Ratkaisemattomat fysiikan ongelmat

Tämä on luettelo joistakin fysiikan toistaiseksi ratkaisemattomista ongelmista. Jotkin näistä ongelmista ovat teoreettisia, mikä tarkoittaa, että nykyiset teoriat näyttävät olevan kykenemättömiä selittämään joitakin havaittuja ilmiöitä tai kokeellisia tuloksia. Toiset ovat kokeellisia, mikä tarkoittaa, että on vaikeaa luoda koe, jolla voisi testata esitettyä teoriaa tai tutkia ilmiötä tarkemmin.

Perusteorioihin liittyviä ongelmia

• Gravitaation kvanttimekaaninen teoria, ts. yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäminen. Nämä yhdistää Wheeler–DeWitt-yhtälö.
• Kvanttimittauksen ongelma: tarvitaanko erillinen mittaushypoteesi (jolloin mittauksen käsitteestä tulisi filosofinen ongelma) vai pystytäänkö mittausta kuvaamaan puhtaasti kvanttimekaanisin mallein, ilman mittaushypoteesia.
• Supersymmetrian ja supersymmetristen hiukkasparien olemassaolo.

Eri tutkimusalueiden ratkaisemattomia ongelmia

• Voidaanko valmistaa likimain huoneenlämmössä toimivia korkean lämpötilan suprajohteita?
• Pystytäänkö rakentamaan käyttökelpoinen kvanttitietokone?

Ongelmia teorioiden selityskyvyssä

Kertymäkiekkosuihkut

Miksi kertymäkiekot, jotka ympäröivät joitakin astronomisia kohteita, kuten aktiivisten galaksien ydintä, emittoivat relativistisia suihkuja niiden polaariakseleita pitkin?

Maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen

Miksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyen, kuten on havaittu? Mikä on tätä kiihtyvyyttä ajavan pimeän energian luonne? Jos se johtuu kosmologisesta vakiosta, miksi vakio on niin pieni, mutta nollasta eroava? Miksi se ei ole suuri, kuten jotkut kvanttikenttäteoriat ennustavat, tai nolla johtuen jostain toistaiseksi tuntemattomasta symmetriasyystä? Mikä on universumin lopullinen kohtalo?

Alkuräjähdysteoria

Minkä luonnonlakien puitteissa alkuräjähdys olisi ollut mahdollinen?

Amorfiset kiinteät aineet

Mikä on fluidien tai tavallisten kiinteiden aineiden ja lasisen faasin transitioiden välinen luonne? Mitkä ovat fyysiset prosessit, jotka antavat lasille tyypilliset ominaisuudet?

Ajan nuoli

Miksi universumilla oli niin pieni entropia menneisyydessä, joka johti menneisyyden ja tulevaisuuden eroon ja termodynamiikan toiseen lakiin?

Baryoniepäsymmetria

Miksi ainetta on paljon enemmän kuin antiainetta?

Dimensiottomat luonnonvakiot

Miksi havaitsemme nämä arvot, emmekä muita? Muuttuuko näiden perusluonnonvakioiden arvot ajan myötä?

Kolmen kappaleen liikkeiden tarkka kuvailu voimakentissään

Mekaniikan yksinkertainen systeemi, jossa kolme kappaletta liikkuu hiemankin epätriviaalisti toisiensa sähköisissä tai missä muussa tahansa voimakentissä, on ratkaistavissa vain likimäärin tietokoneapproksimaatiolla, analyyttistä kaavaratkaisua ei ole lukuun ottamatta Karl Frithiof Sundmanin hitaasti suppenevaa sarjakehitelmää. Tämä, kuten muutkin perusteorioiden "analyyttinen ratkaisu puuttuu" -ongelmat (esimerkiksi hydrodynamiikan Navierin–Stokesin yhtälöt) ovat pohjimmiltaan matemaattisia ongelmia. Yleensä differentiaaliyhtälöt pystyy kirjoittamaan kuka tahansa fyysikko, mutta analyyttinen yleinen ratkaisu puuttuu. (Esimerkiksi juuri Navier-Stokeseja lasketaan ja niihin luotetaan samalla varmuudella kuin muihinkin peruslakeihin, vaikka matemaatikot tutkivat, onko niihin edes yleisesti olemassa kaikki yhtälöt tarkasti toteuttavaa ratkaisujoukkoa, vai ovatko luvut vain eräänlaisia sovitteita, jotka sopivat vain tietokoneen tarkkuuden rajoissa ratkaisuksi.) On huomattava, että ns. pakonopeuden saanut kappale ei voi vähentää (viedä mukanaan) systeemin kokonaisimpulssimomenttia.

Korkean lämpötilan suprajohtavuus

Miksi tietyt materiaalit ovat suprajohtavia yli 50 kelvinin lämpötiloissa?**

Koronan lämpötila

Miksi Auringon koronan lämpötila on reilusti suurempi kuin Auringon pinnan?

Kosmologinen vakio

Miksi tyhjiön nollapisteen energia ei johda suureen kosmologiseen vakioon?

Miksi kosmologisella vakiolla on se arvo, mikä sillä on ja onko se todella vakio?

Kylmäfuusio

Mikä on teoreettinen selitys kuvaamaan ylimääräisen lämmön ja heliumin deuteriumilla kyllästetyssä palladiumissa?

Lyhytaikaiset gammasädepurkaukset

Mitä nämä purkaukset ovat?

