Распад метастабильного вакуума

Распад метастабильного вакуума

Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?

Квантовая гравитация

Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?^[3] Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?

Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга

Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется?^[4][5]. Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры?^[6] Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется^[7]. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр^[8]. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению чёрной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом^[9]. Неизвестно доказательство в общем случае «теоремы об отсутствии волос» у чёрной дыры

 

Размерность пространства-времени

Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх?^[1] Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?^[11]

Инфляционная модель Вселенной

Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?

Мультивселенная

Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантовомеханические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения?^[12] Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических проблем?

Локальность

Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?

Будущее Вселенной ^[15]

Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?

 

Модель чёрной дыры (в центре), наложенная на изображение Большого Магелланова Облака. Обратите внимание на эффект гравитационного линзирования, которое производят два увеличенных и сильно искажённых участка Облака. В верхней части рисунка диск Млечного Пути также имеет дугообразное искажение.

 

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц [править | править код]

См. также: Физика за пределами Стандартной модели

Моделирование процесса обнаружения бозонов Хиггса на детекторе КМС в CERN

Нерешённые вопросы физики элементарных частиц делятся на два класса. Первый — из чего всё состоит и почему оно построено так, как построено, а также поиск возможных новых частиц и взаимодействий. Второй — как из уже известных частиц образуются уже известные явления^[16].

Механизм Хиггса ^[16]

Сколько бозонов Хиггса существует? Описываются ли они в рамках Стандартной модели?^[17]

Проблема иерархии

Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10¹⁹ ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?

Магнитный монополь

Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.^[18])^[19]

Поколения материи

Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?

Квантовая теория поля

Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?^[21]

Безмассовые частицы

Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?^[22]

Ядерная физика [править | править код]

Квантовая хромодинамика

Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?

Остров стабильности

Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?^[23]

Сверхтекучесть [править | править код]

· Не создана последовательная квантовая гидродинамическая теория сверхтекучей жидкости, объединяющая двухжидкостную теорию Ландау и теорию, учитывающую градиенты макроскопической волновой функции^[24].

· Макроскопическая теория сверхтекучести не учитывает взаимодействие между наблюдателем и квантовой системой. Существенно ли оно для сверхтекучести?^[25]

· Не решена задача учёта взаимодействия частиц при квантовом подходе^[26].

· Можно ли наблюдать релятивистские эффекты в сверхтекучих системах?^[27]

· Существующая формулировка квантовой механики не позволяет получить описание сверхтекучей системы из первых принципов. Масса сверхтекучих систем велика, а длина волны де Бройля сравнима с размерами измерительного прибора. Приведёт ли явление сверхтекучести к новому пониманию старого парадокса квантовой механики о редукции волнового пакета в процессе измерения?^[28]

Другие проблемы[править | править код]

Туннельный эффект — квантовая механика показывает, что электроны могут преодолеть потенциальный барьер, что подтверждается результатами экспериментов.
Классическая механика, наоборот, предсказывает, что это невозможно.

Физическая информация

Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?

CP-симметрия

Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?^[1]

Физика полупроводников

Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника^[30].

Квантовая физика

Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов^[31].

При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим^[32].

Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s¹-электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.

Статистическая физика

Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса^{[33][34][35][36]}.

Квантовая электродинамика

Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля?^[37]

Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице^[38].

Можно ли сопоставить нулевой энергии электромагнитного поля какую-нибудь наблюдаемую физическую величину?^[39]

Биофизика

Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов^[40].

Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах^[41].

Сверхпроводимость

Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры^[42]. Возможно ли получить в стабильном состоянии материал-сверхпроводник при комнатной температуре?^[43]

Физика твёрдого тела

Невозможно даже приближённо рассчитать намагниченность, теплоёмкость, электропроводность и другие макроскопические величины, исходя из известного строения кристалла, электронных оболочек атомов в кристалле и других параметров микромира для сильно магнитных веществ (ферромагнетиков, антиферромагнетиков и ферримагнетиков)^[44].

