Ответ @rubenvb «потому что нам больше не нужно» подходит.

Изучая физику, вы должны понимать, что физика не отвечает на фундаментальные вопросы «почему». Физика использует математические инструменты для моделирования измерений, и эти модели должны соответствовать новым данным, т.е. быть предсказательными. Пока модели не фальсифицированы, они считаются действительными и полезными. После фальсификации ищутся модификации или даже радикально новые модели. Яркий пример, квантовая механика, когда классическая механика была признана недействительной: излучение черного тела, фотоэлектрический эффект и атомные спектры исказили усилия классического моделирования.

Физика, использующая соответствующие модели, показывает, «как» человек переходит от данных к прогнозам для новых экспериментальных данных. В поисках «почему» в моделях человек идет вверх или вниз по математике и приходит к ответу «потому что это то, что было измерено».

Потому что нам большего и не нужно.

Ну, мы не нашли никаких доказательств каких-либо других. А пока в этом нет необходимости. Конечно, некоторые эксперименты могут указывать на то, что происходит что-то еще, что подталкивает к пересмотру Стандартной модели.

С математической стороны это можно объяснить симметрией: лагранжиан Стандартной модели подчиняется определенному набору операций симметрии, которые физики считают действительными. Из этого лагранжиана, используя формализм квантовой теории поля, можно вывести отдельные «фундаментальные взаимодействия». Из Википедии (выделено мной):

Глобальная симметрия Пуанкаре постулируется для всех релятивистских квантовых теорий поля. Он состоит из известной трансляционной симметрии, вращательной симметрии и инвариантности инерциальной системы отсчета, занимающих центральное место в специальной теории относительности. Локальная калибровочная симметрия SU(3)×SU(2)×U(1) — это внутренняя симметрия, которая существенно определяет Стандартную модель. Грубо говоря, три фактора калибровочной симметрии приводят к трем фундаментальным взаимодействиям. Поля попадают в разные представления различных групп симметрии Стандартной модели (см. таблицу).

Упомянутые здесь три взаимодействия представляют собой несколько разные классификации ваших четырех фундаментальных взаимодействий, но по сути одинаковые (за исключением, может быть, части Браута-Энглерта-Хиггса). Предполагается, что четвертая, гравитация, в какой-то мере связана с бозоном Хиггса в Стандартной модели и еще не вполне вписывается в остальную часть Стандартной модели.

Я думаю, неправильно говорить, что вопросы «почему» выходят за рамки физики или что на этот вопрос никогда не может быть ответа. Очень часто физика может объяснить, почему что-то верно, с точки зрения более фундаментальных принципов. Иногда причины этих более фундаментальных принципов можно объяснить с точки зрения еще более фундаментальных принципов. Но всегда есть самый низкий в настоящее время понятный слой, о котором можно сказать только одно: «это модель, которая лучше всего соответствует нашим наблюдениям».

Например, когда Кеплер разработал свои орбитальные законы, они были просто основными фактами природы. Если вы спросите, почему они это сделали, ответ будет таков: «это то, что было измерено», цитируя ответ анны v.

Но затем Ньютон нашел причину, по которой законы Кеплера были верны: принцип всемирного тяготения. И теперь мы можем сказать, что закон обратных квадратов гравитационного притяжения приблизительно верен, потому что масса вызывает искривление пространства-времени. Но в этот момент мы должны остановиться. Мы не знаем более глубокой причины, по которой масса должна так поступать с пространством-временем. Это просто то, что мы наблюдаем.

Таково положение дел с четырьмя силами. Лучшие модели, которые у нас есть, включают их, и это единственная причина, по которой мы можем сейчас привести. Но нет никакой гарантии, что мы не откроем какую-нибудь более глубокую теорию, которая сможет объяснить существование четырех сил, а не трех или пяти, как следствие какого-то более фундаментального принципа. Но в каком-то смысле мы вернулись бы к тому, с чего начали, потому что у этого принципа не было бы причины, почему он верен.

Потому что это наименьшее количество законов, которые мы смогли выяснить, чтобы как можно лучше объяснить то, что мы наблюдаем.

Альтернатива: Физики уже более века работают над сокращением числа фундаментальных законов, предпочтительно до одного, и пока что они сократили его до четырех.

Есть ли ответ на вопрос, почему фундаментальных взаимодействий в природе всего четыре?

