Problemi irrisolti della fisica

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Jump to navigation Jump to search

La maggior parte dei problemi irrisolti della fisica sono teorici, ciò significa che le teorie esistenti oggi sembrano incapaci di spiegare un determinato fenomeno osservato o un dato sperimentale. Gli altri problemi invece sono sperimentali, ciò vuol dire che si riscontrano varie difficoltà nel creare un esperimento per verificare la validità di una teoria proposta o investigare un fenomeno più dettagliatamente.

Ci sono ancora alcune carenze nel Modello standard, ad esempio l'origine della massa, il problema della CP forte, la masse e le oscillazioni del neutrino, l'asimmetria tra materia e antimateria, e la natura della materia oscura e dell'energia oscura.[1][2] Un altro problema riguarda la struttura matematica del Modello standard stesso che risulta incoerente con quello della relatività generale, fino al punto che una o entrambe le teorie in certe condizioni non riescono a determinare cosa accade (come ad esempio all'interno delle singolarità gravitazionali come il Big Bang e il centro di un buco nero oltre l'orizzonte degli eventi).

Problemi irrisolti nei vari ambiti[modifica | modifica wikitesto]

Questa è una lista di problemi irrisolti suddivisi in base ai diversi ambiti in cui può essere suddivisa la fisica:[3]

Fisica generale/fisica quantistica[modifica | modifica wikitesto]

  • Teoria del tutto: c'è una teoria che possa spiegare i valori di tutte le costanti fisiche fondamentali?[4] Esiste una teoria che spiega perché i gruppi di gauge del Modello standard sono così come sono, e perché lo spaziotempo osservato ha tre dimensioni spaziali e una temporale? Le "costanti fondamentali" sono davvero fondamentali o variano nel tempo? È possibile che le particelle del Modello standard siano composte da particelle più piccole legate in modo tanto forte da non poter essere osservate con le tecnologie attuali? Quali sarebbero le proprietà di queste particelle? Ci sono interazioni fondamentali non ancora osservate?
  • Freccia del tempo (per esempio la freccia del tempo dovuta all'entropia): perché il tempo ha una direzione? Perché l'universo aveva una bassa entropia nel passato e man mano che il tempo è trascorso c'è stato un aumento dell'entropia in tutto l'universo come previsto dalla seconda legge della termodinamica?[4] Perché sono state osservate delle violazioni della simmetria CP in determinate circostanze sotto l'azione del decadimento dovuto alle forze deboli, ma non altrove? Sono le violazioni di CP in qualche modo un prodotto della seconda legge della termodinamica o vanno considerati come una distinta freccia del tempo? Ci sono eccezioni al principio di casualità? C'è un solo possibile passato? Il presente è un momento fisicamente distinto dal passato e dal futuro o è solo una proprietà della coscienza? Cosa lega la freccia del tempo quantistica alla freccia del tempo termodinamica?
  • Interpretazione della meccanica quantistica: come può la descrizione quantistica della realtà che include elementi come la sovrapposizione degli stati e il collasso della funzione d'onda dare origine alla realtà che percepiamo?[4] In altre parole, si tratta del problema della misura: cosa costituisce una "misura" che apparentemente provoca il collasso della funzione d'onda in uno stato definito? A differenza dei processi della fisica classica, alcuni processi quantistici (come il teletrasporto quantistico derivato dall'entanglement quantistico) non possono essere simultaneamente "locali", "causali" e "reali", ma non è ovvio quale di queste proprietà vada sacrificata,[5] o se un tentativo di descrivere i processi quantistici in questo senso è un errore di categoria nel senso che una comprensione adeguata della meccanica quantistica renderebbe questa domanda senza significato. Può un multiverso dare la risposta?
  • Teoria di Yang-Mills: dato un arbitrario gruppo di gauge compatto, esiste una teoria quantistica non banale di Yang-Mills con gap di massa finito? (Questo problema è anche uno dei problemi per il millennio.)[6]
  • Confinamento di colore: in cromodinamica quantistica (QCD) per la congettura del confinamento di colore si intende che le particelle cariche di colore (come i quark e i gluoni) non possono essere separati dai loro adroni genitori senza produrre nuovi adroni.[7] Non c'è ancora una dimostrazione analitica del confinamento di colore in nessuna teoria di gauge non abeliana.
  • Informazione fisica: ci sono fenomeni fisici, come il collasso della funzione d'onda o i buchi neri, che distruggono irrevocabilmente informazioni circa i loro stati precedenti?[8] Come è immagazzinata l'informazione quantistica in qualità di stato di un sistema quantistico?
  • Constanti fisiche adimensionate: attualmente, i valori delle costanti fisiche adimensionate non può essere calcolato; sono determinati esclusivamente da misurazioni sperimentali.[9][10] Qual è il numero minimo di costanti adimensionate dalle quali discendono tutte le altre? Le costanti fisiche dimensionate sono proprio necessarie?
  • Universo finemente regolato: il valore delle costanti fisiche fondamentali deve mantenersi in una gamma ristretta di valori per supportare la nostra vita basata sui processi chimici che riguardano il carbonio.[11][12][13] È perché esistono altri universi con diverse costanti, o perché le costanti del nostro universo sono dovute al caso o a qualche altro fattore o processo?
  • Teoria quantistica dei campi: è possibile costruire, nella cornice matematicamente rigorosa della teoria quantistica dei campi algebrica, una teoria nello spaziotempo quadridimensionale che includa le interazioni e non ricorra ai metodi della teoria perturbativa?[14][15]

