Cinque grandi problemi di fisica teorica

Nel suo controverso libro del 2006 "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next", il fisico teorico Lee Smolin sottolinea "cinque grandi problemi di fisica teorica".

1. Il problema della gravità quantistica: Combina la relatività generale e la teoria quantistica in un'unica teoria che può pretendere di essere la teoria completa della natura.
2. I problemi di base della meccanica quantistica: Risolvi i problemi alla base della meccanica quantistica, o dando un senso alla teoria così com'è o inventando una nuova teoria che ha senso.
3. L'unificazione di particelle e forze: Determina se le varie particelle e forze possono essere unificate in una teoria che le spiega tutte come manifestazioni di una singola entità fondamentale.
4. Il problema di ottimizzazione: Spiega come i valori delle costanti libere nel modello standard della fisica delle particelle sono scelti in natura.
5. Il problema dei misteri cosmologici: Spiega la materia oscura e l'energia oscura. Oppure, se non esistono, determinare come e perché la gravità viene modificata su larga scala. Più in generale, spiega perché le costanti del modello standard di cosmologia, inclusa l'energia oscura, hanno i valori che hanno.

Problema di fisica 1: il problema della gravità quantistica

La gravità quantistica è lo sforzo nella fisica teorica per creare una teoria che includa sia la relatività generale sia il modello standard della fisica delle particelle. Attualmente, queste due teorie descrivono diverse scale della natura e tentano di esplorare la scala in cui si sovrappongono producendo risultati che non hanno molto senso, come la forza di gravità (o curvatura dello spaziotempo) che diventa infinita. (Dopo tutto, i fisici non vedono mai i veri infiniti in natura, né vogliono farlo!)

Problema di fisica 2: i problemi di base della meccanica quantistica

Un problema con la comprensione della fisica quantistica è quale sia il meccanismo fisico sottostante coinvolto. Esistono molte interpretazioni nella fisica quantistica: la classica interpretazione di Copenaghen, la controversa interpretazione di molti mondi di Hugh Everette II e ancora più controverse come il principio antropico partecipativo. La domanda che sorge in queste interpretazioni ruota attorno a ciò che effettivamente provoca il collasso della funzione d'onda quantistica. 

La maggior parte dei fisici moderni che lavorano con la teoria dei campi quantistici non considerano più rilevanti queste domande di interpretazione. Il principio di decoerenza è, per molti, la spiegazione - l'interazione con l'ambiente provoca il collasso quantico. Ancora più significativo, i fisici sono in grado di risolvere le equazioni, eseguire esperimenti e praticare la fisica senza risolvere le domande su cosa sta succedendo esattamente a un livello fondamentale, e quindi la maggior parte dei fisici non vuole avvicinarsi a queste domande bizzarre con un palo da 20 piedi.

Problema di fisica 3: l'unificazione di particelle e forze

Esistono quattro forze fondamentali della fisica e il modello standard della fisica delle particelle ne comprende solo tre (elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole). La gravità è esclusa dal modello standard. Cercare di creare una teoria che unifichi queste quattro forze in una teoria di campo unificata è uno degli obiettivi principali della fisica teorica.

Poiché il modello standard della fisica delle particelle è una teoria dei campi quantistici, allora ogni unificazione dovrà includere la gravità come una teoria dei campi quantistici, il che significa che la risoluzione del problema 3 è collegata alla risoluzione del problema 1.

Inoltre, il modello standard della fisica delle particelle mostra molte particelle diverse - 18 particelle fondamentali in tutto. Molti fisici ritengono che una teoria fondamentale della natura dovrebbe avere un metodo per unificare queste particelle, quindi sono descritte in termini più fondamentali. Ad esempio, la teoria delle stringhe, la più ben definita di questi approcci, prevede che tutte le particelle siano diverse modalità vibrazionali di filamenti di energia fondamentali o stringhe.

Problema di fisica 4: il problema di ottimizzazione

Un modello di fisica teorica è una struttura matematica che, per fare previsioni, richiede che siano impostati determinati parametri. Nel modello standard della fisica delle particelle, i parametri sono rappresentati dalle 18 particelle previste dalla teoria, il che significa che i parametri sono misurati mediante l'osservazione.

Alcuni fisici, tuttavia, ritengono che i principi fisici fondamentali della teoria dovrebbero determinare questi parametri, indipendentemente dalla misurazione. Ciò ha motivato gran parte dell'entusiasmo per una teoria dei campi unificata in passato e ha scatenato la famosa domanda di Einstein "Dio ha avuto altra scelta quando ha creato l'universo?" Le proprietà dell'universo impostano intrinsecamente la forma dell'universo, perché queste proprietà non funzioneranno se la forma è diversa?

La risposta a questo sembra essere incline fortemente all'idea che non esiste un solo universo che potrebbe essere creato, ma che ci sono una vasta gamma di teorie fondamentali (o diverse varianti della stessa teoria, basate su parametri fisici diversi, originali stati energetici e così via) e il nostro universo è solo uno di questi possibili universi.

In questo caso, la domanda diventa perché il nostro universo ha proprietà che sembrano essere così finemente sintonizzate per consentire l'esistenza della vita. Questa domanda si chiama problema di messa a punto e ha promosso alcuni fisici a ricorrere al principio antropico per una spiegazione, che impone che il nostro universo abbia le proprietà che ha perché se avesse proprietà diverse, non saremmo qui per porre la domanda. (Una grande spinta del libro di Smolin è la critica di questo punto di vista come una spiegazione delle proprietà.)

Problema di fisica 5: il problema dei misteri cosmici

L'universo ha ancora una serie di misteri, ma quelli che la maggior parte dei fisici irriverenti sono materia oscura ed energia oscura. Questo tipo di materia ed energia viene rilevato dalle sue influenze gravitazionali, ma non può essere osservato direttamente, quindi i fisici stanno ancora cercando di capire cosa sono. Tuttavia, alcuni fisici hanno proposto spiegazioni alternative per queste influenze gravitazionali, che non richiedono nuove forme di materia ed energia, ma queste alternative sono impopolari per la maggior parte dei fisici.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph.D.