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Einige der bedeutendsten ungelösten Probleme der Physik sind theoretischer Natur, d. h., dass die bestehenden Theorien nicht in der Lage sind, ein bestimmtes, beobachtetes Phänomen bzw. das Ergebnis eines Experiments zu erklären. Die anderen sind experimenteller Natur, d. h., dass es schwierig ist, ein Experiment zu erstellen, um eine bestimmte Theorie zu überprüfen oder ein bestimmtes Phänomen mit größerer Genauigkeit zu erforschen.
Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grundlegenden Struktur des Universums (Kosmos) als Ganzem und ist ein Teilgebiet der Astronomie, das in enger Beziehung zur Astrophysik steht.
Die allgemeine Relativitätstheorie (ART) beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie (einschließlich Feldern) einerseits und Raum und Zeit andererseits. Sie deutet Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Die mathematische Beschreibung der Raumzeit und ihrer Krümmung erfolgt mit den Methoden der Differentialgeometrie.
Das Standardmodell der Kosmologie (SdK) beruht unter anderem auf den folgenden Annahmen:[1][2]
Das Standardmodell wird durch folgende Beobachtungsergebnisse gestützt[1][2]:
Das Standardmodell weist jedoch folgende Probleme bzw. offene Fragen auf:[1][2]
Als kosmologische Inflation wird eine Phase extrem rascher Expansion des Universums bezeichnet. Je nach zugrunde liegenden Annahmen begann sie zwischen 10−43 s, d. h. der Planck-Zeit (bzw. dem Beginn des Urknalls selbst), und 10−35 s und dauerte bis zu einem Zeitpunkt zwischen 10−33 s und 10−30 s nach dem Urknall.
Durch die Annahme einer inflationären exponentiellen Expansion können die beiden folgenden offenen Fragen des Standardmodells der Kosmologie beantwortet werden:[1]
Folgende Punkte sprechen aber gegen das Inflationsmodell:
Als Horizontproblem wird die Tatsache bezeichnet, dass verschiedene, weit entfernte Regionen des Universums, die nicht miteinander in Kontakt stehen, so homogen sind (sie weisen trotz der großen Distanz die gleichen physikalischen Eigenschaften auf), obwohl die Urknalltheorie größere, messbare Anisotropien des Nachthimmels vorherzusagen scheint als diejenigen, die bisher beobachtet wurden.
Welches der möglichen Szenarien beschreibt die Zukunft der Geometrie der Raumzeit des Universums am ehesten:
Die Baryonenasymmetrie ist die beobachtete große Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie im Universum.
Es gibt folgende Ansätze zur Beantwortung:
Man stellt sich vor, dass das Universum aus räumlich getrennten Gebieten besteht, in denen jeweils die baryonische oder die antibaryonische Materie überwiegt:[5] Die auf der Erde eintreffende kosmische Strahlung wird nach Antimaterieteilchen untersucht, z. B. nach Antihelium bzw. noch schwereren Antikernen. Durch den Nachweis z. B. eines einzigen Antikohlenstoffkerns würde die Existenz von Sternen aus Antimaterie im Universum bewiesen, da Kohlenstoff nicht beim Urknall gebildet werden konnte. Jedoch verliefen alle bisherigen Nachweisversuche negativ (z. B. durch das Experiment Pamela bzw. die beiden AMS-Experimente). Des Weiteren spricht gegen die Existenz von Antimaterieregionen, dass in den Grenzbereichen zwischen der Materie und der Antimaterie extrem energiereiche Photonen, resultierend aus der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie entstehen müssten, was aber bisher nicht beobachtet worden ist.[6]
Die Sacharowkriterien sind notwendige Bedingungen für eine dynamische Erzeugung der Baryonenasymmetrie im Universum.[5] Die CP-Verletzung (2. Sacharow-Kriterium) wurde bisher bei vier Partikeln nachgewiesen,[7] sie allein kann jedoch die beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum nicht erklären,[7] da sie um den Faktor 1010 zu klein ist.[8] (siehe auch Physik jenseits des Standardmodells: Punkt 3)
Theorien zur Erklärung der Baryonenasymmetrie sind z. B.
