Существуют ли еще «повседневные» явления, не объясняемые физикой? [закрыто]

Большая тайна

Вот загадка, которая остается малопонятной, хотя было много попыток ее объяснить:

Почему объем — способность материи заполнять исключительно пространство — зависит от того, как вращаются частицы?

Под громкостью я подразумеваю, например, тот факт, что вы можете стучать по столу кулаком, и ваш кулак останавливается у стола. Дело в вашем столе и ваш кулак не позволяют друг другу занимать одно и то же место. Без объема Вселенная была бы очень скучным местом. Это потому, что вместо планет, солнц и туманностей у нас были бы черные дыры, черные дыры и черные дыры. Кроме того, те же функции, которые обеспечивают объем, также обеспечивают невероятное богатство и разнообразие комбинаций, называемых химией. Таким образом, без физики объема мы бы не обсуждали эту тему в первую очередь.

Для каждого тома, поверните, поверните, поверните

Однако существование объема довольно сильно зависит от того, как вращаются некоторые частицы. Это та простая связь с вращением, которая остается загадочной и до сих пор пахнет чем-то важным, что упускается из виду, каким-то озарением, которое, если оно наконец будет найдено, заставит всех воскликнуть: «Ах! Так вот что на самом деле происходит!» Но это простое понимание по-прежнему отсутствует, даже несмотря на то, что такие люди, как лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман , время от времени работали над этой проблемой в течение десятилетий без каких-либо заметных успехов.

Прежде всего, я должен подчеркнуть, что принцип работы громкости очень хорошо понятен.

Эксклюзивный клуб

Он создается так называемым принципом запрета Паули , который ведет себя как чрезвычайно мощная сила отталкивания, которая вступает в силу только тогда, когда идентичные частицы определенного типа, называемые фермионами , плотно прижимаются друг к другу. Фермионы — это то, что мы обычно считаем материей ., и у них есть «адресное пространство» с тремя частями: местоположение, импульс и ориентация вращения (представьте себе ось вращающегося земного шара). Пока все частицы остаются уникальными хотя бы в одной части этого адресного пространства, фермионы счастливы, то есть их энергия остается довольно низкой. Вся геометрия и механизмы связи в химии возникают непосредственно из довольно сложного взаимодействия ядра, которое притягивает набор электронов, и всех этих электронов, настаивающих на том, чтобы иметь свои собственные уникальные трехкомпонентные адреса.

Но это известная часть. Труднообъяснимая часть заключается в том, почему исключение Паули экспериментально связано с очень специфическим типом вращения частиц.

Как и многие величины в квантовой механике, вращение очень маленького объекта начинает фиксироваться на дискретных значениях, основанных на их угловом моменте. Понимая, что это квантование должно происходить для углового момента, физики определили наименьшую единицу углового момента как спин 1 . Поначалу никто особо об этом не задумывался, поскольку вращение казалось еще одной «особенностью», которую необходимо отслеживать, когда речь идет об атомах и частицах.

История о двух типах частиц

Это предположение оказалось в корне неверным. Впоследствии из экспериментальных данных стало понятно, что вся Вселенная, по-видимому, распадается на два основных класса частиц, и что эти два класса полностью основаны на том, как они вращаются. Первая группа — это фермионы, о которых я уже говорил; это те, у которых есть исключение Паули и, следовательно, объем.

Вторая группа называется бозонами . Бозоны имеют спины, которые являются простыми целыми числами, кратными наименьшей очевидной единице квантованного спина, спину 1 . Но эти элементарные частицы не имеют объема! Им не только все равно, если у них один и тот же адрес, но бывают случаи, когда они предпочитают иметь один и тот же адрес. Вот что такое лазер: множество частиц света со спином 1 , которые решили соединиться вместе, и все они одновременно занимают одно и то же место, импульс и адрес вращения. Фундаментальные бозоны — это то, о чем мы обычно думаем как о некоторой форме энергии.

Но если бозоны имеют вращение, просто кратное наименьшей возможной единице вращения, спину 1 , то какое вращение может быть у фермионов, которое отличается? Где они подходят?