Cosmologia e relatività generale[modifica | modifica wikitesto]

  • Problema del tempo: nella meccanica quantistica il tempo è un parametro e lo scorrere del tempo è universale e assoluto. Nella relatività generale il tempo è una delle quattro componenti dello spaziotempo e il suo scorrere varia in base alla curvatura dello spaziotempo e la traiettoria dello spaziotempo dell'osservatore. Come possono essere riconciliati questi due concetti?[16]
  • Dimensione dell'universo: il diametro dell'universo osservato è di circa 93 miliardi di anni luce, ma qual è la vera dimensione dell'intero universo?

Gravità quantistica[modifica | modifica wikitesto]

  • La catastrofe del vuoto: perché la massa predetta del vuoto quantistico ha un piccolo effetto sull'espansione dell'universo?[17]

Fisica delle particelle (o delle alte energie)[modifica | modifica wikitesto]

  • Problema della gerarchia: perché la gravità è una forza così debole? Diventa forte solo per le particelle alla scala di Planck, intorno ai 1019 GeV, molto sopra la scala elettrodebole (100 GeV, la scala di energia dominante nella fisica a basse energie). Perché queste scale sono così diverse tra di loro? Cosa impedisce a quantità alla scala elettrodebole, come la massa del bosone di Higgs, dal subire correzioni quantistiche nell'ordine della scala di Planck? La soluzione è la supersimmetria, le dimensioni extra, o semplicemente un fine tuning antropico?
  • Particella di Planck: la massa di Planck gioca un ruolo importante in alcune parti della fisica matematica. Una serie di ricercatori hanno proposto l'esistenza di una particella fondamentale con massa uguale o vicina a quella di Planck. La massa di Planck è però enorme se paragonata alle altre particelle rivelate. Si tratta ancora di un problema irrisolto, se esiste o se è esistita una particella con massa vicina a quella di Planck. Questo problema è indirettamente correlato al problema della gerarchia.
  • Monopoli magnetici: Le particelle con "carica magnetica" sono esistite nel passato, in un'età ad energia più alta? Se fosse così, ne esistono oggi? (Paul Dirac mostrò che l'esistenza di alcuni di monopoli magnetici spiegherebbero la quantizzazione della carica.)[18]

Astronomia e astrofisica[modifica | modifica wikitesto]

  • Supernove: qual è il meccanismo esatto attraverso il quale un'implosione di una stella morta dà origine a una esplosione?