Отсутствует количественная микроскопическая теория ацентрических твердых тел, учитывающая тип, концентрацию и характер распределения примесей и дефектов структуры^[45].

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения[править | править код]

Космология и астрономия[править | править код]

Существование Вселенной

Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?

Тёмный поток

Что является причиной согласованного движения большой группы скоплений галактик к одной точке Вселенной?^[48]

Форма Вселенной

Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?

Термодинамика Вселенной

Почему в наблюдаемой части Вселенной в настоящее время отсутствует термодинамическое равновесие?^[50]

Планетология

Почему с 1930-х годов уменьшается размер Большого красного пятна на Юпитере?^[51]

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц [править | править код]

Масса нейтрино

Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это и есть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?^[53]

Кварки

Почему ровно три цвета?^[1] Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Откуда берётся такой разброс в массах кварков? Из чего состоят кварки?^[23] Как кварки складываются в адроны?^[16]

Кризис спина протона

По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12 % от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?

Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме

Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?

Удержание цвета ^[1]

Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?

Гипотетические частицы

Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?

Теория Редже

Почему все наблюдаемые в эксперименте траектории Редже являются прямолинейными и имеют приближенно равные наклоны?^[54][55]

Радиус протона

Радиус протона, определённый в экспериментах по измерению лэмбовского сдвига в атоме водорода с заменой электрона на мюон (0,8409 фм), оказался меньше радиуса протона, определённого в экспериментах по рассеянию электронов на протонах (0,879 фм)^[56].

Магнитный момент мюона

Экспериментальное значение магнитного момента мюона не соответствует теоретическому^[56][57].

Спин

Почему сохраняется ненулевой момент количества движения в низшем энергетическом состоянии? Почему спины электронов и нуклонов полуцелые?^[59]

Мюон и электрон

Почему мюон и электрон различаются только массой и столь похожи во всех остальных отношениях?^[60]

Фундаментальная длина

Существует ли она в микромире и если да, то какова она по величине?^[61]

Астрономия и астрофизика [править | править код]

Релятивистские струи. Вокруг АЯГ релятивистская плазма коллимируется в струи, исходящие от полюсов сверхмассивной чёрной дыры.

Закон планетарных расстояний

предложенный ещё И. Д. Тициусом и И. Э. Боде − до сих пор неизвестно, является ли это правило случайным совпадением, или существуют физические причины для закономерности расстояний до планет.

Планетная система

Отсутствует законченная теория, объясняющая происхождение Солнечной системы^[62] и Земли^[63] в частности и планетарных систем и экзопланет в целом.

Солнечная цикличность

Какова природа циклов солнечной активности; каков механизм обращений магнитного поля Солнца, Земли?

Скорость вращения Сатурна

Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?^[64]

Струи аккреционных дисков

Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси?^[65] Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?

Гамма-всплески

Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?^[66]

Сверхмассивные чёрные дыры

Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?^[67]

Наблюдаемые аномалии

Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?

Пролётная аномалия: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?

Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?

Сверхновые

Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?

Космические лучи сверхвысоких энергий ^[46]

Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?^[68][69]

Замедление времени квазара

Почему кривые блеска квазаров в отличие от кривых блеска сверхновых^[70] не демонстрируют эффекта замедления времени на больших космологических расстояниях?^[71]

 

 

Физика конденсированного состояния[править | править код]

Аморфные тела

Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла?^[72][73]

Холодный ядерный синтез

Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?^[74][75][76]

Сонолюминесценция

Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?^[80]

Турбулентность

Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?^[81] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье — Стокса? Это, вероятно, последняя нерешённая проблема классической или ньютоновской физики.

Физика атмосферы[править | править код]

Квазидвухлетний цикл

Какова природа колебаний с периодом порядка 26 месяцев, зарождающихся в экваториальной стратосфере?

