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Liste ungelöster Probleme der Physik
1 Kosmologie und Allgemeine Relativitätstheorie · 2 Hochenergiephysik / Teilchenphysik · 3 Astronomie und Astrophysik · 4 Kernphysik · 5 Atomphysik · 6 Physik der …
Inhalt6 Abschnitte
Was ungelöste Probleme der Physik sind
Ungelöste Probleme entstehen entweder theoretisch: Bestehende Theorien erklären Beobachtungen oder Messergebnisse nicht. Oder sie sind experimentell: Eine Theorie lässt sich nur schwer prüfen beziehungsweise ein Phänomen nicht genau genug messen. Die Liste reicht von der Struktur des Universums über Elementarteilchen und Atomkerne bis zu Materialien, Strömungen und Lichtphänomenen.
Zwei besonders wichtige Grundlagen sind die Allgemeine Relativitätstheorie (ART), die Gravitation als Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschreibt, und die Quantenmechanik (QT), die Vorgänge im mikroskopischen Bereich beschreibt. Eine übergreifende Weltformel müsste alle physikalischen Phänomene im bekannten Universum verknüpfen und präzise beschreiben. Ob sie gefunden werden kann und wie sie aussehen würde, ist offen.
Offene Fragen zum Universum
Das Standardmodell der Kosmologie beruht auf dem kosmologischen Prinzip: Der Kosmos gilt im Großen als isotrop (in alle Richtungen gleich) und homogen (gleichmäßig verteilt), außerdem soll die ART gelten. Gestützt wird es durch Hubble-Expansion, kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung und primordiale Nukleosynthese, also die Bildung der ersten Elemente. Ungeklärt bleiben unter anderem Horizontproblem, nahezu flache Geometrie, Inhomogenitäten als Ausgangspunkt heutiger Strukturen, Baryonenasymmetrie, dunkle Materie, dunkle Energie und die Singularität bei t = 0.
Die kosmologische Inflation bezeichnet eine extrem schnelle Expansion, die je nach Annahmen zwischen 10^−43 s und 10^−35 s begann und bis 10^−33 s bis 10^−30 s nach dem Urknall dauerte. Sie könnte das Horizontproblem lösen: Heute weit entfernte, gleichartige Bereiche wären zuvor kausal verbunden gewesen. Außerdem würde sie die Krümmung in Richtung eines euklidischen, flachen Raums treiben. Unklar sind ihre tatsächliche Gültigkeit, die Eigenschaften des hypothetischen Inflatonfelds und ob sie ewig weiterläuft. Als Einwand wird genannt, dass „schlechte“ oder keine Inflation wahrscheinlicher sein könne; Roger Penrose gibt für ein Universum mit Inflation gegenüber einem ohne den Faktor 10^100 an.
Das Horizontproblem beschreibt die überraschende Homogenität weit entfernter Regionen, die nicht miteinander in Kontakt stehen können. Inflation wird allgemein als Lösung akzeptiert; als Alternative wird eine veränderliche Lichtgeschwindigkeit genannt. Für die Zukunft des Universums sind mehrere Szenarien offen: ewige Expansion, Big Freeze, Big Rip, Big Crunch oder nach einem Zusammenziehen ein Big Bounce.
Die Baryonenasymmetrie ist die starke Dominanz von Materie über Antimaterie. Antimateriegebiete wurden etwa durch die Suche nach Antihelium oder schwereren Antikernen gesucht; bisher waren die Nachweise negativ. Ein einzelner Antikohlenstoffkern würde Antimaterie-Sterne belegen, weil Kohlenstoff nicht beim Urknall entstehen konnte. Auch erwartete energiereiche Photonen an Grenzen zwischen Materie und Antimaterie wurden nicht beobachtet. Die Sacharowkriterien sind notwendige Bedingungen für eine dynamische Entstehung der Asymmetrie. Zwar wurde CP-Verletzung bei vier Partikeln nachgewiesen, sie ist aber um den Faktor 10^10 zu klein. Ansätze sind Baryogenese, Leptogenese und Higgsogenese.
Dunkle Materie ist nicht sichtbar und wechselwirkt nicht mit Licht; sie wird zur Erklärung von Sternbewegungen in Galaxien und Galaxiehaufen postuliert. Ihre Existenz gilt als weitgehend gesichert, ihre Zusammensetzung aber nicht. Möglich sind Teilchen wie der leichteste Superpartner (LSP), oder die beobachteten Effekte verlangen eine Änderung der Gravitationstheorie, etwa MOND. Dunkle Energie ist eine hypothetische Energieform für die beschleunigte Expansion. Als Erklärungen kommen kosmologische Konstante, Vakuumenergie oder Quintessenz infrage. Offen ist auch, warum ihre Energiedichte heute dieselbe Größenordnung wie die Materiedichte hat.
