Топ-10 нерешенных проблем в физике.


1. Можно ли вычислить в принципе все (измеримые) безразмерные параметры физической вселенной, или они просто обнаруживаются случайно, и их нельзя вычислить?

Эйнштейн сказал проще: "Был ли у Бога выбор, когда он создавал вселенную?".
Представьте Всевышнего, сидящего за пультом управления, готовя Большой взрыв:
-- Какой должна быть скорость света? Какой заряд установить электрону? Какую величину я должен установить постоянной Планка, величине, которая определяет размер крошечных пакетов энергии -- квантов?
Может быть, он задал числа случайным образом, дабы успеть до срока? Или величины должны быть такими, какие они есть, подчиняясь глубокой, скрытой логике?
Такие вопросы встали при решении головоломки с таинственным числом, называемым альфа. Если возвести заряд электрона в квадрат и поделить на скорость света, умноженную на постоянную Планка, то все размерности (масса, время, расстояние) сократятся, явив так называемое "чистое число" -- альфа, значение которого чуть больше 1/137.
Но почему не точно 1/137, почему не другое значение? Ни физики, ни даже мистики не могут объяснить, почему.


2. Как квантовая гравитация может помочь объяснить происхождение вселенной?

Две из великих теорий современной физики:

* стандартная модель, которая использует квантовую механику для описания субатомных частиц и сил, которым они подчиняются;
* общая теория относительности, или теория гравитации.

Физики давно надеются, что слияние двух теорий в одну "теорию всего" -- квантовую гравитацию -- поможет лучше понять вселенную, включая, то, как она вдруг появилась на свет с Большим взрывом. Главные кандидаты на слияние -- это теория суперструн, или М-теория (так называется последняя версия, "М" значит "магия" или "мать всех теорий").


3. Каково время жизни протона и как его определить?

Раньше считалось аксиомой, что протоны, в отличие от, скажем, нейтронов, живут вечно, никогда не распадаясь на более мелкие частицы. Но в 1970-х годах теоретики поняли, что их кандидаты на великую общую теорию, объединяющую все силы, кроме гравитации, подразумевают, что протоны должны быть нестабильными. Подожди достаточно долго, и протон распадется.
Проблема в том, чтобы поймать этот момент "с поличным". Сидя в подземных лабораториях, защищенных от космических лучей и других возмущений, экспериментаторы провели годы, наблюдая за большими резервуарами с водой и дожидаясь, когда же протон внутри одного из атомов распадется.
На данный момент показатель "смертности" равен нулю. Это значит, что либо протоны абсолютно стабильны, либо весьма долгоживучи.


4. Является ли природа суперсимметрична, и если так, то почему эта суперсимметрия нарушена?

Многие физики верят, что для объединения всех сил, включая гравитацию, в единую теорию нужно показать, что два совершенно разных вида частиц на самом деле тесно связаны. Этот феномен называется суперсимметрией.
Первый вид частиц -- фермионы -- это строительные блоки материи. Например, протоны, электроны и нейтроны. Вместе они образуют вещество.
Другой вид -- бозоны -- это частицы-носители сил. Например фотоны, носители света.
При суперсимметрии у каждого фермиона должен быть близнец бозон, и наоборот. Физики с их навязчивым желанием раздавать забавные названия называют так называемых суперпартнеров "счастицами". Для электрона должен быть селектрон, для фотона -- фотино.
Но так как счастицы пока не обнаружены в природе, физики также должны объяснить, почему симметрия нарушена, куда пропало математическое совершенство первых мгновений Большого взрыва, когда вселенная остыла и застыла в своем несимметричном, однобоком состоянии.


5. Почему у вселенной одно временное и три пространственных измерения?

Ответ "потому что" не рассматривается. И то, что люди просто не могут представить движение в дополнительном измерении, не значит, что Вселенная должна быть создана таким образом.
В соответствии с теорией суперструн фактически должно быть шесть дополнительных пространственных измерений, каждое из которых свернуто до таких крошечных размеров, что их невозможно обнаружить. Если теория права, то почему только три измерения развернуты, предоставляя нам относительно ограниченное пространство?


6. Почему космологическая постоянная имеет такую величину? Равна ли она нулю и является ли в действительности постоянной?

