Теория всего: существует ли единая, всеобъемлющая, непротиворечивая физическая теория, которая полностью объясняет и связывает воедино все физические аспекты вселенной?[5]
Безразмерные физические константы: в настоящее время значения различных безразмерных физических констант невозможно вычислить; их можно определить только с помощью физических измерений.[6][7] Каково минимальное количество безразмерных физических констант, из которых можно вывести все остальные безразмерные физические константы? Нужны ли вообще размерные физические константы?[8]
Квантовая гравитация
Квантовая гравитация: могут ли квантовая механика и общая теория относительности быть реализованы в виде полностью непротиворечивой теории (возможно, в виде квантовой теории поля)?[9] Является ли пространство-время принципиально непрерывным или дискретным? Будет ли непротиворечивая теория включать в себя силу, опосредованную гипотетическим гравитоном, или она будет результатом дискретной структуры самого пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний общей теории относительности на очень малых или очень больших масштабах или в других экстремальных условиях, которые вытекают из механизма квантовой гравитации?
Чёрные дыры, информационный парадокс чёрных дыр и излучение чёрных дыр: производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как того ожидают теоретически?[10] Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как предполагает дуальность калибровочной теории и гравитации, или нет, как следует из первоначального расчёта Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут испаряться, то что происходит с хранящейся в них информацией (поскольку квантовая механика не допускает уничтожения информации)? Или излучение в какой-то момент прекращается, оставляя после себя остатки чёрной дыры? Есть ли другой способ как-то изучить их внутреннюю структуру, если такая структура вообще существует?
Гипотеза о космической цензуре и гипотеза о защите хронологии: могут ли сингулярности, не скрытые за горизонтом событий, известные как «голые сингулярности», возникать в результате реалистичных начальных условий, или же можно доказать некую версию «гипотезы о космической цензуре» Роджера Пенроуза, которая предполагает, что это невозможно?[11] Аналогичным образом, будут ли замкнутые времениподобные кривые, возникающие в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и подразумевающие возможность путешествия во времени в обратном направлении), исключены теорией квантовой гравитации, объединяющей общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
Голографический принцип: верно ли, что квантовая гравитация допускает описание в более низких измерениях, не содержащее гравитации? Хорошо изученным примером голографии является соответствие AdS/CFT в теории струн. Аналогичным образом, можно ли понять квантовую гравитацию в пространстве де Ситтера с помощью соответствия dS/CFT? Можно ли значительно расширить соответствие AdS/CFT до дуальности калибровочной теории и гравитации для произвольных асимптотических фонов пространства-времени? Существуют ли другие теории квантовой гравитации, помимо теории струн, которые допускают голографическое описание?
Квантовое пространство-время или возникновение пространства-времени: сильно ли отличается природа пространства-времени на планковском масштабе от непрерывного классического динамического пространства-времени, существующего в общей теории относительности? В петлевой квантовой гравитации пространство-время постулируется как дискретное с самого начала. В теории струн, хотя изначально считалось, что пространство-время устроено так же, как в общей теории относительности (с той лишь разницей, что оно суперсимметрично), недавние исследования, основанные на гипотезе Рю — Такаянаги, показали, что пространство-время в теории струн возникает благодаря использованию квантовой информации и таких теоретико-информационных концепций, как энтропия запутанности в соответствии с AdS/CFT.[12] Однако до сих пор не до конца понятно, как именно в теории струн или в соответствии с AdS/CFT возникает привычное классическое пространство-время.
Проблема времени: в квантовой механике время является классическим фоновым параметром, а течение времени универсально и абсолютно. В общей теории относительности время — это одна из составляющих четырёхмерного пространства-времени, и течение времени меняется в зависимости от кривизны пространства-времени и пространственно-временной траектории наблюдателя. Как можно согласовать эти два представления о времени?[13]
Квантовая физика
Теория Янга — Миллса: существует ли нетривиальная квантовая теория Янга — Миллса с конечным разрывом в массе компактнойкалибровочной группы? (Эта проблема также входит в список задач тысячелетия в математике.)[14]
Квантовая теория поля (это обобщение предыдущей задачи): можно ли математически точно построить квантовую теорию поля в четырёхмерном пространстве-времени, которая включает в себя взаимодействия и не прибегает к пертурбативным методам?
Космология и общая теория относительности
Космическая инфляция: верна ли теория космической инфляции в ранней Вселенной и если да, то каковы подробности этой эпохи? Что представляет собой гипотетический инфлатон скалярное поле, вызвавший космическую инфляцию? Если инфляция произошла в одной точке, то является ли она самоподдерживающейся за счёт инфляции квантово-механических флуктуаций и, следовательно, продолжается ли она в каком-то чрезвычайно отдалённом месте?[15]
Проблема горизонта: почему далёкая Вселенная такая однородная, в то время как теория Большого взрыва, казалось бы, предсказывает более значительные измеримые анизотропии ночного неба, чем те, что наблюдаются? В качестве решения обычно принимается космологическая инфляция, но не являются ли более подходящими другие возможные объяснения, такие как переменная скорость света?[16]
Происхождение и будущее Вселенной: Как возникли условия для существования чего бы то ни было? Направляется ли Вселенная к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку?
Размер Вселенной: диаметр наблюдаемой Вселенной составляет около 93 миллиардов световых лет, но каков размер всей Вселенной? Бесконечна ли Вселенная?
Асимметрия материи и антиматерии Теоретические модели предполагают, что в ранней Вселенной должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Однако наблюдения показывают, что первичной антиматерии практически не было. Понимание механизмов, которые привели к этой асимметрии, является одной из главных нерешённых проблем в физике.[17]: 22.3.6
Космологический принцип: является ли Вселенная однородной и изотропной в достаточно больших масштабах, как утверждает космологический принцип и как предполагается во всех моделях, использующих метрику Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера, включая текущую версию модели ΛCDM, или же Вселенная неоднородна или анизотропна?[18] Является ли диполь реликтового излучения чисто кинематическим или же он свидетельствует об анизотропии Вселенной, что приводит к нарушению метрики Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера и космологического принципа?[18] Является ли натяжение Хаббла доказательством того, что космологический принцип ошибочен?[18] Даже если космологический принцип верен, является ли метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера подходящей метрикой для нашей Вселенной?[19][18] Правильно ли интерпретируются наблюдения, которые обычно называют ускоряющимся расширением Вселенной, или же они свидетельствуют о том, что космологический принцип ошибочен?[20][21]
Проблема космологической постоянной: почему нулевая энергиявакуума не приводит к возникновению большой космологической постоянной? Что её компенсирует?[22][23]
Предполагаемое распределение тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной
Тёмная материя: какова природа тёмной материи?[16] Это частица? Если да, то что это: WIMP, аксион, легчайший суперпартнёр (LSP) или какая-то другая частица? Или же явления, приписываемые тёмной материи, являются результатом альтернативной теории гравитации, полностью отличной от общей теории относительности? Несмотря на обширные исследования, точный состав тёмной материи остаётся неизвестным. Это следует из гравитационного воздействия на видимую материю, излучение и крупномасштабную структуру Вселенной. Понимание её свойств крайне важно для всестороннего изучения Вселенной.
Тёмная энергия: что является причиной наблюдаемого ускоряющегося расширения Вселенной ( фазы де Ситтера)? Правильно ли мы интерпретируем наблюдения как ускоряющееся расширение Вселенной или они свидетельствуют о том, что космологический принцип ошибочен?[20][21] Почему плотность энергии компонента тёмной энергии в настоящее время имеет ту же величину, что и плотность энергии материи, хотя эти два компонента развиваются с течением времени совершенно по-разному? Может быть, дело в том, что мы наблюдаем именно в нужный момент? Является ли тёмная энергия чистой космологической константой или применимы модели квинтэссенции, такие как фантомная энергия?
Тёмный поток: отвечает ли несферически симметричное гравитационное притяжение из-за пределов наблюдаемой Вселенной за часть наблюдаемого движения крупных объектов, таких как скопления галактик во Вселенной?
Форма Вселенной: что представляет собой 3-многообразиесовместного пространства, то есть совместного пространственного сечения Вселенной, которое неофициально называют «формой» Вселенной? В настоящее время неизвестны ни кривизна, ни топология, хотя известно, что кривизна «близка» к нулю в наблюдаемых масштабах. Является ли форма неизмеримой; пространством Пуанкаре; или другим 3-многообразием?[нужна ссылка]
Дополнительные измерения: существует ли в природе более четырёх пространственно-временных измерений? Если да, то каков их размер? Являются ли измерения фундаментальным свойством Вселенной или результатом действия других физических законов? Можем ли мы экспериментальным путём обнаружить доказательства существования высших пространственных измерений?[требуется ссылка]
Физика высоких энергий/частиц
Смотрите также: Физика за пределами Стандартной модели
Проблема иерархии: почему гравитация такая слабая сила? Она становится сильной для частиц только на планковском масштабе, около 1019 ГэВ, что намного выше электрослабого масштаба (100 ГэВ, масштаб энергии, преобладающий в физике низких энергий); почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает таким величинам на электрослабом масштабе, как масса бозона Хиггса, получить квантовые поправки порядка планковского масштаба? Является ли решением суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропный тонкая настройка?
Магнитные монополи: существовали ли частицы, несущие «магнитный заряд», в какую-то прошлую эпоху с более высокой энергией? Если да, то сохранились ли они до наших дней? (Поль Дирак показал, что существование некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.)[24]
Загадка времени жизни нейтрона: несмотря на то, что время жизни нейтрона изучается уже несколько десятилетий, в настоящее время отсутствует единое мнение о его точном значении из-за различий в результатах двух экспериментальных методов («бутылочный» и «пучковый»).[25]
Распад протона и спиновый кризис: стабилен ли протон в своей основе? Или он распадается с конечным временем жизни, как предсказывают некоторые расширения стандартной модели?[26] Как кварки и глюоны переносят спин протонов?[27]
Великое объединение: являются ли электромагнитные и ядерные силы различными аспектами Теории Великого объединения? Если да, то какая симметрия управляет этой силой и её поведением?[28]
Суперсимметрия: реализуется ли пространственно-временная суперсимметрия на уровне ТэВ? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Является ли легчайшая суперсимметричная частица (LSP) тёмной материей?
Ограничение цвета: Гипотеза об ограничении цвета в квантовой хромодинамике (КХД) заключается в том, что цветные частицы (такие как кварки и глюоны) не могут быть отделены от породившего их адрона без образования новых адронов.[29] Можно ли предоставить аналитическое доказательство ограничения цвета в любой не-абелевой калибровочной теории?
Конфайнмент цвета — это наблюдаемое явление, при котором цветные частицы (кварки и глюоны) не могут быть изолированы и всегда связаны в цветонейтральные группы (при низких энергиях). Такие связанные состояния обычно называют адронами.
КХД-вакуум: многие уравнения непертурбативной КХД в настоящее время не решены. Этих энергий достаточно для образования и описания атомных ядер. Каким же образом низкоэнергетическая / непертурбативная КХД приводит к образованию сложных ядер и ядерных компонентов?[требуется ссылка]
Поколения материи: почему существует три поколения кварков и лептонов? Существует ли теория, которая могла бы объяснить массы конкретных кварков и лептонов в конкретных поколениях, исходя из первых принципов (теория кулоновских взаимодействий)?[30]
Масса нейтрино: Какова масса нейтрино, подчиняются ли они статистике Дирака или статистике Майораны? Является ли иерархия масс нормальной или инвертированной? Равна ли нулю фаза нарушения CP-инвариантности?[31][32]
Реакторная антинейтринная аномалия: в существующих данных о потоке антинейтрино от ядерных реакторов по всему миру наблюдается аномалия. Измеренные значения этого потока составляют всего 94 % от ожидаемого теоретического значения.[33] Неизвестно, связано ли это с неизвестными физическими явлениями (такими как стерильные нейтрино), экспериментальной погрешностью в измерениях или ошибками в теоретических расчетах потока.[34]
Сильная CP-проблема и аксионы: Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Куинна решением этой проблемы? Могут ли аксионы быть основным компонентом тёмной материи?
Аномальный магнитный дипольный момент: Почему экспериментально измеренное значение аномального магнитного дипольного момента мюона ("мюон г − 2") значительно отличается от теоретически предсказанного значения этой физической константы?[35]
Загадка о радиусе протона: каков электрический радиус заряда протона? Чем он отличается от глюонного заряда?
Пентакварки и другие экзотические адроны: какие комбинации кварков возможны? Почему пентакварки было так сложно обнаружить?[36] Являются ли они плотно связанной системой из пяти элементарных частиц или более слабо связанной парой из бариона и мезона?[37]
Проблема Мю: проблема в суперсимметричных теориях, связанная с пониманием причин, по которым теория имеет те или иные параметры.
Формула Койде: один из аспектов проблемы поколений частиц. Сумма масс трёх заряженных лептонов, делённая на квадрат суммы корней из этих масс, с точностью до одного стандартного отклонения от наблюдений равна Q = 2⁄3. Неизвестно, как возникает такое простое значение и почему оно является точным средним арифметическим возможных экстремальных значений
1
/
3
(равные массы) и 1 (одна масса преобладает).
Странная материя: существует ли странная материя? Стабильна ли она? Могут ли они образовывать Странные звёзды? Стабильна ли странная материя при давлении 0 (то есть в вакууме)?
Клеевые шарики: существуют ли они в природе?
Галлиевая аномалия: измерения скорости захвата заряженных частиц нейтрино на Ga от мощных радиоактивных источников дали результаты ниже ожидаемых, основанных на известной силе основного перехода, дополненной теоретическими расчётами.[38]
Астрономия и астрофизика
Основная статья: Список нерешённых проблем в астрономии
Солнечный цикл: как Солнце генерирует своё периодически меняющееся крупномасштабное магнитное поле? Как другие звёзды, подобные Солнцу, генерируют свои магнитные поля и в чём сходство и различие между циклами активности звёзд и Солнца?[39] Что стало причиной минимума Маундера и других глубоких минимумов и как солнечный цикл восстанавливается после минимума?
Проблема коронального нагрева: почему корона Солнца (слой атмосферы) настолько горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение происходит на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Астрофизическая струя: почему только определённые аккреционные диски, окружающие определённые астрономические объекты, испускают релятивистские струи вдоль своих полярных осей? Почему во многих аккреционных дисках наблюдаются квазипериодические колебания?[40] Почему период этих колебаний обратно пропорционален массе центрального объекта?[41] Почему иногда возникают обертоны и почему в разных объектах они проявляются с разной частотой?[42]
Рассеянные межзвёздные полосы: что является причиной многочисленных линий межзвёздного поглощения, обнаруженных в астрономических спектрах? Имеют ли они молекулярное происхождение, и если да, то какие молекулы за них отвечают? Как они формируются?[43][44]
Сверхмассивные чёрные дыры: каково происхождение соотношения M–сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скоростей галактик?[45] Как самые далёкие квазары смогли вырастить свои сверхмассивные чёрные дыры до 1010 масс Солнца так рано в истории Вселенной?
Обрыв Койпера: почему количество объектов в поясе Койпера Солнечной системы резко и неожиданно уменьшается за пределами радиуса в 50 астрономических единиц?
Аномалия сближения: Почему наблюдаемая энергия спутников пролетающих мимо планетарных тел иногда незначительно отличается от значения, предсказанного теорией?
Проблема вращения галактик: является ли тёмная материя причиной различий в наблюдаемой и теоретической скорости вращения звёзд вокруг центра галактик или дело в чём-то другом?
Кривая вращения типичной спиральной галактики: прогнозируемая (A) и наблюдаемая (B). Можно ли объяснить несоответствие между кривыми наличием тёмной материи?
Сверхновые: каков точный механизм, благодаря которому сжатие умирающей звезды превращается во взрыв?
p-ядра: Какой астрофизический процесс отвечает за нуклеогенез этих редких изотопов?
Космические лучи сверхвысоких энергий:[16] Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией, если вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему (по-видимому) некоторые космические лучи, испускаемые удалёнными источниками, имеют энергию выше предела Грейзена — Зацепина — Кузьмина?[46][16]
Скорость вращения Сатурна: почему магнитосфера Сатурна демонстрирует (медленно изменяющуюся) периодичность, близкую к той, с которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения недр Сатурна?[47]
Происхождение магнитного поля магнетара: каково происхождение магнитных полей магнетаров?
Крупномасштабная анизотропия: является ли Вселенная в очень больших масштабах анизотропной, что делает космологический принцип неверным предположением? Подсчет количества и интенсивности дипольной анизотропии в радиодиапазоне, каталог NVSS (NRAO VLA Sky Survey) [48] не согласуется с локальным движением, полученным из космического микроволнового фона[49][50] и указывает на внутреннюю дипольную анизотропию. Те же радиоданные NVSS также показывают наличие внутреннего диполя в плотности поляризации и степени поляризации[51] в том же направлении, что и в количестве и интенсивности. Есть и другие наблюдения, демонстрирующие крупномасштабную анизотропию. Оптическая поляризация квазаров показывает выравнивание поляризации в очень больших масштабах — в гигапарсеках.[52][53][54] Данные о космическом микроволновом фоне демонстрируют несколько признаков анизотропии[55][56][57][58] , которые не согласуются с моделью Большого взрыва.
Связь возраста и металличности в диске Галактики: существует ли универсальная связь возраста и металличности (СВМ) в диске Галактики (как в «тонкой», так и в «толстой» части диска)? Хотя в локальном (в основном тонком) диске Млечного Пути нет свидетельств сильного соотношения возраста и металличности [59], выборка из 229 близлежащих «толстых» звёзд диска была использована для изучения существования соотношения возраста и металличности в толстом диске Галактики. Результаты показали, что в толстом диске существует соотношение возраста и металличности.[60][61] Возраст звёзд, определённый с помощью астросейсмологии, подтверждает отсутствие какой-либо сильной зависимости между возрастом и металличностью в диске Галактики.[62]
Проблема лития: почему существует несоответствие между количеством лития-7, которое, согласно прогнозам, должно было образоваться в результате нуклеосинтеза Большого взрыва, и количеством, наблюдаемым в очень старых звёздах?[63]
Ультраяркие рентгеновские источники (УЯИ): какова мощность рентгеновских источников, которые не связаны с активными ядрами галактик, но превышают предел Эддингтона для нейтронных звёзд или звёздных чёрных дыр? Связаны ли они с чёрными дырами промежуточной массы? Некоторые УЯИ имеют периодический характер, что указывает на неизотропное излучение нейтронной звезды. Применимо ли это ко всем УЯИ? Как такая система может сформироваться и оставаться стабильной?
Быстрые радиовсплески (БРВ): что вызывает эти кратковременные радиоимпульсы, приходящие из далёких галактик и длящиеся всего несколько миллисекунд? Почему некоторые БРВ повторяются через непредсказуемые промежутки времени, а большинство — нет? Были предложены десятки моделей, но ни одна из них не получила широкого признания.[64]
Происхождение космических магнитных полей. Наблюдения показывают, что магнитные поля присутствуют во всей Вселенной — от галактик до скоплений галактик. Однако механизмы, которые привели к возникновению этих крупномасштабных космических магнитных полей, остаются неясными. Понимание их происхождения — важная нерешённая проблема в астрофизике.[65]
Ядерная физика
«Остров стабильности» на графике зависимости числа протонов от числа нейтронов для тяжёлых ядер
Квантовая хромодинамика: каковы фазы сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в эволюции космоса? Какова детальная партонная структура нуклонов? Что предсказывает КХД в отношении свойств сильно взаимодействующей материи? Что определяет ключевые особенности КХД и как они связаны с природой гравитации и пространства-времени? Действительно ли в КХД отсутствуют нарушения CP?
Кварк-глюонная плазма: где происходит деконфайнмент: 1) в зависимости от температуры и химических потенциалов? 2) в зависимости от релятивистских столкновений тяжёлых ионов энергии и размера системы? Каков механизм остановки энергии и барионного числа, приводящий к созданию кварк-глюонной плазмы в релятивистских столкновениях тяжёлых ионов? Почему внезапная адронизация и модель статистической адронизации почти идеально описывают образование адронов из кварк-глюонной плазмы? Сохраняется ли аромат кварков в кварк-глюонной плазме? Находятся ли странность и очарование в химическом равновесии в кварк-глюонной плазме? Перемещается ли странность в кварк-глюонной плазме с той же скоростью, что и ароматы верхних и нижних кварков? Почему в деконфайнментной материи наблюдается идеальный поток?
Конкретные модели образования кварк-глюонной плазмы: насыщаются ли глюоны при большом числе их заполнения? Образуют ли глюоны плотную систему, называемую цветовым стеклообразным конденсатом? Каковы признаки и доказательства уравнений эволюции Балицкого–Фадина–Куарева–Липатова, Балицкого–Ковчегова, Катани–Чиафалони–Фиорани–Маркезини?
Ядра и ядерная астрофизика: почему наблюдается отсутствие сходимости в оценках среднего времени жизни свободного нейтрона, основанных на двух отдельных — и всё более точных — экспериментальных методах? Какова природа ядерного взаимодействия, которое связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Чем объясняется эффект ЭМЦ? Какова природа экзотических возбуждений в ядрах на границах стабильности и их роль в звёздных процессах? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Какие ядерные реакции приводят в движение звёзды и вызывают звёздные взрывы? Каков самый тяжёлый из возможных химических элементов?
Гидродинамика
При каких условиях существуют гладкие решения уравнений Навье — Стокса, которые описывают течение вязкой жидкости? Эта задача для несжимаемой жидкости в трёхмерном пространстве также входит в число задач тысячелетия в математике.[66]
Турбулентный поток: можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, его внутренней структуры)?[46]
Гранулярная конвекция: почему гранулированный материал, подвергающийся встряхиванию или вибрации, демонстрирует модели циркуляции, схожие с типами конвекции в жидкостях? Почему самые крупные частицы оказываются на поверхности гранулированного материала, содержащего смесь объектов разного размера, при вибрации/встряхивании?[67]
Физика конденсированных сред
Образец купратного сверхпроводника (в частности, BSCCO). Механизм сверхпроводимости этих материалов неизвестен.
Конденсация Бозе — Эйнштейна: как строго доказать существование конденсатов Бозе — Эйнштейна для общих взаимодействующих систем?[68]
Высокотемпературная сверхпроводимость: каков механизм, благодаря которому некоторые материалы проявляют сверхпроводимость при температурах намного выше 25 кельвинов? Можно ли создать материал, который будет сверхпроводником при комнатной температуре и атмосферном давлении?[46]
Аморфные твёрдые тела: какова природа стеклования между жидким или обычным твёрдым телом и стеклообразной фазой? Какие физические процессы приводят к возникновению общих свойств стёкол и стеклования?[69][70][71]
Универсальность низкотемпературных аморфных твёрдых тел: почему небольшое безразмерное отношение длины волны фонона к его среднему пути свободного пробега практически одинаково для очень большого семейства неупорядоченных твёрдых тел?[72][73] Это небольшое отношение наблюдается в очень широком диапазоне частот фононов.
Криогенная электронная эмиссия: почему электронная эмиссия в отсутствие света усиливается при понижении температуры фотоумножителя?[74][75]
Сонолюминесценция: что вызывает короткие вспышки света при схлопывании пузырьков в жидкости под воздействием звука?[76][77]
Топологический порядок: стабилен ли топологический порядок при ненулевой температуре? Иначе говоря, возможна ли трёхмерная самокорректирующаяся квантовая память?[78]
Сжатие калибровочных блоков: какой механизм позволяет сжимать калибровочные блоки?
Магнитосопротивление в u = 8/5 дробном квантовом состоянии Холла
Фракционный эффект Холла: какой механизм объясняет существование состояния u = 5/2 во фракционном квантовом эффекте Холла? Описывает ли он квазичастицы с неабелевой фракционной статистикой?[79]
Жидкие кристаллы: можно ли охарактеризовать фазовый переход нематического в смектическое (A) состояние в жидких кристаллах как универсальный фазовый переход?[80][81]
Полупроводниковые нанокристаллы: в чём причина непараметричности зависимости энергии от размера для самого низкого перехода оптического поглощения квантовых точек?[82]
Образование металлических «усиков»: на некоторых металлических поверхностях электрических устройств могут спонтанно образовываться тонкие металлические «усики», которые могут привести к поломке оборудования. Хотя известно, что образование «усиков» стимулируется механическими напряжениями сжатия, механизм их роста ещё предстоит определить.
Сверхтекучий переход в гелии-4: объясните расхождение между экспериментальным[83] и теоретическим[84][85][86] определениями критического показателя теплоёмкости α.[87]
Эффект Шарнхорста: могут ли световые сигналы распространяться немного быстрее, чем c между двумя близко расположенными проводящими пластинами за счёт эффекта Казимира?[88]
Квантовые вычисления и квантовая информация
Пороговая проблема: сможем ли мы выйти за пределы шумной квантовой эры среднего масштаба? Смогут ли квантовые компьютеры достичь отказоустойчивости? Можно ли добиться достаточной квантовой масштабируемости для реализации квантовой коррекции ошибок? Какие платформы являются наиболее перспективными для физической реализации кубитов?[89]
Топологические кубиты: Топологические квантовые компьютеры перспективны, но можно ли их создать? Можем ли мы убедительно продемонстрировать нулевые майорановские моды?[90]
Температура: можно ли проводить квантовые вычисления при некритических температурах? Можно ли создать квантовые компьютеры, работающие при комнатной температуре?[91]
Проблемы классов сложности: какова связь между BQP и BPP? Какова связь между BQP и NP? Могут ли вычисления в правдоподобных физических теориях (квантовые алгоритмы) выйти за рамки BQP?[89]
Постквантовая криптография: можем ли мы доказать, что некоторые криптографические протоколы защищены от квантовых компьютеров?[89]
Квантовая пропускная способность: пропускная способность квантового канала в общем случае неизвестна.[92]
Физика плазмы
Физика плазмы и термоядерная энергетика: термоядерная энергетика потенциально может обеспечить энергией из доступного ресурса (например, водорода) без образования радиоактивных отходов, которые в настоящее время образуются при использовании энергии деления. Однако можно ли удерживать ионизированные газы (плазму) достаточно долго и при достаточно высокой температуре, чтобы получить термоядерную энергию? Каково физическое происхождение H-режима?[93]
Проблема инжекции: Ферми-ускорение считается основным механизмом, который ускоряет астрофизические частицы до высоких энергий. Однако неясно, какой механизм изначально придаёт этим частицам энергию, достаточную для ферми-ускорения.[94]
Альвеновская турбулентность: солнечный ветер и турбулентность в солнечных вспышках, корональных выбросах массы и магнитосферных суббурях — основные нерешённые проблемы в физике космической плазмы.[95]
Шаровая молния: точная физическая природа этого загадочного явления, связанного с атмосферным электричеством. [96]
Биофизика
Стохастичность и устойчивость к шуму в экспрессии генов: как гены управляют нашим организмом, выдерживая различные внешние воздействия и внутреннюю стохастичность? Существуют определённые модели генетических процессов, но мы далеки от понимания всей картины, особенно в развитии, где экспрессия генов должна строго регулироваться.
Количественное исследование иммунной системы: каковы количественные характеристики иммунных реакций? Каковы основные структурные элементы сетей иммунной системы?
Гомохиральность: каково происхождение преобладания определённых энантиомеров в биохимических системах?
Магниторецепция: как животные (например, перелётные птицы) чувствуют магнитное поле Земли?
Предсказание структуры белка: как трёхмерная структура белков определяется одномерной последовательностью аминокислот? Как белки могут сворачиваться за время от микросекунды до секунды, если количество возможных конформаций астрономически велико, а конформационные переходы происходят за время от пикосекунды до микросекунды? Можно ли написать алгоритмы для предсказания трёхмерной структуры белка по его последовательности? Совпадают ли нативные структуры большинства встречающихся в природе белков с глобальным минимумом свободной энергии в конформационном пространстве? Или же большинство нативных конформаций термодинамически нестабильны, но кинетически удерживаются в метастабильных состояниях? Что не даёт высокой плотности белков внутри клеток выпасть в осадок?[97]
Квантовая биология: может ли когерентность сохраняться в биологических системах достаточно долго, чтобы иметь функциональное значение? Существуют ли нетривиальные аспекты биологии или биохимии, которые можно объяснить только сохранением когерентности как механизма?
Основы физики
Интерпретация квантовой механики: как квантовое описание реальности, включающее такие элементы, как суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, порождает реальность, которую мы воспринимаем?[46] Другой способ сформулировать этот вопрос касается проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое, по-видимому, приводит к коллапсу волновой функции в определённое состояние? В отличие от классических физических процессов, некоторые квантово-механические процессы (такие как квантовая телепортация, возникающая в результате квантовой запутанности) не могут быть одновременно «локальными», «причинно-следственными» и «реальными», но неясно, каким из этих свойств приходится жертвовать[98] или является ли попытка описать квантово-механические процессы в этих терминах ошибкой категории, из-за которой правильное понимание квантовой механики делает этот вопрос бессмысленным. Может ли многомировая интерпретация решить эту проблему?
Стрела времени (например, стрела времени энтропии): почему у времени есть направление? Почему в прошлом во Вселенной была такая низкая энтропия, а время коррелирует с универсальным (но не локальным) увеличением энтропии из прошлого в будущее, согласно второму закону термодинамики?[46] Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются при некоторых распадах слабых взаимодействий, но не при других? Являются ли CP-нарушения каким-то образом следствием второго закона термодинамики или это отдельная стрелка времени? Существуют ли исключения из принципа причинности? Существует ли единственно возможное прошлое? Физически ли настоящее отличается от прошлого и будущего или это просто эмерджентное свойство сознания? Что связывает квантовую стрелку времени с термодинамической?
Локальность: существуют ли нелокальные явления в квантовой физике?[99][100] Если они существуют, то ограничиваются ли нелокальные явления запутанностью, проявляющейся в нарушении неравенств Белла, или информация и сохраняющиеся величины также могут перемещаться нелокальным образом? При каких обстоятельствах наблюдаются нелокальные явления? Что говорит о фундаментальной структуре пространства-времени наличие или отсутствие нелокальных явлений? Как это помогает понять фундаментальную природу квантовой физики?
Квантовый разум: играют ли квантово-механические явления, такие как запутанность и суперпозиция, важную роль в функционировании мозга и могут ли они объяснить важнейшие аспекты сознания?[101]
Проблемы, решённые за последние 30 лет
Общая физика/квантовая физика
Проведите эксперимент по проверке неравенства Белла без лазеек (1970[102]–2015): в октябре 2015 года учёные из Института нанонауки Кавли сообщили, что гипотеза о локальных скрытых параметрах не подтверждается с вероятностью 96 % на основании исследования «проверка неравенства Белла без лазеек».[103][104] Эти результаты были подтверждены двумя исследованиями со статистической значимостью более 5 стандартных отклонений, которые были опубликованы в декабре 2015 года.[105][106]
Создание конденсата Бозе — Эйнштейна (1924[107]–1995): составные бозоны в виде разреженных атомных паров были охлаждены до состояния квантового вырождения с помощью методов лазерного охлаждения и испарительного охлаждения.[требуется ссылка]
Космология и общая теория относительности
Существование гравитационных волн (1916–2016): 11 февраля 2016 года команда усовершенствованного LIGO объявила, что они непосредственно зафиксировали гравитационные волны, испускаемые парой чёрных дыр при слиянии,[108][109][110] что также стало первым обнаружением двойной чёрной дыры в звёздной системе.
Численное решение для двойной чёрной дыры (1960–2005 гг.): численное решение задачи двух тел в общей теории относительности было получено после четырёх десятилетий исследований. В 2005 году три группы учёных разработали революционные методы (annus mirabilisчисленной теории относительности).[111]
Проблема космического возраста (1920–1990-е годы): предполагаемый возраст Вселенной был на 3–8 миллиардов лет меньше, чем возраст самых старых звёзд в Млечном Пути. Более точные оценки расстояний до звёзд и признание ускоряющегося расширения Вселенной позволили согласовать оценки возраста. [требуется ссылка]
Физика высоких энергий/физика элементарных частиц
Существование пентакварков (1964–2015): в июле 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРН обнаружила пентакварки в Λ0
b→J/ψK−p — канал, который представляет собой распад нижнего лямбда-бариона (Λ0
b) в J/ψ-мезон (J/ψ), каон (K−
) и протон (p). Результаты показали, что иногда вместо распада непосредственно на мезоны и барионы Λ0
b распался с образованием промежуточных пентакварковых состояний. Эти два состояния, названные P+
c(4380) и P+
c(4450) имели индивидуальную статистическую значимость 9 σ и 12 σ соответственно, а совокупная значимость составила 15 σ — этого достаточно, чтобы претендовать на официальное открытие. Было замечено, что оба пентакварковых состояния сильно распадаются на J/ψp, следовательно, валентные кварки должны состоять из двух верхних кварков, нижнего кварка, очарованного кварка и антиочарованного кварка (uudcc), что делает их очаронием-пентакварками.[112]
Существование кварк-глюонной плазмы, новой фазы материи, было обнаружено и подтверждено в ходе экспериментов на ЦЕРН-SPS (2000), BNL-RHIC (2005) и ЦЕРН-БАК (2010).[113]
Бозон Хиггса и нарушение электрослабой симметрии (1963[114]–2012): механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, придающий массу W- и Z-бозонам, был раскрыт с открытием бозона Хиггса в Стандартной модели с ожидаемыми взаимодействиями со слабыми бозонами. Никаких доказательств сильного динамического решения, предложенного техноколором, обнаружено не было.