Fisica nucleare[modifica | modifica wikitesto]

Fisica atomica, molecolare e ottica[modifica | modifica wikitesto]

  • Controversia di Abraham–Minkowski: Qual è la quantità di moto della luce nei mezzi ottici? Quale è corretta (quella di Abraham o quella Minkowski)?
  • Condensazione di Bose–Einstein: Come si può dimostrare rigorosamente l'esistenza dei condensati di Bose–Einstein per sistemi interagenti generali?[19]

Meccanica classica[modifica | modifica wikitesto]

  • Traiettorie singolari nel problema newtoniano degli N-corpi: l'insieme delle condizioni iniziali per cui le particelle vicine alla collisione acquistano una infinita velocità in un tempo finito hanno misura zero? Si sa che questo è il caso in cui N è maggiore o uguale a quattro, ma il problema rimane aperto anche per N maggiori.[20][21]

Fisica della materia condensata[modifica | modifica wikitesto]

  • Superconduttori ad alte temperature: qual è il meccanismo che fa esibire a certi materiali la proprietà della superconduttività a temperature più alte di 25 kelvin? È possibile costruire un materiale che sia un superconduttore a temperatura ambiente?[4]
  • Solidi amorfi: qual è la natura della transizione vetrosa tra un fluido o un solido regolare e una fase vetrosa? Quali sono i processi fisici che danno origine alle proprietà generali dei vetri e della transizione vetrosa?[22][23]

Fisica del plasma[modifica | modifica wikitesto]

  • Fisica del plasma ed energia dalla fusione nucleare: la fusione nucleare potrebbe produrre energia usando delle risorse molto diffuse (come ad esempio l'idrogeno) senza il tipo di rifiuti radioattivi prodotti dalla fissione nucleare. Tuttavia, si possono confinare i gas ionizzati abbastanza a lungo e a temperature abbastanza alte in modo da creare energia nucleare? Qual è l'origine fisica della modalità ad alto confinamento (o H-mode)?[24]

