¿Qué avances importantes en física teórica verá el siglo XXI?

Solo puedo especular sobre los avances que esperamos ver en el siglo XXI.

Permítanme comenzar con lo obvio:

1. Averigüe si la supersimetría es real. Esto puede estar a la vuelta de la esquina, si el LHC descubre un compañero supersimétrico para cualquiera de las partículas conocidas. Posiblemente relacionado: descubra de qué está hecha la materia oscura.
2. Descubre por qué tenemos tantas partículas elementales. El modelo estándar se parece más a una tabla periódica de partículas, esperando una teoría que explique la variedad y los patrones que vemos allí. Necesitamos la Gran Unificación.
3. Estudie dimensiones adicionales, si existen.
4. Averigüe si la teoría de cuerdas (teoría M) es real.
5. Unifique la gravedad con el resto de la física de partículas. Extienda la física más allá del horizonte del agujero negro.

Es posible que podamos resolver estos acertijos en el marco de la teoría cuántica relativista y la geometría riemanniana, utilizando las herramientas matemáticas existentes, tal vez extendiéndolas un poco más. Pero también es posible que tengamos que revolucionar los fundamentos de la física teórica y quizás incluso de las matemáticas.

Aquí hay algunos pensamientos:

– Nuestras herramientas matemáticas y computacionales limitan drásticamente nuestra comprensión del Universo. Usamos la teoría de la perturbación donde sea aplicable; y luego algo (renormalización). ¿Son las partículas virtuales “reales” o un artefacto de la teoría de la perturbación? ¿Los quarks tienen sentido cuando la teoría de la perturbación se rompe en el régimen de acoplamiento fuerte?

– Las simetrías juegan un papel muy importante en la física, pero no entendemos su origen. Utilizamos modelos matemáticos para describir la realidad. La simetría significa, aproximadamente, que diferentes conjuntos de números describen la misma realidad. O que usamos demasiadas variables, y algunas de ellas son redundantes. Tenemos teorías invariantes de indicadores (teorías simétricas localmente), pero tenemos que arreglar el indicador para hacer cálculos. Un fotón invariante de calibre (el potencial de cuatro) tiene componentes longitudinales y temporales que no son físicos.

– Realmente no entendemos el papel del observador. La teoría cuántica se basa en la dualidad entre lo observado y el observador. La interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica es insatisfactoria. El observador es descrito por la física clásica y existe una discontinuidad entre la descripción cuántica y la clásica.

La interpretación de Many Universe no explica las probabilidades. Si todos los resultados se realizan, ¿de dónde provienen las probabilidades?

No podemos aplicar la teoría cuántica de todo el Universo porque no tenemos un observador externo que pueda medir las probabilidades de varios resultados.

El problema del observador y el principio antrópico son fundamentales para nuestra comprensión del Universo. ¿Se puede conocer el Universo?

– Recién comenzamos a digerir los productos de la revolución informática. Las computadoras cambiarán aún más no solo lo que podemos calcular. Influirán en los fundamentos mismos de las matemáticas y la física. Hasta ahora hemos estado fascinados con bits y bytes, con números. Pero la teoría de la computación va más allá de los números. La teoría de tipos, la teoría de categorías, la lógica constructiva y los desarrollos recientes en la teoría de tipos de homotopía están influenciados por las computadoras. La vieja sabiduría era que los avances en física conducen al desarrollo de las matemáticas y, más recientemente, al desarrollo de la tecnología informática. En el siglo XXI veremos la inversión de este flujo: de las computadoras a las matemáticas y luego a la física.

No tengo idea, pero aquí hay algunas cosas que me gustaría ver:
1. Hacer que la mecánica cuántica y la relatividad sean totalmente compatibles entre sí,
2. Entendiendo las partículas elementales,
3. Mejor comprensión de los campos. La teoría de campo cuántico puede parecer impresionante, pero ¿por qué hay tantos campos?
4. ¿Qué es la materia oscura?
5. ¿Existe realmente energía oscura, y si es así, por qué?
6. Más respuestas a preguntas que comienzan con “¿Por qué?”

Desde un punto de vista personal, me gustaría ver un mayor esfuerzo para mirar hacia atrás y comprobar que hemos seguido el camino correcto. En mi opinión, puede haber habido algunos giros desafortunados, con teorías sobre ellos. Un ejemplo: en mi tesis doctoral, entré en un debate, y mi conclusión ahora se consideraría del lado equivocado. A pesar de eso, la revisión que “resolvió” el problema descuidó cuidadosamente más de cincuenta tipos diferentes de experimentos que falsificaron su conclusión. OK, este fue un asunto bastante intrascendente en química, pero no puedo dejar de preguntarme qué tan profundo es este problema. El punto es que, una vez que algo se declara como “verdadero”, hay poco que ganar pasando mucho tiempo comprobando, a menos que pueda idear un experimento que claramente falsifique la teoría. La mayoría de los experimentos están realmente diseñados para apoyar la teoría, a menos que algo salga mal. Por ejemplo, se gastó una gran cantidad de dinero para encontrar el bosón de Higgs. Cuando se encontró un bosón, se supuso automáticamente que esto era compatible con el mecanismo de Higgs. Quizás sí, pero ¿y si se tratara de un bosón diferente?

