группы лептонов и кварков? Почему они имеют именно такие отношения масс? Например, мюон - это частица, во всём похожая на электрон, за исключением того, что мюон в 207 раз тяжелее. Почему он существует, и почему именно во столько раз тяжелее? Имеют ли кварки или лептоны внутреннюю структуру?
4 . Есть ли логичная и приемлемая релятивистская квантовая теория поля, которая может описать взаимодействующие поля в четырёхмерном пространстве-времени? В частности, является ли Стандартная модель математически непротиворечивой? А квантовая электродинамика? Даже классическая электродинамика точечных частиц пока не имеет строгой математической формулировки.
5 . Правильно ли квантовая хромодинамика описывает динамику кварков? Можно ли рассчитать массы адронов (таких как протон, нейтрон и др.) правильно, исходя из Стандартной модели? Предсказывает ли квантовая хромодинамика освобождающий фазовый переход кварк-глюон при высокой температуре? Какова природа этого перехода? Существует ли он в природе?
6 . Почему материи больше, чем антиматерии, по крайней мере здесь? Действительно ли материи больше, чем антиматерии везде во вселенной?
7 . Как понимать "измерение" в квантовой механике? Существует ли такой физический процесс, как "коллапс волновой функции"? Если да, то как и при каких условиях он происходит? Если нет, то что происходит на самом деле?
8 . Каковы гравитационные последствия, если они есть, огромной (может быть, бесконечной) энергии вакуума, которая, похоже, следует из квантовой теории поля? Действительно ли она так огромна? Если да, почему она не проявляется как огромная космологическая постоянная?
9 . Почему поток солнечных нейтрино не согласуется с теорией? Важно ли это? Если да, то ошибка содержится в модели Солнца, в теории ядерной физики, в теории нейтрино? Действительно ли нейтрино не имеют массы?
Большой вопрос (TM)
Этот завершающий вопрос относится к двум последним группам.
Как объединить Квантовую механику и Общую теорию относительности, чтобы создать квантовую теорию гравитации? Справедлива ли Эйнштейновская (классическая) теория гравитации в микроскопическом пределе, или возможны/необходимы исправления, которые незаметны в пределах существующих наблюдений? Действительно ли гравитация - это кривизна? Или это что-то другое - тогда почему она похожа на кривизну?
Ответ на этот вопрос неразрывно связан с перечисленными выше вопросами, и в то же время он, похоже, будет ответом на большую часть этих вопросов.
J.Baez, 1997
Перевод Е.Корниенко