Biofisica[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Richard Hammond, The Unknown Universe: The Origin of the Universe, Quantum Gravity, Wormholes, and Other Things Science Still Can't Explain, in Proceedings of the Royal Society of London, Series A, vol. 456, n. 1999, 1º maggio 2008, pp. 1685.
  2. ^ J. Womersley, Beyond the Standard Model (PDF), in Symmetry magazine, febbraio 2005.
  3. ^ Vitaly L. Ginzburg, The physics of a lifetime: reflections on the problems and personalities of 20th century physics, Springer, 2001, pp. 3–200, ISBN 978-3-540-67534-1.
  4. ^ a b c d John C. Baez, Open Questions in Physics, in Usenet Physics FAQ, University of California, Riverside: Department of Mathematics, marzo 2006. URL consultato il 7 marzo 2011.
  5. ^ Adán Cabello, Interpretations of quantum theory: A map of madness, in Olimpia Lombardi, Sebastian Fortin, Federico Holik e Cristian López (a cura di), What is Quantum Information?, Cambridge University Press, 2017, pp. 138–143, Bibcode:2015arXiv150904711C, DOI:10.1017/9781316494233.009, ISBN 978-1-107-14211-4, arXiv:1509.04711.
  6. ^ Yang-Mills and Mass Gap, su claymath.org.
  7. ^ T.-Y. Wu e W.-Y. Pauchy Hwang, Relativistic quantum mechanics and quantum fields, World Scientific, 1991, pp. 321, ISBN 978-981-02-0608-6.
  8. ^ Asher Peres e Daniel R. Terno, Quantum Information and Relativity Theory, in Reviews of Modern Physics, vol. 76, n. 1, 6 gennaio 2004, pp. 93–123, DOI:10.1103/RevModPhys.76.93. URL consultato il 18 marzo 2020.
  9. ^ Alcohol constrains physical constant in the early universe, su Phys Org, 13 dicembre 2012. URL consultato il 25 marzo 2015.
  10. ^ J. Bagdonaite, P. Jansen, C. Henkel, H. L. Bethlem, K. M. Menten e W. Ubachs, A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe, in Science, vol. 339, n. 6115, 13 dicembre 2012, pp. 46–48, Bibcode:2013Sci...339...46B, DOI:10.1126/science.1224898, PMID 23239626.
  11. ^ Martin Rees, Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape The Universe, Basic Books, 2001.
  12. ^ John Gribbin e Martin Rees, Cosmic Coincidences: Dark Matter, Mankind, and Anthropic Cosmology, Bantam Books, 1989, p. 7, ISBN 0-553-05730-8, OCLC 19124802. URL consultato il 18 marzo 2020.
  13. ^ Paul Davis, Cosmic Jackpot: Why Our Universe Is Just Right for Life, New York, NY, Orion Publications, 2007, p. 2, ISBN 978-0-618-59226-5.
  14. ^ Kasia Rejzner, Perturbative Algebraic Quantum Field Theory, Springer, ISBN 978-3-319-25899-7.
  15. ^ Klaus Fredenhagen e Katarzyna Rejzner, Perturbative Construction of Models of Algebraic Quantum Field Theory, in arXiv, 26 marzo 2015. URL consultato il 18 marzo 2020.
  16. ^ (EN) C. J. Isham, Canonical Quantum Gravity and the Problem of Time, in Integrable Systems, Quantum Groups, and Quantum Field Theories, NATO ASI Series, Springer, Dordrecht, 1993, pp. 157–287, DOI:10.1007/978-94-011-1980-1_6, ISBN 978-94-010-4874-3, arXiv:gr-qc/9210011.
  17. ^ Qingdi Wang, Zhen Zhu e William G. Unruh, How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe, in Physical Review D, vol. 95, n. 10, 11 maggio 2017, pp. 103504, Bibcode:2017PhRvD..95j3504W, DOI:10.1103/PhysRevD.95.103504, arXiv:1703.00543.
    «This problem is widely regarded as one of the major obstacles to further progress in fundamental physics [...] Its importance has been emphasized by various authors from different aspects. For example, it has been described as a “veritable crisis” [...] and even “the mother of all physics problems” [...] While it might be possible that people working on a particular problem tend to emphasize or even exaggerate its importance, those authors all agree that this is a problem that needs to be solved, although there is little agreement on what is the right direction to find the solution.».
  18. ^ Dirac, Paul, "Quantised Singularities in the Electromagnetic Field". Proceedings of the Royal Society A 133, 60 (1931).
  19. ^ Benjamin Schlein, Graduate Seminar on Partial Differential Equations in the Sciences – Energy and Dynamics of Boson Systems, Hausdorff Center for Mathematics. URL consultato il 23 aprile 2012.
  20. ^ Donald G. Saari e Zhihong Xia, Off to infinity in finite time (PDF), in Notices of the AMS, vol. 42, 1995, pp. 538–546.
  21. ^ John C. Baez, Struggles with the Continuum, in arXiv, 1º febbraio 2020. URL consultato il 18 marzo 2020.
  22. ^ Kenneth Chang, The Nature of Glass Remains Anything but Clear, in The New York Times, 29 luglio 2008.
  23. ^ P.W. Anderson, Through the Glass Lightly, in Science, vol. 267, n. 5204, 1995, pp. 1615–1616, DOI:10.1126/science.267.5204.1615-e, PMID 17808155.
    «The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the theory of the nature of glass and the glass transition.».
  24. ^ F. Wagner, A quarter-century of H-mode studies, in Plasma Physics and Controlled Fusion, vol. 49, 12B, 2007, p. B1, Bibcode:2007PPCF...49....1W, DOI:10.1088/0741-3335/49/12B/S01..
Fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica