물리학의 미해결 문제(List of unsolved problems in physics)는 물리학 분야의 미해결 문제들로 이론적인 의미로는 기존 이론으로는 설명할 수 없는 특정한 관측 현상 및 실험 결과들을 의미한다. 또한, 실험적인 의미로는 제안된 이론을 검증하거나 상세한 현상을 조사하기 위한 실험을 구축하는데 매우 어려움이 따르는 것들을 의미한다.
급팽창 이론은 정확한가? 만약 그렇다면, 이 당시에는 정확히 무슨 일이 일어났는가? 무엇이 가상의 인플라톤 급팽창을 일으켰는가? 만약 급팽창이 어느 지점에서 일어났다면, 양자역학적 변동으로 인한 팽창으로 자발적으로 발생했으며, 매우 먼 장소에서는 지금도 계속 진행하고 있는가?[2]
왜 먼 우주가 대폭발이 예측한 비등방성 값보다 현재 밤하늘을 관측한 값이 더 적고 매우 균질한가? 우주론적 급팽창에서는 이에 대한 해답을 제시하지만, 광속의 가변성과 같이 더욱 적절한 이론으로 설명할 수는 없는가?[3]
전자기약력 지평선 문제
전자기약력의 시대가 끝날 때 관측 가능한 우주의 먼 부분이 인과관계적으로 연관되어 있지 않다면 왜 전자기약력 진공에서 대규모 불연속성이 보이지 않는가? 표준적인 우주 인플레이션 모델은 전자기약력 대칭성 파괴가 일어나기 전에 인플레이션이 일어나므로 어떻게 인플레이션이 불연속성을 없앴는지는 분명하게 알 수 없다.[4]
우주의 가속팽창이 나타나는 원인은 무엇인가? 물질, 에너지 두개가 시간이 지나면서 매우 다르게 흘러갔는데도 왜 암흑 에너지의 에너지 밀도가 현재의 물질 밀도와 동일한가? 이 이유가 단순히 인간 중심 원리 덕분에 우리가 이 값으로 관찰할 수 있는 것인가? 암흑 에너지는 순수한 우주 상수인가, 양자 에너지 등이 적용되는 전형적인 모델인가?
비공식적으로는 "우주의 모양"이라고 부르는 우주의 팽창 공간 부분의 3차원 팽창 거리는 무엇인가? 우주의 곡률과 토폴로지 모두 현재는 알 수 없지만, 현재 관측 가능한 수준에서 곡률은 거의 0인 것으로 보인다. 급팽창 이론에서는 우주의 모양이 측정 불가능한 것으로 추정되지만, 2003년부터 장피에르 루밍트와 같은 여러 연구진들은 우주의 모양이 푸앵카레 면체 공간 형태일 것이라고 제안했다. 우주는 과연 측정 불가능한 모양인가, 혹은 푸앵카레 공간인가, 아니면 또 다른 모양의 3차원 공간인가?
양자역학과 일반 상대성 이론을 양자장론이라는 하나의 이론으로 합칠 수 있는가?[6] 시공간은 근본적으로 연속적인가, 불연속적인가? 하나로 합쳐진 이론에서 힘은 중력자와 같은 가상의 입자가 매개하는 것인가, 혹은 루프 양자중력과 같이 시공간 자체의 기하학적 모양으로 인한 현상인가? 매우 작거나, 매우 크거나, 양자 중력 이론에서의 흐름과 같이 극단적인 환경에서 나오는 일반 상대성 이론과의 편차는 무엇인가?
이론적으로 예상되는 것과 같이 블랙홀은 열복사를 방출하는가? 이 열복사는 끈 이론에서 나타나는 바와 같이 블랙홀 내부 구조에 대한 정보를 포함하고 있는가? 아니면 호킹 복사에서 제안하는 바와 같이 정보가 뒤섞여 있는가? 만약 그렇지 않고 블랙홀이 증발할 수 있다면 이 블랙홀 내부에 저장되어 있는 정보는 어떻게 되는가?(양자역학에서는 정보가 파괴되지 않는다.) 혹은 어느 시점에서 블랙홀의 잔해에서의 열복사가 중지되는가? 만약 이러한 구조가 존재하지 않을 경우에도 어떻게든 내부 구조를 알아낼 수 있는 방법이 있는가?