Полугодовой цикл

Какова природа колебаний с полугодовым периодом, проявляющихся, в частности, в виде загадочного эффекта «бабьего лета»?^[82]

Отрицательная вязкость

Каков физический механизм явлений с отрицательной вязкостью?^[83]

Шаровая молния

Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Молния

Почему лишь малая часть кучевого облака перед грозой электрически заряжена?^[84] Почему ступенчатый лидер молнии перемещается с паузами?^[84] Чем объясняется чередование фаз сильного и слабого тока в процессе образования молний?^[84]

Биофизика[править | править код]

Синаптическая пластичность

Она необходима для вычислительной и физической моделей мозга, но чем это обусловлено и какую роль она играет в процессах более высокого порядка вне гиппокампа и зрительной коры?

Аксональное наведение

Как аксоны, исходящие из нейронов, находят свои цели? Этот процесс имеет решающее значение для развития нервной системы, в частности, в вопросе формирования структуры соединений в мозге.

Физика биополимеров

Отсутствует теория, которая объясняет экспериментальные данные при конформационных и конфигурационных изменениях биополимеров^[85].

Физика полупроводников[править | править код]

· В случае полярных решёток опыт даёт значительное расхождение с теоретической зависимостью подвижности носителей заряда от температуры^[30].

· В большинстве полупроводников величина и температурная зависимость термоэлектродвижущей силы на опыте расходятся с предсказаниями теории^[30].

Геофизика[править | править код]

· Отсутствует законченная теория, объясняющая происхождение и эволюцию магнитного поля Земли^[86].

· Отсутствует объяснение явления антисимметрии в расположении материков и океанических впадин на поверхности Земли (наличие океанического и материкового полушария Земли, Антарктический материк противостоит океанической впадине Северного Ледовитого океана)^[87].

Физика твердого тела[править | править код]

· Незатухающие токи в обычных проводниках, помещенных в магнитное поле, на один-два порядка больше предсказываемых теорией^[88].

Экспериментальная физика[править | править код]

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности[править | править код]

· Создание гравитационно-волновой астрономии^[89][90].

· Проверка закона всемирного тяготения Ньютона на расстояниях, меньших 55 мкм, с целью проверки гипотезы о существовании добавочных пространственных измерений^[91].

· Осуществление генерации и детектирования гравитационных волн в лабораторных условиях^[92]

· Выявление квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции^[93]

Физика элементарных частиц[править | править код]

· Обнаружение распада протона и определение времени жизни протона^[94][95].

· Обнаружение новых элементарных частиц, предсказываемых теориями суперсимметрии и супергравитации^[96].

Теория струн[править | править код]

· Обнаружение космических струн, предсказываемых теорией струн^[97].

Метрология[править | править код]

· Создание эталона массы с приемлемой точностью на основе измерений фундаментальных физических констант масс различных элементарных частиц (протона, электрона и т. д.)^[98].

 

Проблемы, решённые за последние десятилетия[править | править код]

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов.

Проблема спектральной щели

в 2015 г. доказана её неразрешимость в общем случае (для некоторых конкретных материалов она, наоборот, полностью разрешима).^{[99][100][101]}

Бозон Хиггса (2012/2013)

Обнаружен экспериментально бозон Хиггса (большой адронный коллайдер в ЦЕРНе)^[103][104].

Аномалия «Пионеров» (2012) ^[46]

Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»? Считается, что это является следствием ранее не учитываемой отдачи тепловых сил^[105][106].

Реальность кварков (1995)

Изначально учёные считали кварки очередной математической абстракцией. Только открытие топ-кварка окончательно убедило их в реальности кварков^[109].

Возрастной кризис (1990-е)

Оценка возраста Вселенной от 3 до 8 миллиардов лет была меньше, чем оценка возраста самых старых звёзд в нашей галактике. Уточнение оценок расстояния до звёзд и введение тёмной энергии в космологическую модель позволили повысить точность оценки возраста Вселенной.

Квазары (1980-е)

На протяжении десятилетий природа квазаров была непонятна^[110]. Сейчас они рассматриваются как разновидность активных ядер галактик, которые излучают огромную энергию за счёт материи, падающей в массивную чёрную дыру в центре галактики^[111].

 

Распад метастабильного вакуума

Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?

Квантовая гравитация

Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?^[3] Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?