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Ungelöste Probleme der Physik

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Die hier zusammengestellten Fragen und Problemstellungen stellen wichtige ungelöste Probleme der Physik dar. Einige der Probleme sind theoretischer Natur, dergestalt, dass aktuelle Theorien nicht zu Erklärungen herangezogen werden können. Andere ungelöste Fragestellungen sind experimenteller Art, wobei man noch keine Versuchsanordnung gefunden hat, um bestimmte theoretische Vorhersagen zu testen oder Phänomene besser zu untersuchen.

  • Jets bei Akkretionsscheiben: Warum emittieren Akkretionsscheiben, die bestimmte astronomische Objekte (wie Kerne aktiver Galaxien) umgeben, Jets entlang ihrer polaren Achsen?
  • Beschleunigtes Universum: Warum erfolgt die Expansion des Universums beschleunigt? Ist unser Verständnis der Rotverschiebung vollständig? Ist die dunkle Materie an der Expansion beteiligt?
  • Amorphe Festkörper: Was ist die Natur des Übergangs zwischen dem flüssigen oder dem festen in den glasartigen Zustand? Welche physikalischen Prozesse bestimmen die allgemeinen Eigenschaften von Gläsern?
  • Zeitpfeil: Warum hatte das Universum in der Vergangenheit eine so kleine Entropie, so dass zwischen der Vergangenheit und der Zukunft unterschieden werden kann und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik gültig ist?
  • Kosmische Inflation: Ist die Theorie der kosmischen Inflation korrekt? Wenn ja, welches sind die Randbedingungen jener Epoche? Wieso hat sie begonnen und sofort darauf wieder geendet? Welche Begründung gibt es für die vorgeschlagenen Zahlenwerte?
  • Dunkle Materie: Woraus besteht sie? Wie wird oder wurde sie erzeugt? Wieso gibt es sie nicht hier auf der Erde?
  • Elektroschwache Wechselwirkung: Nimmt man an, dass die Theorie hinter der Vereinheitlichung von Elektromagnetismus und Schwacher Wechselwirkung auf dem Higgs-Mechanismus beruht, was ist dann die Realität hinter der Theorie?
  • Rotation der Galaxien: Warum rotieren Galaxien mit einer Geschwindigkeit, die nicht zur Masse ihrer sichtbaren Bestandteile passt? Liegt es an der Ungültigkeit der Gravitationsformel für Distanzen über mehr als einigen Lichtjahren?
  • Hochtemperatur-Supraleitung: Warum zeigen manche Werkstoffe und Materialien Supraleitung bei Temperaturen weit oberhalb von 20 K?
  • Pioneer-Anomalie: Welche Ursache hat die anscheinende sonnenwärts gerichtete Beschleunigung der Pioneer-Sonde?
  • Quantenchromodynamik: Die Gleichungen der Quantenchromodynamik bleiben ungelöst im Energiebereich der Atomkerne. Wie kann die Quantenchromodynamik Kerne und Kernteilchen beschreiben?
  • Quantengravitation: Wie kann die Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereint werden, um so eine Theorie der Welt zu erhalten (Weltformel)? Ist unser gegenwärtiges Verständnis der Gravitationskraft korrekt in mikroskopischen Bereichen? Welche verifizierbaren Vorhersagen macht irgendeine Theorie der Quantengravitation?
  • Spintronics: Ist es möglich, ein praktisches elektronisches Gerät zu bauen, das auf dem Spin des Elektrons basiert und nicht (nur) auf dessen Ladung?
  • Standard-Modell: Was ist die Grundlage des Standard-Modells der Teilchenphysik? Warum haben die Teilchenmasse und Kopplungskonstanten die Werte, die gemessen worden sind? Existiert das Higgs-Boson wirklich? Warum gibt es drei Teilchengenerationen im Standard-Modell?
  • Supersymmetrie: Ist die Supersymmetrie eine Symmetrie innerhalb der Natur? Wenn ja, wie wird sie gebrochen und warum? Können die von der Supersymmetrie vorhergesagten neuen Teilchen gefunden werden?
  • Turbulenz: Ist es möglich, ein theoretisches Modell für das Verhalten einer turbulenten Flüssigkeit zu schaffen, insbesondere für deren interne Struktur?
  • Kristalle: Ist es möglich einen Kristall herzustellen, der aus lauter Löchern (Defektelektronen) besteht? Nach einer Computermodell-Rechnung wäre es möglich. Es wird vermutet, dass die sich dann in den Löchern aufhaltenden Elektronen die Struktur stabilisieren.
  • Hierarchie-Problem: Warum sind die Energieskalen der Symmetriebrechungen einer hypothetischen vereinheitlichten Symmetrie und der elektroschwache Symmetrie um so viele Größenordnungen verschieden?
  • Neutrinos: Haben alle Neutrinos Massen und wie groß sind diese? Gibt es rechts-chirale Neutrinos? Wie groß sind deren Massen? Haben Neutrinos Majorana-Massen?
  • CPT-Verletzung: Gibt es eine CPT-Verletzung der starken Wechselwirkung bei extrem niedrigen Energien? Wenn nicht, warum nicht?
  • CKM-Matrix: Ist die CKM-Matrix unitär? Wenn nicht, wie lässt sich das erklären?
  • Landau-Pol: Wie verhält sich die Quantenelektrodynamik bei sehr hohen Energien? Dieses Problem würde durch eine große vereinheitlichte Theorie gelöst; gibt es so eine Theorie?
  • Kosmische Strahlung: Wieso gibt es in der kosmischen Srahlung weit mehr Teilchen mit Energien über 1019 eV, als erwartet? Wodurch werden diese Teilchen beschleunigt?
  • Schwarzes Loch: Gibt es schwarze Löcher? Senden sie Hawking-Strahlung aus? Sind die Quantenzahlen der ausgestrahlten Teilchen mit denen der einfallenden Teilchen korelliert? Falls sie keine Hawking-Strahlung aussenden, wie verhält es sich mit der Entropie bei schwarzen Löchern? Gibt es weiße Löcher?
  • Baryogenese: Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum?
  • Kugelblitze
  • überlichtgeschwindigkeit
  • zeitmaschinen, zeitreisen, zeitmanipulation
  • transmutation
  • antigravitation
  • teleportation