Por supuesto, especulación, pero he pasado los últimos diez años estudiando las dificultades particulares en torno al problema de la unificación en física desde un punto de vista generalista sin ningún interés en ninguna teoría. Entonces le daré a esta pregunta lo que podría llamar un esfuerzo bien informado para responder.

Estoy bastante seguro de que estamos más cerca de lo que la mayoría de los físicos piensa en una teoría unificada de la física (llamémosla relatividad cuántica ya que ambas teorías son en esencia “correctas” y ambas contribuirán más o menos por igual a la forma final). Me sorprendería si la unificación no se realiza dentro de los próximos 10 años, con quizás otros diez años para convertirse en paradigma aceptado.

Si bien los intentos actuales de construir una teoría cuántica de la gravedad tienen dentro de ellos pistas y acusaciones significativas y útiles sobre cómo proceder en el camino de la unificación, en realidad no espero que la teoría final surja de estos intentos. Más bien vendrá de fuera del campo izquierdo. Digo esto porque los nuevos avances teóricos realmente interesantes parecen estar ocurriendo en tres campos de estudio;
1) Las personas empíricas que trabajan en el modelo estándar (ver y modelar patrones en datos previamente ocultos por ruido empírico),
2) Avances en la comprensión de la computación cuántica y cómo hacerlo.
3) Matemáticos interesados ​​en la física pero explorando técnicas matemáticas que no se enseñan comúnmente a los físicos.

Pero la relatividad cuántica tendrá más forma de evolución que una revolución en el pensamiento: un nuevo marco geométrico al que se pueden aplicar los axiomas de la naturaleza bien establecidos y que luego arrojará luz sobre muchos de los acertijos y constantes empíricas inexplicables. en física y cosmología, todo en un solo golpe.

Dudo que se produzcan muchos avances técnicos importantes de este cambio que aún no están bien anticipados: pero el cambio filosófico en la forma en que pensamos sobre la física y cómo funciona nuestro universo será bastante profundo; Lo veremos en veinte años y nos preguntaremos en retrospectiva cuán simple es (la complejidad surgirá del detalle aplicado) y por qué tardó tanto en darse cuenta con previsión (Parafraseando a John A. Wheeler sobre esto)

En muchos aspectos, esta evolución será un poco decepcionante; algunas nuevas matemáticas que explicarán mejor las relaciones observadas entre el espacio y la energía; de donde será evidente la forma exacta del modelo estándar. Será más del tipo de envoltura de regalos en nuestras teorías actuales y descubrimientos empíricos fundamentales; una caja para que todos encajen por así decirlo.

– Comprender la mecánica cuántica.
– Comprender la gravedad en un modelo unificado que contiene partículas y mecánica cuántica. Pero no comprende completamente todas las partículas elementales.
– Desarrollar teorías aplicando una potencia informática masiva, no para calcular valores, sino para generar y verificar modelos automáticamente. Esto será posible gracias a un mejor conocimiento en el desarrollo de software.
– Al menos un comodín 😉

(editar: ver la respuesta de Bartosz Milewski)

Sospecho, dados los avances ‘importantes’ anteriores, que un nuevo avance importante será una rama de la investigación de otra cosa.
Básicamente, dudo que los principales avances sean predecibles.

Si alguien encuentra un ejemplo de dónde se rompen las teorías actuales, y esto arroja luz sobre una forma diferente de modelar el comportamiento que explica de manera confiable el problema y explica dónde se mantienen las teorías actuales, entonces eso podría calificar … (más fácil decirlo que hacerlo)

Dicho esto, supongo que una lista de deseos de cosas que podrían ayudar a avanzar:

• La computación cuántica, una serie de máquinas en funcionamiento que se está construyendo (y suficiente soporte de lenguaje de programación), ayudaría a la investigación a verificar la consistencia (o al menos refutar rápidamente) de nuevas teorías / modelos
• avances en matemáticas – por razones similares
• verifique una lista de problemas actuales no resueltos en física para contendientes – ejemplo
  Lista de problemas no resueltos en física
• Los avances en física teórica pueden ser el resultado de mediciones mejoradas. (telescopios, microscopios, aceleradores de partículas, etc.)

preguntar en unos 90 años 🙂