Нет и никогда не будет

У нас вообще нет науки, которая могла бы ответить на любой осмысленный вопрос «почему» о структуре Вселенной, особенно о том, почему отсутствуют вещи, которые мы не наблюдаем.

Лучшее, что мы можем придумать, — это наблюдать за множеством функций и придумывать несколько подходящих математических/физических теорий о том, как они могут быть взаимосвязаны. И мы все время ошибаемся .

Мое слово «осмысленный» там наверху означает спускаться к «самой низкой черепахе» при объяснении чего-либо; то есть не просто ответ, вытекающий из имеющихся у нас теорий, которые, кажется, соответствуют нашему нынешнему пониманию природы.

Например: мы знаем, что ничто не может двигаться быстрее, чем cв основном потому, что, согласно Эйнштейну, потребовалось бы бесконечное количество энергии, чтобы получить что-то с массой даже до c, не говоря уже о том, чтобы сделать это быстрее. Но это, в смысле этого ответа, не ответ на вопрос «почему ничто не может двигаться быстрее, чем c?». Я интерпретирую этот вопрос как «Почему наша Вселенная устроена таким образом, что вам нужно бесконечное количество энергии, чтобы добраться до нее c?».

На самом деле, в любой день кто-то может найти ошибку в наших теориях и найти способ двигаться быстрее, чем c, или совершить путешествие во времени, или найти 5-е фундаментальное взаимодействие. Поскольку мы даже ничего не можем знать о Вселенной с абсолютной, фундаментальной уверенностью, мы, конечно же, не можем ответить на вопрос «почему».

Очень красивое видео об этом: Ричард Фейнман. Почему.

Поэтому я не смогу дать вам ответ на вопрос «почему магниты притягиваются друг к другу?» кроме как сказать вам, что они есть, и сказать вам, что это один из [...] различных видов сил [...] [...и дать объяснение в более сложных терминах...]

Это не совсем то, о чем мы говорим здесь, но это должно показать дух, отвечая на вопросы «почему».

Перспектива

Это увлекательная тема, и вы могли бы сделать хуже, чем проверить антропный принцип и ров философских тем, скрывающихся за этим. Этот принцип существует в двух вариантах:

• Сильный антропный принцип в основном говорит (моя формулировка), что Вселенная была настроена «именно так», чтобы обеспечить разумную жизнь (нас!), т.е. с намерением.
• Слабая версия гласит: «Если бы Вселенная не могла поддерживать жизнь, подобную нашей, нас бы здесь не было, чтобы задавать вопрос».

Сильная версия отклоняется прямо в сторону верований и религии, и хотя для многих людей она может быть верной, она определенно не применима здесь, в Physics.SE (и хотя среди физиков могут быть верующие, она, конечно, не дает нам любую новую информацию).

Слабая версия, очевидно, верна, и она приводит к предвзятости в отношении того, какими свойствами должна обладать наша Вселенная. Но это также не отвечает на какой-либо глубокий, существенный вопрос «почему».

Нет никаких оснований полагать, что их должно быть только четыре. Четыре — это максимальное количество фундаментальных взаимодействий, которые мы видели до сих пор, но могут быть и другие, чрезвычайно слабые* взаимодействия, которые мы просто еще не наблюдали. Есть много экспериментаторов, работающих над поиском новых макроскопических фундаментальных взаимодействий даже сегодня; на самом деле, будучи студентом, я провел большую часть своих исследований, занимаясь именно этим!

Также есть много причин полагать, что фундаментальных взаимодействий может быть больше четырех. В основной статье, которую мы использовали для обоснования нашего конкретного вида исследования, было получено 16 обменных потенциалов из нерелятивистской КТП, только один из которых действительно соответствовал знакомому скаляру.$1/r$потенциал, общий для гравитации и электромагнетизма ( https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0605342.pdf ). Есть много, много других работ, которые по-разному предсказывают существование дополнительных фундаментальных сил, так что это плодотворное поле для экспериментальных исследований.

*Ну, либо чрезвычайно слабое, либо иным образом занимающее темные уголки фазового пространства (например, сила, которая наиболее сильна в масштабах микрона, или такая, которая требует особой комбинации спиновой поляризации и поступательной скорости, которая не часто проверяется в эксперименте).

Взглянув на вопрос с несколько иной точки зрения, ответ «нам больше не нужно» определенно правильный, но, кроме того, я бы сказал, что нам не нужно больше, и чем меньше, тем лучше .

