1 Unifique la relatividad general con la mecánica cuántica, por decirlo simplemente. Son teorías fundamentalmente incompatibles pero abrumadoramente exitosas al describir cómo funciona el mundo, solo cada una en su propio territorio. Varios candidatos han luchado durante décadas para construir una Gran Teoría Unificada como la teoría de cuerdas, pero hasta ahora no se han resuelto.
2 Comprende qué es la materia oscura. Las pistas del movimiento de las estrellas dentro de las galaxias han señalado durante décadas la existencia de materia no luminosa para dar sentido a las predicciones hasta ahora bien entendidas de la mecánica celeste. Una vez más, se han presentado varios candidatos, pero hasta ahora no hay pruebas contundentes.
3 Comprende qué es la energía oscura. Hace unos 20 años, se descubrió que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. Para que esto suceda, alguna forma de “energía negativa” en términos generales, debe estar en el trabajo. Cuando Einsten formuló la Relatividad general, asumió alguna forma de energía negativa para dar cuenta del hecho de que lo contrario no parecía colapsar bajo la atracción gravitacional de su materia constituyente. Denominó a esa energía como una “constante cosmológica”, pero poco después se retractó y culpó a esta suposición como este “mayor error”, cuando Hubble demostró que el universo no era estático, sino que se estaba expandiendo. Curiosamente, ahora se requiere la constante cosmológica para dar cuenta de la expansión acelerada, sin embargo, no tenemos idea de lo que es.
- ¿Es la teoría del campo cuántico solo un marco matemático, o una nueva descripción de la estructura del espacio?
- Antes de que existiera el universo, no había tiempo. ¿Eso implica que realmente no había nada de ninguna manera posible? ¿No había universos alternativos o nada?
- ¿Qué sucede si dos objetos de masas infinitas chocan entre sí (supongamos que los objetos han alcanzado el 99,99% de la velocidad de la luz y por eso su masa es infinita y están viajando a la misma velocidad)? ¿Se produciría la desaceleración?
- ¿Existen realmente los campos? ¿No podría ser que el campo emerge después de colocar la partícula, al igual que en la mecánica cuántica, donde las partículas actúan como si tuvieran posiciones bien definidas solo cuando se observan?
- ¿Por qué la materia oscura es un campo importante que vale la pena estudiar?
Editar:
No es sorprendente que otras respuestas también incluyan la materia oscura y la energía oscura en la lista de preguntas abiertas más interesantes en física y cosmología. Pero todavía siento que el objetivo de la gran unificación de la mecánica cuántica y la relatividad merece el primer lugar.
Como se indicó en la pregunta original, las últimas décadas han sido testigo de la confirmación experimental de predicciones formuladas por las dos principales construcciones teóricas para modelar el Universo, a saber, el Modelo estándar de partículas y campos, y la Teoría general de la relatividad.
Cuando se construyó, probó y actualizó el LHC, pero antes de la confirmación experimental de la existencia de la partícula de Higgs, varios teóricos del peso pesado esperaban el fracaso.
Lo mismo ocurre con LIGO, antes de la confirmación de la detección de ondas gravitacionales.
¿Por qué? Porque el fracaso de las teorías existentes condujo en el pasado a la formulación de nuevas y mejores teorías.
El fracaso de la termodinámica clásica para dar sentido a la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, entre otros problemas, condujo a la construcción de la mecánica cuántica.
El hecho de que la mecánica clásica no explicara por qué las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell no eran invariantes del sistema de referencia inercial llevó a Einstein a formular la Relatividad Especial tanto como la inexplicada precesión de la órbita de Mercurio, en términos de mecánica newtoniana, fue explicada por la Relatividad General.
Si no se confirma la partícula de Higgs, o si no se detectan las ondas gravitacionales, la misma señal debería conducir a la construcción de una nueva física “interesante”.
Pero no fue el caso, el Modelo Estándar está completo y la Relatividad General, una vez más, se encuentra sólida y sólida.
** PERO ** son tan incompatibles como siempre. Para decirlo de una manera muy simplificada, el Modelo Standad dota a las partículas de masa a través de un nuevo campo: el campo de Higgs, mientras que la Relatividad General explica la fuerza de la gravedad como consecuencia de la distorsión geométrica del espacio-tiempo por la masa.
El gran desafío es construir y confirmar con evidencia experimental, una nueva teoría del “Gran Unificado”.
Es muy posible que una solución para el problema de la materia oscura y la energía oscura resulte como una consecuencia natural de la gran unificación.
O puede no serlo: esto se pondrá interesante día a día, estamos en un marco de tiempo particularmente afortunado de la historia para obtener asientos de primera fila para el espectáculo.