Raumzeit, Gravitation und Quantentheorie
ART und QT sind grundsätzlich verschieden: Die ART ist klassisch, die QT beschreibt Quanteneffekte. Keine liefert allein eine vollständige, widerspruchsfreie Beschreibung. Eine Quantengravitation müsste beide vereinigen, ihre inneren Probleme lösen und sie als Grenzfälle enthalten. Sie müsste zudem erklären, wo die Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Welt liegt.
Die ART führt zu Singularitäten in schwarzen Löchern sowie beim Urknall, also Bereichen unendlicher Krümmung, Dichte oder Temperatur, in denen bekannte Gesetze versagen. Hawking-Strahlung widerspricht zudem den Vorhersagen der ART. In der QT treten unendlich große Terme auf, die durch Renormierung behandelt werden. Besonders offen ist die Struktur von Raum und Zeit auf der Planck-Länge von 10^−35 Meter und der Planck-Zeit von 10^−43 Sekunden: Sind sie kontinuierlich oder aus diskreten, nicht weiter teilbaren Einheiten aufgebaut?
Ansätze sind kanonische Quantisierung mit der Wheeler-DeWitt-Gleichung und einer Wellenfunktion des gesamten Universums, Schleifenquantengravitation, Supergravitation, Stringtheorie, M-Theorie und Twistor-Theorie. Nach der Schleifenquantengravitation besitzt Raum diskrete Planck-Volumina von 10^−99 Kubikzentimeter; Zeit verläuft in Schritten der Planck-Zeit. Ungeklärt ist der Übergang zu der glatten Raumzeit der ART. Ebenso offen ist, ob Gravitation durch das hypothetische Graviton vermittelt wird oder aus quantisierter Raumzeit entsteht.
Damit verbunden sind weitere Grundprobleme: Die Vakuum-Katastrophe ist die Abweichung zwischen theoretischer und beobachteter Vakuumenergie um den Faktor 10^120. Beim Informationsparadoxon schwarzer Löcher ist unklar, was mit Information über hineingefallene Objekte geschieht, obwohl nach dem Keine-Haare-Theorem nur Masse, Ladung und Drehimpuls nach außen sichtbar sind und Quantenphysik keinen Informationsverlust zulässt. Roger Penroses kosmische Zensur von 1969 besagt hypothetisch, dass keine nackten Singularitäten existieren. Stephen Hawkings Vermutung zum Schutz der Zeitordnung fragt, ob eine Quantengravitation geschlossene zeitartige Kurven und damit Rückwärtszeitreisen ausschließt.
Offen sind ferner höhere Dimensionen: Stringtheorie fordert 10, Supergravitation und M-Theorie 11, bosonische Stringtheorie 26 sowie Kaluza-Klein-Theorie und Randall-Sundrum-Modell 5 Raumzeit-Dimensionen. Lokalität bedeutet, dass Vorgänge nur ihre räumliche Umgebung beeinflussen. Die QT verletzt die Bellsche Ungleichung; deshalb ist zu klären, welche nichtlokalen Phänomene außer Verschränkung möglich sind und was sie über die Raumzeit aussagen.
Teilchen, starke Wechselwirkung und Atomkerne
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt bekannte Elementarteilchen sowie starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung, aber nicht die Gravitation. Der Higgs-Mechanismus deutet Teilchenmasse als Wechselwirkung mit einem den Raum erfüllenden Feld. Offen bleiben die Zahl der Higgs-Bosonen, ihre Zerfallskanäle und warum ein fundamentales Higgs-Boson mit Spin 0 die beobachtete Masse besitzt.
Das Standardmodell enthält 18 freie Parameter, bei massiven Neutrinos 25, beziehungsweise 27. Dazu gehören 3 Kopplungskonstanten, 6 Quarkmassen, 3 Massen geladener Leptonen, 4 Winkel für Quarkzerfälle, ein Winkel für starke CP-Verletzung und die Higgsmasse; bei massiven Neutrinos kommen 3 Massen und 4 Mischungswinkel hinzu. Ungeklärt sind die drei Generationen der 12 Materieteilchen und ihre extrem unterschiedlichen Massen: Das top-Quark hat etwa 1,73 · 10^11 eV, das Elektron-Neutrino weniger als 0,8 eV. Das Hierarchieproblem fragt, warum Gravitation um den Faktor 10^−32 schwächer als die elektroschwache Wechselwirkung ist; die Planck-Skala von etwa 10^19 GeV liegt 16 Größenordnungen über der elektroschwachen Skala von etwa 10^3 GeV.