Siehe auch: Überholte Theorien, Hypothetisches Teilchen

  • Weblinks

This is a list of some of the unsolved problems in physics. Some of these problems are theoretical, meaning that existing theories seem incapable of explaining some observed phenomenon or experimental result. Others are experimental, meaning that there is a difficulty in creating an experiment to test a proposed theory or investigate a phenomenon in greater detail.

Phenomena lacking clear scientific explanationBearbeiten

Accretion disc jets
Why do the accretion discs surrounding certain astronomical objects, such as the nuclei of active galaxies, emit relativistic jets along their polar axes?
Accelerating universe
What is the source of the observed accelerated expansion of the universe? What is the nature of the dark energy driving this acceleration?
Amorphous solids
What is the nature of the transition between a fluid or regular solid and a glassy phase? What are the physical processes giving rise to the general properties of glasses?
Entropy (arrow of time)
Why did the universe have such low entropy in the past, resulting in the distinction between past and future and the second law of thermodynamics? Why does time flow in one direction at all, on macroscopic scales, when there does not seem to be an arrow of time on the scale of fundamental interactions?[1] ***
Ball lightning
Are these glowing, floating objects real? How can they be explained? ****
Baryon asymmetry
Why is there far more matter than antimatter in the universe?
Black hole structure
Does a black hole have an internal structure, and if so, what is its nature?
Cold fusion
What is the theoretical explanation for the apparent production of excess heat and helium in palladium metal when it is saturated with deuterium? ****
Corona heating problem
Why is the Sun's Corona (atmosphere layer) so much hotter than the Sun's surface?
Cosmological constant
Why doesn't the zero-point energy of vacuum cause a large cosmological constant? What cancels it out? Is a non-total cancellation of the cosmological constant responsible for the observed accelerated expansion (deSitter phase) of the Universe?
Dark matter
What is dark matter?[2] Is it related to supersymmetry? Do the phenomena attributed to dark matter point not to some form of matter but actually to an extension of gravity?
Electroweak symmetry breaking
What is the mechanism responsible for breaking the electroweak gauge symmetry, giving mass to the W and Z? Is it the simple Higgs mechanism of the Standard Model?[3]
Fundamental physical constants
Can fundamental constants be predicted by a more complete theory? [4] Do "fundamental physical constants" vary over time?
Gamma ray bursts (short duration)
What is the nature of these extraordinarily energetic astronomical objects that last less than two seconds?[5]
High-temperature superconductors
What is the responsible mechanism that causes certain materials to exhibit superconductivity at temperatures much higher than around 50 kelvins?[6]
Hipparcos Anomaly
How far away are the Pleiades, exactly?
Island of stability
What is the largest theoretically possible stable atom?
Neutrino mass
What is the mechanism responsible for generating neutrino masses? Is the neutrino its own antiparticle?
Pioneer anomaly
What causes the apparent residual sunward acceleration of the Pioneer spacecraft?[7][8] ****
Sonoluminescence
What causes the emission of short bursts of light from imploding bubbles in a liquid when excited by sound?
Turbulence
Is it possible to make a theoretical model to describe the behavior of a turbulent flow (in particular, its internal structures)?[9]
Ultra-high-energy cosmic ray
Why is it that some cosmic rays appear to possess energies that are impossibly high (the so called Oh-My-God particle), given that there are no sufficiently energetic cosmic ray sources near the Earth? Why is it that (apparently) some cosmic rays emitted by distant sources have energies above the Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit?[10][11]