흔히 벌거숭이 특이점라고 하는 사건의 지평선에 가려지지 않은 특이점은 초기의 여러 조건들로 인해 생겨나는 것인가? 혹은 로저 펜로즈가 주창한 '우주 검열 가설'처럼 실제로 나타나는 것이 불가능한가?[7] 이와 비슷하게, 일반 상대성 이론의 방정식의 일부 해에서 나타나는 닫힌 시간 곡선(과거로 시간 여행을 가능하게 해주는 해)가 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합한 양자 중력 이론에서 스티븐 호킹이 "연대 보호 추측"을 제시했던 것과 같이 금지되어 있는가?
양자물리학에서 국소적이지 않은 현상이 있는가? 만약 존재한다면, 비국소적 현상이 벨 부등식이 틀렸다는 것과 연관이 있거나 정보 및 보존량이 국소적이지 않은 방법으로 이동할 수 있는가? 어떤 상황에서 비국소적 현상을 관찰할 수 있는가? 비국소적 현상의 존재 유무는 시공간의 기본 구조와 무슨 연관이 있는가? 이 현상은 양자 얽힘과 무슨 관련이 있는가? 양자 물리학의 기본적인 성질로 이 현상을 어떻게 해석할 수 있는가?
왜 중력은 힘이 너무 약한가? 중력은 플랑크 스케일에서는 1019GeV 정도로 강력하여 전자기약력 스케일은 대략 100 GeV보다 훨씬 높다. 왜 이 스케일은 엄청난 차이가 나는가? 힉스 보손의 질량과 같은 전자기약력 스케일의 양이 플랑크 규모에서의 양자적 재규격화가 일어나지 않는 이유는 무엇인가? 초대칭, 여차원, 또는 인간 중심 원리의 미세 조정으로 이 문제를 해결할 수 있는가?
왜 활동은하핵과 같이 특정 천체를 둘러싸고 있는 강착원반은 왜 축의 극점을 따라서 상대론적 제트를 분사하는가?[17] 왜 많은 강착원반에 준주기 진동이 일어나는가?[18] 왜 이 진동 주기가 중앙에 위치한 물체 질량의역비례하는가?[19] 왜 때때로 배음 현상이 나타나며, 왜 서로 다른 물체는 다른 주파수 비율이 나타나는 것인가?[20]
[3] 왜 어떤 우주선은 지구 근처에 충분한 에너지를 줄 수 있는 것이 없는데도 불구하고 오마이갓 입자와 같이 극단적으로 높은 에너지를 가지고 있는가? 왜 일부 우주선은 분명히 먼 거리에서 왔음에도 불구하고 그레이슨-제트세핀-쿠즈민 한계(GZK 한계) 이상의 에너지를 가지고 있는가?[3][21]
매우 큰 규모에서 우주의 비등방성이 나타나는 것은 우주 원리를 틀린 가정으로 만드는가? NRAO VLA Sky Survey (NVSS) 카톨로그에서 수집한 라디오파의 비등방성의 수와 쌍극자 세기는[24] CMBR에서 파생한 국부적 움직임과는 일치하지 않으며[25][26] 고유한 쌍극자 비등방성을 가지고 있는 것처럼 보인다. 또한, 같은 NVSS 라디오파 데이터에서는 동일한 방향에서 쌍극자의 편광 밀도와 편광 세기는 수와 세기와 같이 고유한 값을 가진 것으로 보인다.[27] 또한, 이 외에도 대규모 비등방성을 나타내는 관측 결과가 존재한다. 퀘이사의 광학적 편광은 Gpc과 같은 매우 큰 규모 이상에서는 편광이 정렬되어 있다.[28][29][30]우주 마이크로파 배경 복사선(CMBR)의 데이터에서는 빅뱅 모델과는 일치하지 않는 여러 이등방성이 관측되었다.[31][32][33][34]
광자 과소생산 위기
왜 은하와 퀘이사는 적색 편이가 낮은 우주에서 예상된 것보다 5배 더 적은 자외선을 방출하는가?
우주 굉음
왜 우주 굉음이 예상한 것보다 6배 크게 들리는가? 우주 굉음이 발생하는 원인은 무엇인가?