Die Kosmologische Konstante ist eine physikalische Konstante, die ursprünglich von Albert Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt wurde. Die kosmologische Konstante wird heute aber nicht mehr als Parameter der allgemeinen Relativitätstheorie interpretiert, sondern als die zeitlich konstante Energiedichte des Vakuums.
Die Existenz dunkler Materie – nicht sichtbarer Materie, die mit Licht nicht wechselwirkt – wird in der Kosmologie zur Erklärung einiger Gravitationswirkungen auf sichtbare Materie postuliert. Ihre Existenz gilt als weitgehend gesichert, weil derzeit nur so die Geschwindigkeit von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie und die Bewegung von Galaxiehaufen erklärbar ist.
Die Existenz dunkler Energie wird als eine hypothetische Form der Energie postuliert, um die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums zu erklären.
Was genau ist die dunkle Energie? Mögliche Erklärungen dafür sind:
Das Kopernikanische Prinzip bedeutet, dass der Mensch keine ausgezeichnete, spezielle Stellung im Kosmos einnimmt, sondern nur eine typisch durchschnittliche.
Bzgl. der Gestalt des Universums sind die lokale und die globale Geometrie zu unterscheiden:
Die lokale Geometrie des Universums wird durch den Wert des Dichteparameters Ω bzw. durch den Raumzeit-Krümmungs-Parameter (siehe Friedmann-Gleichung) bestimmt:
Die lokale Geometrie bestimmt die globale Geometrie zwar nicht vollständig, sie schränkt aber ihre möglichen Ausprägungen ein.
Sowohl die QT als auch die ART weisen jede für sich Probleme auf, außerdem sind sie grundsätzlich verschieden, da die ART rein klassisch ist. Weder die eine noch die andere Theorie kann für sich allein in Anspruch nehmen, eine vollständige und konsistente Beschreibung der Wirklichkeit zu geben.[12] Soll die Physik insgesamt logisch widerspruchsfrei sein, so muss es eine Theorie geben, die die QT und die ART in irgendeiner Form vereinigt.[13] Eine Theorie der Quantengravitation, die die QT und die ART ersetzen soll, muss deren innere Widersprüche auflösen und beide Theorien als Grenzfälle enthalten. Sie muss dieselben Aussagen über die Natur treffen, die uns die Standardmodelle der Teilchenphysik und der modernen Kosmologie geliefert haben.[12] Sie muss außerdem ein Schlüsselproblem der QT beantworten: Wo verläuft die Trennlinie zwischen klassischer und quantenmechanischer Welt?[12]
Probleme der ART:
Probleme der QT:
Außerdem muss die Frage nach der Beschaffenheit von Raum und Zeit bei kleinsten Abständen – der so genannten Planck-Länge (10−35 Meter) und der Planck-Zeit (10−43 Sekunden)[14] – beantwortet werden:[16]
Ein zentrales Problem einer Theorie der Quantengravitation wäre, dass die Raumzeitgeometrie nicht mehr (wie in der QT) als vorgegeben angenommen werden kann, sondern dass die Raumzeitgeometrie selbst Quantenfluktuationen unterliegt.[12]
Es gibt verschiedene Lösungsansätze:
Als Vakuum-Katastrophe wird der Umstand bezeichnet, dass der theoretisch vorhergesagte Wert der Vakuumenergie des Universums um den Faktor 10120 größer ist als der tatsächlich beobachtete Wert[10] (siehe auch das ungelöste Problem: Kosmologische Konstante).