Чтобы ответить, почему это так, нам нужно знать о проблеме, которую иногда называют переоснащением. Идея переобучения такова; скажем, я разрабатываю прогностическую модель, например, я хочу получить взаимосвязь между качествами дубового сока и возрастом дуба. Я узнаю возраст 100 дубов из записей об их посадке и измеряю вязкость их сока, цвет, плотность, содержание воды и еще 46 наблюдаемых параметров. Я начинаю с того, что просто смотрю на взаимосвязь между вязкостью и возрастом. Возможно, используя квадратичную модель с 3 параметрами. Это довольно сильная связь, и я могу получить около 20 лет возраста каждого дерева, используя только вязкость сока. Но есть еще 49 переменных! Поэтому я строю сложную модель возраста дерева, которая предсказывает, как возраст должен влиять на все 50 переменных. и тут я подхожу под 150 параметров этой модели. Настроив сложную модель, я могу предсказать возраст всех 100 деревьев с точностью до дня, как замечательно. Потом кто-то показывает мне другой дуб, мол "я знаю, сколько лет этому дубу, давай протестируем на нем твою модель". Простая модель, основанная только на вязкости, и сложная модель дают очень разные ответы. Простая модель намного точнее предсказывает возраст нового дерева. Почему? Поскольку сложная модель на самом деле вообще не изучала возраст 100 деревьев, она училась идентифицировать 100 деревьев, используя шум в данных, не связанных с их возрастом, а затем я настроил ее параметры так, чтобы она давала мне правильный вес для каждого дерева. Для простой модели сделать это было невозможно, потому что у меня не было достаточного количества доступных для настройки параметров, таким образом, простая модель была вынуждена найти подлинную корреляцию, если ее можно было найти. Сложная модель переоснащается.

Таким образом, чем сложнее любая модель, тем выше ее склонность к переоснащению. Когда модель начинает переоснащаться, она теряет предсказательную силу. Я совершенно уверен, что кто-то, у кого достаточно времени и терпения, может создать модель, в которой было бы 5 сил. Они могли бы даже найти модель, которая была бы более интуитивной или более простой в вычислительном отношении. Но эта более сложная модель с меньшей вероятностью будет соответствовать новым невидимым результатам, потому что ее сложность будет настроена на результаты, которые мы видели, и, таким образом, использовать шум для идентификации данных и получения ответа, который мы пытались подобрать. Мы не хотели учитывать этот шум, а более простая модель с меньшей вероятностью вообще сможет справиться с шумом.

Поиск Единой Теории Поля утверждает, что существует одно фундаментальное поле. Ожидается , что все четыре силы будут объединены в масштабе Планка, что на много порядков выходит за пределы современных экспериментальных возможностей, хотя гравитационные обсерватории и космологические модели могут дать представление.

Три из четырех фундаментальных сил были интегрированы друг с другом, а также с массой и специальной теорией относительности в квантовой теории поля (КТП). Остается только гравитация, которую пытаются унифицировать с помощью теории струн и петлевой квантовой гравитации. Следует отметить, что для этого придется иметь дело с природой и возникновением времени, которое не включено в КТП.

Было показано, что три связанные фундаментальные силы возникают из трех фундаментальных симметрий и связанных с ними принципов сохранения : во времени (энергия), в пространстве - перенос и вращение (импульс) и внутренней симметрии (идентичность частиц и квантовые числа). Эти соображения приводят к пониманию семейств частиц как групп симметрии локальной калибровочной симметрии , которые обменивают пару бозонов и виртуальных частиц на то, что мы называем фундаментальными силами или полями. У нас есть бозон Хиггса, из которого происходит масса, но нет никаких свидетельств того, что гравитон , как ожидается, будет его опосредовать.

Таким образом, фундаментальные силы раскрываются как связанные со свойствами топологических свойств нашей Вселенной. Теория струн постулирует более широкую область возможностей для физических законов. Мы обнаруживаем, что существенные свойства, приводящие к сложности нашей вселенной, по-видимому, являются результатом тонкой настройки , и мы живем в тонко настроенной вселенной , которая, по-видимому, нарушает наши предположения о « естественности ». Кажется неизбежным, что существует какое-то вероятностное пространство, в котором эти фундаментальные константы различны, которое обычно называют мультивселенной, что делает проблему тонкой настройки одной из задач локализации нашей собственной вселенной в нем.

