Cinco grandes problemas en física teórica

En su controvertido libro de 2006 "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, The Fall of a Science, and What Comes Next", el físico teórico Lee Smolin señala "cinco grandes problemas en la física teórica".

1. El problema de la gravedad cuántica.: Combina la relatividad general y la teoría cuántica en una sola teoría que puede pretender ser la teoría completa de la naturaleza..
2. Los problemas fundamentales de la mecánica cuántica.: Resolver los problemas en los fundamentos de la mecánica cuántica, ya sea dando sentido a la teoría tal como está o inventando una nueva teoría que tenga sentido.
3. La unificación de partículas y fuerzas.: Determine si las diversas partículas y fuerzas se pueden unificar en una teoría que las explique a todas como manifestaciones de una sola entidad fundamental.
4. El problema de sintonización: Explique cómo se eligen los valores de las constantes libres en el modelo estándar de física de partículas..
5. El problema de los misterios cosmológicos.: Explica la materia oscura y la energía oscura. O, si no existen, determine cómo y por qué se modifica la gravedad a gran escala. En términos más generales, explique por qué las constantes del modelo estándar de cosmología, incluida la energía oscura, tienen los valores que tienen.

Problema de física 1: el problema de la gravedad cuántica

La gravedad cuántica es el esfuerzo en física teórica para crear una teoría que incluya tanto la relatividad general como el modelo estándar de física de partículas. Actualmente, estas dos teorías describen diferentes escalas de la naturaleza e intentan explorar la escala donde se superponen y arrojan resultados que no tienen mucho sentido, como la fuerza de la gravedad (o curvatura del espacio-tiempo) que se vuelve infinita. (¡Después de todo, los físicos nunca ven infinitos reales en la naturaleza, ni quieren!)

Problema de física 2: los problemas fundamentales de la mecánica cuántica

Un problema con la comprensión de la física cuántica es cuál es el mecanismo físico subyacente involucrado. Hay muchas interpretaciones en la física cuántica: la interpretación clásica de Copenhague, la controvertida Interpretación de muchos mundos de Hugh Everette II, e incluso más controvertidas, como el Principio antrópico participativo. La pregunta que surge en estas interpretaciones gira en torno a lo que realmente causa el colapso de la función de onda cuántica.. 

La mayoría de los físicos modernos que trabajan con la teoría cuántica de campos ya no consideran que estas preguntas de interpretación sean relevantes. El principio de la decoherencia es, para muchos, la explicación: la interacción con el entorno provoca el colapso cuántico. Aún más significativo, los físicos pueden resolver las ecuaciones, realizar experimentos y practicar física. sin resolviendo las preguntas de qué está sucediendo exactamente a un nivel fundamental, por lo que la mayoría de los físicos no quieren acercarse a estas preguntas extrañas con un poste de 20 pies.

Problema de física 3: la unificación de partículas y fuerzas

Existen cuatro fuerzas fundamentales de la física, y el modelo estándar de física de partículas incluye solo tres de ellas (electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil). La gravedad queda fuera del modelo estándar. Intentar crear una teoría que unifique estas cuatro fuerzas en una teoría de campo unificado es un objetivo principal de la física teórica.

Dado que el modelo estándar de física de partículas es una teoría de campo cuántico, cualquier unificación tendrá que incluir la gravedad como una teoría de campo cuántico, lo que significa que resolver el problema 3 está conectado con la resolución del problema 1.

Además, el modelo estándar de física de partículas muestra muchas partículas diferentes, 18 partículas fundamentales en total. Muchos físicos creen que una teoría fundamental de la naturaleza debería tener algún método para unificar estas partículas, por lo que se describen en términos más fundamentales. Por ejemplo, la teoría de cuerdas, el más bien definido de estos enfoques, predice que todas las partículas son diferentes modos vibracionales de filamentos fundamentales de energía, o cuerdas.

Problema de física 4: el problema de sintonía

Un modelo de física teórica es un marco matemático que, para hacer predicciones, requiere que se establezcan ciertos parámetros. En el modelo estándar de física de partículas, los parámetros están representados por las 18 partículas predichas por la teoría, lo que significa que los parámetros se miden por observación..

Sin embargo, algunos físicos creen que los principios físicos fundamentales de la teoría deberían determinar estos parámetros, independientemente de la medición. Esto motivó gran parte del entusiasmo por una teoría de campo unificada en el pasado y provocó la famosa pregunta de Einstein "¿Tuvo Dios alguna opción cuando creó el universo?" Las propiedades del universo establecen inherentemente la forma del universo, porque estas propiedades simplemente no funcionarán si la forma es diferente?

La respuesta a esto parece inclinarse fuertemente hacia la idea de que no solo se puede crear un universo, sino que hay una amplia gama de teorías fundamentales (o diferentes variantes de la misma teoría, basadas en diferentes parámetros físicos, originales). estados de energía, etc.) y nuestro universo es solo uno de estos universos posibles.

En este caso, la pregunta es por qué nuestro universo tiene propiedades que parecen estar tan finamente ajustadas para permitir la existencia de la vida. Esta pregunta se llama problema de ajuste y ha promovido que algunos físicos recurran al principio antrópico para una explicación, que dicta que nuestro universo tiene las propiedades que tiene porque si tuviera propiedades diferentes, no estaríamos aquí para hacer la pregunta. (Un punto importante del libro de Smolin es la crítica de este punto de vista como explicación de las propiedades).

Problema de física 5: el problema de los misterios cosmológicos

El universo todavía tiene una serie de misterios, pero los que la mayoría de los físicos molestos son la materia oscura y la energía oscura. Este tipo de materia y energía se detecta por sus influencias gravitacionales, pero no se puede observar directamente, por lo que los físicos todavía están tratando de descubrir qué son. Aún así, algunos físicos han propuesto explicaciones alternativas para estas influencias gravitacionales, que no requieren nuevas formas de materia y energía, pero estas alternativas son impopulares para la mayoría de los físicos..

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph.D.