До недавнего времени космологи думали, что вселенная расширяется равномерно. Но последние наблюденя показали, что скорость расширения увеличивается. Это небольшое ускорение описывается числом, называемым космологической постоянной.
Равна ли на самом деле постоянная нулю или имеет какое-то очень малое значение, физики не могут объяснить, почему. В соответствии с некоторыми фундаментальными подсчетами ее значение должно быть велико -- самое малое в 10 в 10-й степени раз больше наблюдаемого значения. Другими словами, вселенная должна быстро раздуться, как воздушный шар. Так как этого не происходит, должно быть что-то, что этому противодействует.
Если бы вселенная была совершенно суперсимметрична, то космологическая постоянная равнялась бы нулю. Но так как симметрия, если она вообще существует, нарушена, постоянная должна принимать слишком большое значение. Дело станет еще более запутанным, если выясниться, что постоянная на самом деле меняется со временем.


7. Какие фундаментальные степени свободы у М-теории (теории, у которой предел малой энергии -- 11-мерная супергравитация и которая включает пять согласующихся теорий суперструн) и описывает ли теория природу?

На протяжении многих лет одним из наиболее слабых мест теории суперструн было существование пяти ее версий. Какая из них описывает вселенную (если описывает)?
Недавно все пять версий объединились в одну всеобъемлющую 11-мерную конструкцию, именуемую М-теорией. Но это только добавило новых осложнений. До М-теории считалось, что все субатомные частицы состояли их крошечных суперструн. М-теория добавила еще более странные объекты -- "браны" -- как мембраны, но только 9-мерные.
Вопрос теперь в том, что более фундаментально -- состоят ли струны из бран, или наоборот? Или существует что-то более фундаментальное, о чем еще никто не думал? И наконец, существует ли что-то из этого в действительности или М-теория просто игра разума?


8. Как разрешить информационный парадокс черной дыры?

В соответствии с квантовой теорией информация, описывает ли она ускорение частицы или распределение чернил или пикселов на документе, не может исчезнуть из вселенной. Но физики Кип Торн, Джон Прескилл и Стивен Хоукинг поспорили: что случиться, если уронить томик Британской энциклопедии в черную дыру? Неважно, существуют ли другие идентичные копии где-то в космосе.
Как сказано в физике, информация не то же самое, что значение, а просто двоичные цифры или какой-либо другой код, описывающий объект или форму. Так что похоже информация в той конкретной книге исчезнет навсегда. Но это считается невозможным.
Д-р Торн и д-р Хоукинг думают, что информация действительно исчезнет и квантовой механике придется с этим мириться. Д-р Прескилл полагает, что информация не исчезнет на самом деле: она может быть каким-то образом отражена на поверхности черной дыры, как на космическом киноэкране.


9. Как физики объясняют огромное несоответствие между гравитацией и массой элементарных частиц? Другими словами, почему гравитация настолько слабее других сил, таких, как электромагнетизм?

Магнит может поднять скрепку для бумаги даже не смотря на то, что гравитация всей земли тянет в другую сторону. В соответствии с одной из последних теорий гравитация на самом деле гораздо сильнее. Она просто кажется слабее, потому что большая ее часть "заперта" в одном из тех дополнительных измерений. Если бы удалось высвободить ее полную силу, используя очень мощный ускоритель частиц, то можно было бы создавать миниатюрные черные дыры. Хотя они, возможно, будут исчезать в тот же момент, как появятся.


10. Можем ли мы математически объяснить связь кварков и глюонов в квантовой хромодинамике и существование массы?

Квантовая хромодинамика -- это теория, описывающая сильные ядерные взаимодействия. Эти взаимодействия, которые передаются глюонами, связывают кварки в частицы, такие как протоны и нейтроны. В соответствии с теорией крошечные субчастицы навечно связаны между собой. Нельзя взять кварк или глюон из протона, так как сильные взаимодействия станут сильнее с расстоянием и притянут их обратно.
Но физики еще должны окончательно доказать, что кварки и глюоны никогда не "сбегут". И когда они пытаются это сделать, все вычисления разваливаются. И они не могут объяснить, почему все частицы, на которые распространяются сильные взаимодействия должны обладать хотя бы небольшой массой, почему масса не может быть равна нулю.
Есть некоторая надежда найти ответ в М-теории, которая также может пролить больше света на природу гравитации.


Перевод с английского.
Оригинал: http://www.oglethorpe.edu/faculty/~m_rulison/top10.htm