Gemäß dem Keine-Haare-Theorem ist das Verhalten eines schwarzen Lochs nach außen hin vollständig durch seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls bestimmt. Außerdem kann es im Rahmen der Quantenphysik keinen Verlust der Information geben. Was passiert dann mit der Information, die in den Objekten enthalten ist, die von einem schwarzen Loch aufgesogen wurden? Dieses Informationsparadoxon Schwarzer Löcher ist eng verwandt mit der Frage, wie Quantenphysik und Allgemeine Relativitätstheorie in Einklang gebracht werden können.
Roger Penrose stellte 1969 die Hypothese auf, dass im Universum nackte Singularitäten nicht existieren können. Ist es möglich, diese Hypothese aus allgemeineren physikalischen Prinzipien abzuleiten? Oder können nackte Singularitäten aus realistischen Anfangsbedingungen entstehen?
Gibt es in der Natur mehr als vier Raumzeit-Dimensionen? Falls ja, was ist ihre Anzahl und ihre Größe? Die folgenden Theorien postulieren mehr als 4 Raumzeit-Dimensionen:
Sind Dimensionen eine fundamentale Eigenschaft des Universums oder sind sie das Ergebnis von anderen physikalischen Gesetzen?
Können wir höhere Raumdimensionen experimentell nachweisen?
Lokalität bezeichnet in der Physik die Eigenschaft einer Theorie, dass Vorgänge nur Auswirkungen auf ihre direkte räumliche Umgebung haben. Bei Nichtlokalität bzw. Lokalität geht es prinzipiell um die Frage, ob oder unter welchen Bedingungen ein Ereignis ein anderes Ereignis beeinflussen kann.
Gemäß der Bellschen Ungleichung ist eine physikalische Theorie lokal, wenn sich bei zwei räumlich getrennten Teilchen die Wahl dessen, was beim einen Teilchen gemessen wird, bei der Messung nicht unmittelbar auf das andere Teilchen auswirkt. Die Quantenmechanik verletzt die Bellsche Ungleichung.
Die Vermutung zum Schutz der Zeitordnung bzw. der Zeitfolge (engl. chronology protection conjecture bzw. CPC) wurde von Stephen Hawking formuliert,[21] da in einigen Lösungen für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie geschlossene zeitartige Kurven (engl. closed timelike curves bzw. CTC) auftauchen und diese die Möglichkeit von Zeitreisen auf der Zeitachse rückwärts beinhalten.
Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) ist eine physikalische Theorie, welche die derzeit bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt. Die drei vom SM beschriebenen Wechselwirkungen sind die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung.
Das SM weist folgende inhärente Probleme auf:
Ist die Einführung des Higgs-Mechanismus und des Higgs-Bosons die Lösung? Das Higgs-Boson postulierte man vor knapp 50 Jahren aus rein theoretischen Gründen. Der Higgs-Mechanismus ist die bislang einfachste bekannte Möglichkeit, die Massen der fundamentalen Teilchen mathematisch widerspruchsfrei im SM zu berücksichtigen. Demnach treten alle massebehafteten Teilchen mit einem Feld in Wechselwirkung, das den gesamten Raum ausfüllt. Man sagt daher, dass der Higgs-Mechanismus die Massen der Teilchen erzeugt.[26] Allerdings ist der Spin des Higgs-Bosons gleich Null, was wiederum Probleme aufwirft, denn alle bisher beobachteten Teilchen ohne Spin sind keine Elementarteilchen und theoretische Argumente sprechen dafür, dass Teilchen ohne Spin sehr viel schwerer sein müssten als das jetzt entdeckte Higgs-Boson.[26]
Die 18 freien Parameter sind:[29]
Dazu kommen weitere 7 Parameter (3 Massen sowie 4 Mischungswinkel), falls Neutrinos Masse besitzen.[29]
Die 12 Materieteilchen lassen sich in drei fast identische Gruppen einordnen, die sich hauptsächlich durch die Massen der zugehörigen Teilchen unterscheiden. Warum existieren diese drei Generationen und was ist die Ursache für die gewaltigen Unterschiede der Massen?[28] Das top-Quark hat eine Masse von etwa 1,73 · 1011 eV und das Elektron-Neutrino von weniger als 0,8 eV. Der Higgs-Mechanismus erzeugt Massen, liefert aber keinerlei Erklärung für diese Unterschiede.[28]
Das SM lässt darüber hinaus folgende Fragen unbeantwortet:
Durch den Higgs-Mechanismus wird die Masse der fundamentalen Teilchen, eine früher als ursprünglich angesehene Eigenschaft, als Folge einer neuen Art von Wechselwirkung gedeutet.