Происхождение массы большинства элементарных частиц: проблема была решена с открытием бозона Хиггса, что подразумевает существование поля Хиггса, придающего массу этим частицам.
Существует расхождение в результатах измерений времени жизни нейтронов, полученных методом хранения и методом пучка.[115] «Аномалия времени жизни нейтронов» была обнаружена после уточнения результатов экспериментов с ультрахолодными нейтронами.[116]
Астрономия и астрофизика
Происхождение короткого гамма-всплеска (1993[117]–2017): в результате слияния двойных нейтронных звёзд произошёл взрыв килоновской звезды и короткий гамма-всплеск GRB 170817A, который был обнаружен как в электромагнитных волнах, так и в гравитационных волнах GW170817.[118][119]
Проблема недостающих барионов (1998[120]–2017): в октябре 2017 года было объявлено, что проблема решена и недостающие барионы находятся в горячем межгалактическом газе.[121][122]
Длительные гамма-всплески (1993[117]–2003): длительные всплески связаны с гибелью массивных звёзд в результате особого вида сверхновой событий, которые обычно называют коллапсарами. Однако существуют и длительные гамма-всплески, которые не связаны со сверхновой, например событие Swift GRB 060614.
Проблема солнечных нейтрино (1968[123]–2001): решена благодаря новому пониманию физики нейтрино, потребовавшему модификации Стандартной моделифизики элементарных частиц, в частности нейтринных осцилляций.
Вращение ядра Сатурна было определено по его гравитационному полю.[124]
Быстро решаемые проблемы
Существование кристаллов времени (2012–2016): идея квантования кристаллов времени была впервые выдвинута в 2012 году Фрэнком Вильчеком.[125][126] В 2016 году Хемани и др.[127] и Эльс и др.[128] независимо друг от друга предположили, что квантовые спиновые системы с периодическим возбуждением могут демонстрировать подобное поведение. Также в 2016 году Норман Яо из Беркли и его коллеги предложили другой способ создания дискретных временных кристаллов в спиновых системах.[129] Затем этот способ был использован двумя группами: группой под руководством Кристофера Монро из Мэрилендского университета и группой под руководством Михаила Лукина из Гарвардского университета. Обе группы смогли продемонстрировать наличие временных кристаллов в лабораторных условиях, показав, что в течение короткого времени системы демонстрировали динамику, аналогичную предсказанной.[130][131]
Кризис, связанный с недостаточным производством фотонов (2014–2015): эту проблему решили Хайр и Сриананд.[132] Они показали, что с помощью обновлённых данных наблюдений за квазарами и галактиками можно легко увеличить скорость метагалактической фотоионизации в 2–5 раз. Последние наблюдения за квазарами показывают, что вклад квазаров в производство ультрафиолетовых фотонов в 2 раза больше, чем по предыдущим оценкам. Пересмотренный вклад галактик в 3 раза больше. Вместе они решают проблему.
Аномалия Гиппарха (1997[133]–2012): спутник для высокоточного измерения параллакса (Hipparcos) измерил параллакс Плеяд и определил расстояние в 385 световых лет. Это значение существенно отличалось от других измерений, основанных на соотношении фактической и видимой яркости или абсолютной звёздной величине. Аномалия возникла из-за использования средневзвешенного значения при наличии корреляции между расстояниями и ошибками определения расстояний для звёзд в скоплениях. Проблема решается с помощью невзвешенного среднего. В данных Hipparcos нет систематической ошибки, связанной с звёздными скоплениями.[134]
Нейтринная аномалия, превышающая скорость света (2011–2012): в 2011 году эксперимент OPERA ошибочно зафиксировал нейтрино, которые, по-видимому, двигались быстрее скорости света. 12 июля 2012 года OPERA обновила свою статью, обнаружив ошибку в предыдущем измерении времени полёта. Они пришли к выводу, что скорость нейтрино соответствует скорости света.[135]
Аномалия «Пионера» (1980–2012): при выходе за пределы Солнечной системы у космических аппаратов «Пионер» 10 и 11 наблюдалось отклонение от прогнозируемого ускорения.[46][16] Считается, что это результат ранее неучтённой силы теплового излучения.[136][137]
Смотрите также
значок Физический портал
Шестая проблема Гильберта
Списки нерешенных проблем
Физический парадокс
Список нерешённых задач по математике
Список нерешённых проблем в области нейробиологии
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