Weitere Fragen betreffen magnetische Monopole, die elektrische Ladung quantisieren könnten, die Stabilität des Protons mit einer möglichen Halbwertszeit über 10^31 Jahre und Supersymmetrie. Diese hypothetische Symmetrie wandelt Bosonen in Fermionen um; ein Nachweis fehlt. Beim Proton ist seine Spinaufteilung offen: Der Gesamtspin ist exakt 1/2, der Quark-Spin trägt nach einer genannten Quelle etwa 1/3 bei; Gluonen-Spin und Drehimpulsanteile bleiben unbekannt. Neutrinooszillationen zeigen eine von Null verschiedene Neutrinomasse, obwohl das heutige Standardmodell Neutrinos masselos behandelt. Unklar sind Dirac- oder Majorana-Natur, Massenhierarchie und CP-Verletzung.
Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt die starke Wechselwirkung von Quarks und Gluonen. Confinement bedeutet, dass farbgeladene Quarks und Gluonen nicht frei, sondern nur in Hadronen wie Mesonen und Baryonen vorkommen; seine genaue Herleitung aus der QCD ist offen. Quarks stellen nur 5 % der Nukleonenmasse, 95 % stammen aus Bindungs- und Bewegungsenergie. Zu klären sind Phasen stark wechselwirkender Materie, der Übergang zu Pionen und Nukleonen, mögliche Glueballs und die fehlende beobachtete CP-Verletzung der starken Wechselwirkung. Die Kernkraft als Restwechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen lässt sich noch nicht vollständig aus der QCD ableiten; offen sind außerdem exotische Kerne, Neutronensterne und Prozesse in Sternen und Sternexplosionen.
Astronomie, Atome und kondensierte Materie
In der Astronomie sind Jets aus Akkretionsscheiben, quasi-periodische Schwingungen und deren Beziehung zur Masse des Zentralobjekts ungeklärt. Die Sonnenkorona ist mit typischerweise einigen Millionen Kelvin deutlich heißer als Chromosphäre und Photosphäre. Diskutiert werden Plasmawellen, magnetische Rekonnexion, elektrische Ströme und Stoßwellen; besonders rätselhaft ist die viel schnellere Rekonnexion gegenüber Standardmodellen. Bei supermassiven schwarzen Löchern sind Ursache der M–σ-Relation und das frühe Wachstum ferner Quasare offen. Ultrahochenergetische kosmische Strahlung ist rätselhaft, weil Teilchen höchstens 50 Mpc reisen können, im entsprechenden Umkreis aber mögliche Quellen fehlen und trotzdem Energien oberhalb des GZK-Cutoff auftreten.
Weitere offene astronomische Fragen umfassen diffuse interstellare Banden, die Kuiper-Klippe bei 50 AE, die Fly-by-Anomalie, Rotationskurven von Galaxien, Supernova-Explosionen, Magnetare, die Rotationsrate des Saturn, das sechsmal lautere „Brüllen des Weltraums“, die Alter-Metallizität-Beziehung und das Lithiumproblem. Bei Letzterem stimmt die vorhergesagte Häufigkeit von Lithium-7 aus der Nukleosynthese bis drei Minuten nach dem Urknall nicht mit alten Sternen überein.
In der Atomphysik gibt es keine allgemeine Lösung der Schrödinger-Gleichung für Wasserstoff in beliebigen elektrischen und magnetischen Feldern. Für Helium, das einfachste dielektronische Drei-Körper-Problem, existieren Näherungen, aber keine bekannte exakte Lösung.
Die Physik kondensierter Materie untersucht wechselwirkende Vielteilchensysteme. Bei Hochtemperatursupraleitern ist der Mechanismus für Supraleitfähigkeit oberhalb von 25 Kelvin seit mehr als 25 Jahren ungeklärt; auch ein Supraleiter bei 20 °C beziehungsweise 293 K ist offen. Amorphe Materialien haben nur Nahordnung, keine Fernordnung; die Natur des Glasübergangs ist ungeklärt. Sonolumineszenz bezeichnet kurze hochenergetische Lichtblitze aus implodierenden Kavitationsblasen. Bei Turbulenz fehlt ein Modell für die Statistik und innere Struktur turbulenter Strömungen; exakte Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen sind ein Millennium-Problem. Weitere Fragen betreffen topologische Ordnung, den ν = 5/2-Zustand im fraktionalen Quanten-Hall-Effekt, Bose-Einstein-Kondensate, Flüssigkristalle, Quantenpunkte und exakt berechenbare Bandstrukturen.
Jüngere Lösungen
Einige zuvor offene Fragen wurden im 21. Jahrhundert beantwortet. Kurze Gammablitze können durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstehen; dies wurde 2017 zusammen mit Gravitationswellen beobachtet. Ebenfalls 2017 wurde fehlende baryonische Materie als heißes interstellares Gas gefunden.
Zeitkristalle wurden 2016 erstmals experimentell beobachtet. Gravitationswellen, seit 1916 vorhergesagt, wurden 2016 erstmals von LIGO nachgewiesen. Drei Forschergruppen testeten 2015 die Bellsche Ungleichung ohne Schlupflöcher. Pentaquarks, seit 1964 als Frage offen, wurden 2015 von LHCb gefunden.