은하 디스크의 나이-금속성 관계
은하 디스크(얇고 굵은 디스크)에서 보편적인 나이-금속성 관계(AMR)이 존재하는가? 국부적 디스크(주로 얇음)에서는 AMR이 성립한다는 강력한 증거가 존재하지 않지만,[35] 두꺼운 은하 디스크에서 나이-금속성 관계를 밝히기 위해 근처의 두꺼운 디스크 별 샘플 229개를 추출했다. 그 결과, 현재 두꺼운 디스크에서는 나이-금속성 관계가 실제로 존재한다는 것을 밝혀냈다.[36][37]
강한 상호작용을 하는 물질의 위상은 무엇이며, 우주에서 이는 무슨 역할을 하는가? 핵자의 내부 모습은 어떤가? QCD에서는 강한 상호작용을 하는 물질의 특징을 어떻게 예측하는가? 글루온의 역할은 무엇이며, 핵자와 원자핵에서 자가 상호작용하는 글루온의 역할은 무엇인가? QCD의 주요한 특징을 결정하는 것이 무엇이며, QCD에서 중력과 시공간 사이의 관계는 무엇인가? 글루볼이 존재하는가? 하드론 내에서 불변 질량이 0임에도 불구하고 글루온이 운동 질량을 얻는가? QCD는 진짜로 CP 위반을 만족하기 부족한가? 원자 번호가 큰 경우 글루온은 포화 상태인가? 글루온이 색안경 응축물이라는 고밀도 상태를 형성하는가? 발리스키-파딘-쿠아레프-리파토프 방정식, 발리스키-코브체고프 방정식, 카타니-치아팔로니-피오라니-마르첸시키 진화 방정식의 특징과 증거는 무엇인가?
안정 동위원소와 희귀 동위원소 내의 양성자와 중성자를 묶는 핵력의 본질은 무엇인가? 복잡한 원자핵에서 나오는 간단한 패턴의 기원은 무엇인가? 안정성의 섬 지역에서 핵의 특이한 성질이 나타나는 이유는 무엇인가? 그리고 별의 진화 과정에서 이것이 하는 역할은 무엇인가? 중성자별과 조밀한 핵물질의 본질은 무엇인가? 우주에 존재하는 원소의 기원은 무엇인가? 항성이 존재하고 별이 폭발하는 과정의 핵반응은 무엇인가?
핵융합 에너지는 수소와 같은 풍부한 자원을 통해 현재의 핵분열 발전으로 배출하는 방사능 폐기물을 방출하지 않고 거대한 에너지를 발전할 수 있다. 그러나, 핵융합 에너지를 만들기 위해 충분히 높은 온도에서 제대로 가둔 채로 기체를 이온화(플라스마) 시킬수 있는가? 이를 만들기 위해서 재료과학적으로 여러 발전이 일어나야 하는가?
왜 우주는 과거에 엔트로피가 낮아 과거와 미래 사이 엔트로피 차이가 생기는 열역학 제2법칙이 존재하는가?[21] 왜 특정 약한 상호작용의 붕괴 시 CP 위반이 관측되지만 다른 경우에는 관측되지 않는가? CP 위반은 어떻게든 열역학 제2법칙 내에 존재하는가, 혹은 또 다른 시간의 화살에 속해 있는가? 인과율의 법칙에 예외가 존재하는가? 하나의 가능한 과거가 존재하는가? 현재는 과거와 미래와는 구분되는 한 순간인가, 혹은 의식의 신흥적인 산물에 불과한가? 왜 시간은 한 쪽 방향으로만 흐르는가?
현실에서 양자 중첩 상태, 파동 함수의 붕괴, 양자 결어긋남을 어떻게 설명하며, 이 현상들이 우리가 인식하고 있는 현실에 어떤 영향을 주는가? 또한, 측정 문제에서 어떤 "측정"이 파동함수를 명확한 하나로 붕괴시키는가? 고전물리학과는 달리 일부 양자역학에서는 (양자 얽힘으로 인한 양자 순간이동처럼) "국소적"이면서 "인과관계"적이면서 "실제"인 것을 동시에 만족할 수는 없지만, 이러한 과정에서의 양자역학적 과정을 일종의 '희생'이라고 설명하는 것은 양자역학에 대해서 제대로 이해하지 못한 분류 오류라고 보기 때문에 다른 해석을 해야 한다.
모든 무차원 물리 상수를 설명할 수 있는 이론이 존재하는가?[21] 끈 이론이 그럴 수 있는가? 왜 표준 모형의 게이지 이론이 그렇게 생겼으며, 왜 시공간에서 공간이 3차원이고 시간이 1차원이며, 왜 물리학의 모든 법칙은 그렇게 되어있는가? 시간에 따라서 "무차원 물리 상수"는 변하는가? 입자물리학의 표준 모형에 존재하는 입자가 실제로는 현재의 실험 수준에서는 관측할 수 없을 정도로 묶여 있는 또 다른 입자들로 구성된 것은 아닌가? 아직까지 관측되지 않은 기본 입자들이 있는가? 만약 그렇다면, 그 입자는 어떤 것이며 특성은 어떠한가? 물리학의 다른 미해결 문제들을 해결할 수 있는 근본적인 통합된 힘을 관측할 수 있는가?
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