Общие ответы на эти вопросы таковы: оспаривание тонкой настройки (в частности, субъективного антропоцентризма), критика из-за недостатка воображения (наша неспособность исследовать 11-мерные топологии дает нам очень мало представления о других вариантах) и антропный принцип (многие вариантов, включая гипотезу моделирования ).

Я не претендую на то, чтобы быть экспертом в этом, или даже очень хорошо осведомленным. Мне только показалось, что эта тема не освещена другими ответами. Из чего я вижу высокую степень скепсиса и нежелания относиться к этим вопросам, несмотря на то, что они являются самоочевидными результатами и открытыми проблемами современной физики. Я хотел бы, чтобы кто-нибудь поправил меня ссылками и, где это возможно, оспаривая утверждения в моих ссылках .

Физика (и наука в целом) стремится ответить на вопрос: «Каким правилам это следует?» .

Мы люди, поэтому мы надеемся получить более глубокое понимание и такие вопросы, как «почему?» сильно вдохновляют нас, и мы часто задаем эти вопросы. Но точные научные исследования сосредоточены на наблюдении и проверке правил, которым, как кажется, следуют вещи, даже если мы, люди, руководствуемся более широкими идеалами и наполняем их открытия более глубоким смыслом.

Итак, в физике мы спрашиваем, каким правилам, по-видимому, следует физическая вселенная; в биологии мы спрашиваем, каким физическим законам следуют живые системы (включая связанные системы, такие как экосферы), и так далее.

Возьмем аналогию: есть детская игра, в которой один человек выбирает, скажем, определенные автомобили на дороге, а другой человек должен задавать вопросы, чтобы угадать, какое правило используется. Это немного похоже на это.

Это означает, что идея о четырех фундаментальных силах не соответствует тому, как работает Вселенная. Ну, может быть, но, вероятно, это не так, и с философской точки зрения все равно это другое:

• Вселенная может работать по любым принципам или без них, включая те, которые мы на самом деле не можем себе представить, или те, которые мы считаем иррациональными. Если это так, то так оно и работает, и мы с этим застряли. (Конечно, может и нет, но дело в том, что если бы это было так, то мы не могли бы отмахнуться от него)
• У нас ограниченные знания (в основном все, что мы знаем, тестируем или находим в настоящее время), поэтому мы ограничены нашим набором инструментов в том, что мы можем сделать. Если наши методы еще не включают необходимые инструменты, мы не сможем получить правильные ответы.
• Модель не совпадает с реальностью. В лучшем случае он говорит: «Это лучше всего приближает и предсказывает, что происходит, и обеспечивает некоторую логику того, как это может быть». Но оно тесно связано с наблюдателем и никогда не является самой реальностью.

Итак, прямо сейчас, по состоянию на 2018 год, лучшее из того, что мы придумали, «каким правилам он следует», включает в себя 4 силы. У лучших завтрашнего дня может быть 5, или 15, или 1, или вообще не быть понятия о «фундаментальных силах», а завтрашний день может снова быть другим.

И именно поэтому мы говорим, что существует 4 фундаментальные силы. Не потому, что они есть, а потому, что наша текущая лучшая догадка о том, «каким правилам он следует», — это набор правил, основанный на концепции квантовых полей/взаимодействий/сил, и включающий 4 из них. Мы тщательно проверяем его всевозможными способами, и кажется, что он действительно отражает правила, которым следует Вселенная. Завтра новые наблюдения и новые догадки - кто может сказать?

Нет теорий, которые могли бы предсказать количество фундаментальных взаимодействий в Природе, и их никогда не будет. Во все времена физика доминировала в областях больших энергетических масштабов. Во времена Древней Греции или, возможно, даже раньше, естествоиспытатели поняли, что такое Гравитация, Электричество и Магнетизм, поскольку их эффекты заметны на тех масштабах энергии, которые мы, люди, можем испытывать через органы чувств. Пытаясь глубже изучить структуру материи (более низкие пространственные масштабы = более высокие энергетические масштабы), физики поняли, что есть еще два типа взаимодействий, которые мы не можем заметить в повседневном опыте, такие как падение с велосипеда или коврика с пальто или игра с магнитами. .

Может быть, копнув глубже, мы могли бы найти другой тип взаимодействия, а может и нет, так что ответ на этот вопрос немного излишен. Я видел другие ответы, такие как «почему нам нужно больше» и т. д. Если мы просто придерживаемся этой идеи, то мы ленивы и с огромным отсутствием энтузиазма, поскольку физика на протяжении многих лет обновлялась в соответствии с нашими подходами. законы Природы.