Massa

Mikä aiheuttaa massan? Miksi inertiaalinen ja gravitationaalinen massa ovat erottamattomia?

Mustat aukot

Onko niitä todella olemassa? Jos ei, mitä ovat ultrakompaktit supermassiiviset kohteet, joita on havaittu ja mikä fysiikka hallitsee niitä?

Neutriinon massa

Mikä mekanismi aiheuttaa neutriinon massan? Onko neutriino itsensä antipartikkeli?

Pallosalamat

Onko niitä ja miten ne selittyvät?*

Pimeä aine

Onko sitä vai onko fysiikan teorioissa perustavanlaatuisia vikoja. Jos sitä on niin, minkälaista se on? Onko sitä mahdollista havaita? Miten se muodostuu?

Pioneer 10:n anomalia

Mikä aiheuttaa ilmeisen Aurinkoa kohti suuntautuvan kiihtyvyyden Pioneer 10 -avaruusluotaimelle?

Sonoluminesenssi

Mikä aiheuttaa sen?

Sähköheikkosymmetrian hajoaminen

Mikä mekanismi antaa massan W ja Z -hiukkasille? Onko kyse standardimallin Higgsin mekanismista?

Turbulenssi

Onko turbulentin virtauksen teoreettisen mallin luominen mahdollista?

Kaikkeus

Miksi kaikkeus on epäsymmetrinen?***

Varaus

Mikä antaa kvarkeille varauksen ja miksi eri partikkeleilla on eriarvoisia varauksia?

Äärimmäisen suurienergiaiset kosmiset säteet

Miksi joillakin kosmisilla säteillä on mahdottoman suuria energioita verrattuna Maan lähellä oleviin lähteisiin?

Ongelmia teorioiden testattavuudessa

Aksionit

Onko Peccein–Quinnin teoria ratkaisu CP-ongelmaan? Mitkä ovat ennustetun aksionin ominaisuudet?

Aine

Miksi ainetta on? Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Miten neljä perusvuorovaikutusta ilmestyivät?

Fyysinen informaatio

Onko informaation peruuttamaton katoaminen mahdollista?

Gravitaatio

Onko universumi täynnä gravitaatiosäteilyä alkuräjähdyksen jäljiltä? Onko gravitaatiolla kvantti-ilmiöitä?

Kosminen inflaatio

Onko kosmisen inflaation teoria oikea?

Kaluzan-Kleinin teoria

Onko olemassa enemmän kuin neljä avaruus-aikaulottuvuutta?

Kvanttigravitaatio

Voiko kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistää? Ja jos voi, miten? Säieteoria? Voidaanko Planckin skaalan fysiikasta saada kokeellisia tuloksia?

Kvanttifysiikka

Miten tulkita kvanttifysiikkaa? Miten makroskaala seuraa kvanttiskaalasta?

Kvanttikromodynamiikka (QCD)

Atomiydinten kuvailuun tarvittavilla energiaskaaloilla QCD-yhtälöt ovat ratkaisematta.

Magneettinen monopoli

Onko hiukkasta, jolla on magneettinen varaus? Jos on, miksi ne ovat niin vaikeasti havaittavia?;

Multiversumi

Onko fysikaalista syytä uskoa havaitsemattomissa oleviin universumeihin? Onko antrooppinen periaate sovelias kosmologiaan?***

Nopeammin kuin valo

Onko mahdollista kulkea nopeammin kuin valo? Onko tietoa mahdollista välittää nopeammin kuin valo liikkuu?**

Paulin kieltosääntö

Mikä on tämän periaatteen syvällisempi alkuperä?***

Protonin radioaktiivinen hajoaminen

Monet standardimallin seuraajaehdokkaat ennustavat protonin hajoamista. Jos näin on, mikä on sen puoliintumisaika?

Supersymmetria

Onko sitä ja jos on, miten se rikkoutuu?

Säieteoria

supersäieteoria, M-teoria, tmv. askel kaiken teoriaan vai umpikujaan?

Universumin koko

Mitä on havaittavan kaikkeuden takana?***

* Perustuvat yksittäisiin väittämiin, monet fyysikot pitävät pseudotieteenä.

** Monet fyysikot pitävät asiaa ratkaistuna, vaikkakin keskustelu jatkuu.

*** Jotkut fyysikot pitävät kysymystä pikemminkin filosofisena kuin fysikaalisena.

Hiljattain ratkaistuja ongelmia

Pitkäkestoiset gammapurkaukset (2003)

Liittyvät massiivisten tähtien kuolemaan supernovan kaltaisessa tapahtumassa, hypernovassa.

Auringosta saapuvien Maan läpi kulkevien neutriinojen mitattu määrä verrattuna teoreettiseen (2002)

Ratkaisu löytyi neutriinofysiikan paremmasta ymmärtämisestä ja aiheutti standardimallin muokkaamista.

Kvasaarit

Näiden olemus säilyi tuntemattomana vuosikymmeniä. Nykyisin voimakkaan säteilyn selitetään johtuvan aineen putoamisesta galaksin keskustassa olevaan supermassiiviseen mustaan aukkoon.

Hiukkasfysiikan standardimalli

Mallin ennustama Higgsin hiukkanen löydettiin Cernissä vuonna 2012.

Aiheesta muualla

• Open Questions in Physics (englanniksi)
• New Scientist: 13 things that do not make sense.(englanniksi)
• Science Magazine: the most compelling puzzles and questions facing scientists today.(englanniksi)