Theoretical ideas in search of experimental evidenceBearbeiten

Axions
Is the Peccei-Quinn theory (i.e. mechanism) the solution to the strong CP problem? What are the properties of the predicted axion?
Cosmic inflation
Is the theory of cosmic inflation correct, and if so, what are the details of this epoch? What is the hypothetical inflaton field giving rise to inflation? If inflation happened at one point, is it self-sustaining through inflation of quantum-mechanical fluctuations, and thus ongoing in some impossibly distant place?
Emergent phenomena
Is a complete understanding of particle physics sufficient to fully understand all physical phenomena, or are there emergent phenomena in physics whose existence cannot be definitively predicted from a complete understanding of the fundamental particles and forces that govern the universe?
Extra dimensions
Does nature have more than four spacetime dimensions? If so, why are they not easily observed? Are dimensions a fundamental property of the universe or an emergent result of other physical laws?
Faster-than-light
Is it possible to go faster than the speed of light (create path that is locally timelike but globally spacelike)? Is it possible to transmit information faster than the speed of light? If so, what is the consequence for the principle of causality (i.e., does it make time machines possible), or why not? **
Physical information
Are there physical phenomena which irrevocably destroy information about their prior states?
Magnetic monopoles
Do particles that carry "magnetic charge" exist?
Multiple universes
Are there physical reasons to believe in other universes that are fundamentally non-observable? For instance: Are there quantum mechanical "alternate histories"? Are there "other" universes with physical laws resulting from alternate ways of breaking the apparent symmetries of physical forces at high energies, possibly incredibly far away due to cosmic inflation? Is the use of the anthropic principle to resolve global cosmological dilemmas justified? ***
Proton decay
As the lightest baryon, are protons absolutely stable? If current theoretical ideas are correct, quarks and leptons are ultimately unified and thus nothing in principle forbids proton decay. If so, then what is the proton's half-life? (This question is related to extracting experimental information about physics near the Planck scale.)
Quantum chromodynamics (QCD) in the non-perturbative regime
The equations of QCD remain unsolved at energy scales relevant for describing atomic nuclei. How does QCD give rise to the physics of nuclei and nuclear constituents?
Quantum gravity
How can gravity be realized as a fully consistent quantum theory? Is string theory (M-theory) the correct approach? More pressing, how much experimental information can be extracted about physics near Planck scale?
Quantum mechanics in the correspondence limit
Is there a preferred interpretation of quantum mechanics? How does the quantum description of reality, which includes elements such as the superposition of states and wavefunction collapse, give rise to the reality we perceive? ***
Standard Model Higgs mechanism
Does the Standard Model Higgs particle exist with its predicted Standard Model interactions?
Supersymmetry
Is spacetime supersymmetry realized in nature? If so, what is the mechanism of supersymmetry breaking? Does supersymmetry stabilize electroweak symmetry breaking? Does the lightest supersymmetric particle make up the dark matter?
Technicolor
Does nature make use of strong dynamics in breaking electroweak symmetry?

Problems solved recentlyBearbeiten

Long duration gamma ray bursts (2003)
Long-duration bursts are associated with the deaths of massive stars in a specific kind of supernova-like event commonly referred to as a collapsar.
Solar neutrino problem (2002)
Solved by a new understanding of neutrino physics, requiring a modification of the Standard Model of particle physics — specifically, neutrino oscillation.
Quasars (1980s)
The nature of quasars was not understood for decades. They are now accepted as a type of active galaxy where the enormous energy output results from matter falling into a massive black hole in the center of the galaxy.

NotesBearbeiten

** Problems marked with two stars are considered by a significant number of physicists to be resolved, though there is still significant debate about them.

*** Problems marked with three stars are considered by some physicists to be outside the purview of physics, more properly philosophical in nature.

**** Problems marked with four stars are disputed.

See also Bearbeiten

ReferencesBearbeiten

  1. Open Questions item 4
  2. 13 things that do not make sense newscientistspace, 19 March 2005, Michael Brooks, item 5
  3. Open Questions, Particle Physics, item 6
  4. Open Questions, Particle Physics, item 12
  5. Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 11
  6. Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics, item 2
  7. Open Questions, Particle Physics, item 13
  8. newscientistspace item 8
  9. Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics
  10. Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 12
  11. newscientistspace item 3

External linksBearbeiten


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