In der Teilchenphysik bezeichnet das Hierarchieproblem die Frage, weshalb die Gravitation so deutlich schwächer (um den Faktor 10−32) ist als die elektroschwache Wechselwirkung.
Ein magnetischer Monopol ist ein gedachter Magnet, der nur einen Pol hat. Von Paul A. M. Dirac stammt die Spekulation, es könne den magnetischen Monopol als Elementarteilchen geben, welches das magnetische Gegenstück zum Elektron wäre.
Für diese Idee sprechen zwei Argumente:
Der Gesamtspin des Protons setzt sich zusammen aus den Spins der Valenzquarks, der Seequarks und der Gluonen sowie den Drehimpulsen der Quarks und Gluonen.[35] Bis heute ist es aber noch nicht gelungen, den Gesamtspin des Protons von exakt auf diese Komponenten aufzuteilen.[35] Auch scheinen theoretische Modelle und Experimente unterschiedliche Beiträge der Quarks zum Gesamtspin des Protons zu ergeben.[36][37] Gemäß der folgenden Quelle[38] setzt sich der Spin des Protons wie folgt zusammen: der Quark-Spin trägt ca. bei, während die Anteile von Gluonen-Spin, Quark-Drehimpuls und Gluonen-Drehimpuls jeweils unbekannt sind.
Die Supersymmetrie ist eine hypothetische Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin) und Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) ineinander umwandelt. Die meisten Großen Vereinheitlichten Theorien und Superstringtheorien sind supersymmetrisch. Allerdings konnte bis heute kein experimenteller Nachweis erbracht werden, dass Supersymmetrie tatsächlich in der Natur existiert.
In der Teilchenphysik werden die zwölf bekannten elementaren Materieteilchen in drei sogenannte Generationen zu je vier Teilchen plus deren Antiteilchen eingeteilt. Die Existenz einer vierten, fünften usw. Generation mit entsprechenden noch nicht experimentell nachgewiesenen Elementarteilchen kann nicht ausgeschlossen werden, aber es sind keine Hinweise für weitere Generationen bekannt.
Im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik haben Neutrinos keine Masse. Experimente zur Neutrinooszillation haben aber gezeigt, dass Neutrinos eine von Null verschiedene Masse haben. Es gibt auch Theorien, die eine von Null verschiedene Masse beschreiben.
Confinement bezeichnet in der Teilchenphysik das Phänomen, dass Teilchen mit Farbladung – Quarks und Gluonen – nicht isoliert, d. h. nicht als freie Teilchen vorkommen, sondern nur in Elementarteilchen, die aus ihnen aufgebaut sind, wie z. B. Mesonen und Baryonen.
Unter CP-Verletzung (C für engl. charge Ladung; P für parity Parität) versteht man die Verletzung der CP-Invarianz. Letztere besagt, dass sich die physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten in einem System nicht ändern sollten, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden.
Eine Akkretionsscheibe ist in der Astrophysik eine um ein zentrales Objekt rotierende Scheibe, die Materie in Richtung des Zentrums transportiert (akkretiert). Sie kann aus atomarem Gas oder Staub oder aus verschieden stark ionisiertem Gas (Plasma) bestehen.
Die Sonnenkorona ist der Bereich der Atmosphäre der Sonne, der oberhalb der Chromosphäre liegt und durch deutlich geringere Dichten und höhere Temperaturen im Vergleich zu den tiefer liegenden Schichten der Sonnenatmosphäre gekennzeichnet ist.
Mögliche Erklärungsmodelle für die Heizung der Korona beinhalten die Dissipation von Plasmawellen, Rekonnexion kontinuierlich umstrukturierter Magnetfeldkonfigurationen, stoßdominierte Dissipation von elektrischen Strömen, Heizung durch Stoßwellen und weitere mögliche Prozesse.
Die M–sigma-Relation (M–-Relation) ist ein empirisch ermittelter Zusammenhang zwischen der Masse M eines supermassiven schwarzen Loches (umfassen bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen) im Zentrum einer Galaxie und der Geschwindigkeitsdispersion von Sternen im dichten Zentralbereich einer Spiralgalaxie (Bulge).
Die Kernphysik ist das Teilgebiet der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt. Ihr wichtigstes theoretisches Hilfsmittel ist die Quantenmechanik.
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist eine Quantenfeldtheorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung. Sie beschreibt die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen, also der fundamentalen Bausteine der Atomkerne. Die QCD ist wie die Quantenelektrodynamik (QED) eine Eichtheorie. Die Beschreibung der Nukleonen ist jedoch ein offenes Problem. Die Quarks besitzen nur 5 % der Masse der Nukleonen, die restlichen 95 % der Nukleonenmasse entstammen der Bindungsenergie der starken Wechselwirkung und der Bewegungsenergie der Quarks und Gluonen, welche die Nukleonen aufbauen.
Die starke Wechselwirkung dient zur Erklärung der Bindung zwischen den Quarks in den Hadronen. Vor der Einführung des Quark-Modells wurde als starke Wechselwirkung die Anziehungskraft zwischen den Nukleonen (Protonen und Neutronen) des Atomkerns bezeichnet. Diese Anziehungskraft zwischen den Nukleonen wird heutzutage als Restwechselwirkung oder Kernkraft bezeichnet. Eine vollständige Beschreibung dieser Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist bisher nicht möglich.
Die Atomphysik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Physik der Atomhülle und der in ihr ablaufenden Vorgänge befasst. Die Atomphysik betrachtet den Atomkern als nicht weiter unterteilbaren Baustein.
Die Physik der kondensierten Materie unterscheidet sich aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung der Bausteine der Materie erheblich von der freier Teilchen (Elementarteilchenphysik, Atomphysik). Die theoretische Beschreibung basiert auf der Vielteilchentheorie.
Als Hochtemperatursupraleiter werden Materialien bezeichnet, deren Supraleitfähigkeit – anders als bei konventionellen Supraleitern – nicht durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zustande kommt. Die Ursache ist seit mehr als 25 Jahren ungeklärt.
Als amorphes Material bezeichnet man einen Stoff, bei dem die Atome keine geordneten Strukturen, sondern ein unregelmäßiges Muster bilden und lediglich über Nahordnung, nicht aber Fernordnung verfügen. Im Gegensatz zu amorphen heißen regelmäßig strukturierte Materialien Kristalle.
Unter Sonolumineszenz versteht man ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit unter starken Druckschwankungen ultrakurze, hochenergetische Lichtblitze aussendet.
Turbulenz ist die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, bei der Verwirbelungen auf allen Größenskalen auftreten. Diese Strömungsform ist gekennzeichnet durch meist dreidimensionale, scheinbar zufällige Bewegungen der Fluidteilchen (siehe auch Turbulenzmodell).
Eine Weltformel soll alle physikalischen Phänomene im bekannten Universum verknüpfen und präzise beschreiben. Es ist unklar, wie eine solche Weltformel aussehen könnte, und ob sie gefunden werden kann.
Einige Probleme konnten in jüngerer Vergangenheit gelöst werden. Diese Liste ist nach Datum der Lösung sortiert, in Klammern angegeben ist der Zeitraum, in dem das eine ungelöste Frage war (sofern eindeutig).
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