Звук вращения половины веревки

Это первая действительно странная особенность объема: он основан на частицах, вращение которых смещено ровно на$\frac{1}{2}$единица от значений вращения бозона и, таким образом, помещаются «между» целочисленными значениями спина бозонов. Так, например, основные электроны и более сложные протоны и нейтроны материи имеют спин$\frac{1}{2}$, и так все занимают место.

Если все это звучит странно, так оно и есть. Фермионное смещение «спина$\frac{1}{2}$был совершенно неожиданным для теоретиков. Он был сначала источником веселья, а затем недоумения, когда эксперименты впервые заставили теоретика рассмотреть его существование. Для теоретика того времени (или сейчас!), пытающегося интерпретировать визуальное значение «одной половины» уже наименьшего возможного вращения 1 было похоже на попытку визуализировать половину петли скакалки.В конце концов, в скакалке у вас может быть одна петля, или две, или даже больше с опытными вертушками скакалки - но меньше чем одна петля?Что это вообще значит ?

Так насколько загадочна эта половина единицы вращения?

Сначала неохотно, он взял это на себя

Что ж, Вольфганг Паули был одним из самых блестящих (и резких) членов очень элитного клуба физиков, которые в середине 1920-х разработали основы современной квантовой механики. Паули сначала отверг даже идею о том , что точечные электроны могут вращаться, и, вероятно, стоил Ральфу Кронигу Нобелевской премии из-за этого. Паули так сурово наказывает Кронига только за то, что он выдвинул эту идею, что Крониг после этого категорически возражал против своей собственной идеи! С другой стороны, Паули впоследствии не только раскаялся в своей первоначальной точке зрения, но и разработал математическую модель спина.$\frac{1}{2}$которым пользуются по сей день. Модель называется спиновыми матрицами Паули .

Но даже такой близкий к проблеме вращения человек, как Паули, практически отказался от какого-либо традиционного объяснения этого явления. Вместо этого он объявил спин частицы « абстрактным свойством » (стр. 3, строка 9 снизу), не имеющим особого отношения к обычному вращению. Однако, поскольку квантовый спин — это всего лишь квантованная версия обычного вращения, он неизбежно тесно связан с ним. Таким образом, более точным переводом слова «абстрактный» в этом конкретном контексте может быть: «Математика прекрасно работает, поэтому, пожалуйста, просто используйте ее и перестаньте спрашивать меня, что она означает!»

Таким образом, материя (которая в основном любит оставаться на месте, имеет объем и сопротивляется сжатию) состоит из фермионов, все вращения которых имеют нечетный спин.$\frac{1}{2}$смещения в их вращении, в то время как энергия (которая чаще всего буквально такая же текучая и эфемерная, как свет и звук, и которая может быть сжата или сфокусирована почти без ограничений в небольшой объем) построена из бозонов, все вращения которых кратны спину 1 .

Ложь, наглая ложь и статистика вращения

Теорема о спиновой статистике — это формальное название всего этого, утверждающее, что частицы со спином$\frac{1}{2}$подлежат исключению Паули («объемному»), в то время как частицы с простым целым спином (или нулевым спином) ему не подчиняются. Эта теорема представляет собой в первую очередь сводку экспериментальных данных; это не какой-то математический результат, на основе которого были предсказаны фермионы и бозоны на основе первых принципов.

И поэтому связь между объемом — сопротивлением частиц материи сжатию — и спином$\frac{1}{2}$Смещение фермионов остается скорее загадкой, чем хорошо понятным принципом физики. Придуманные для этого доказательства остаются неубедительными даже для специалистов. Например, оценка теории спиновой статистики 1998 года, проведенная Яном Даком и ЭКГ Сударшаном, дает подробное изложение стратегий, которые теоретики использовали в попытке доказать теорему о спиновой статистике, но завершается этой последней строкой:

«Наконец мы вынуждены заключить, что, хотя теорема о спиновой статистике просто сформулирована, ее ни в коем случае нельзя просто понять или просто доказать».

Два примера таких доказательств включают очень раннее (и до сих пор убедительное) [доказательство Джулиана Швингера и гораздо более позднюю теорию 2003 года Пола О'Хара .

Невидимые руки, но не типа Адама Смита

Одна из причин, по которой я не нахожу ни одно из этих доказательств особенно убедительным, заключается в следующем: если бы создавшие их теоретики не знали заранее, куда именно им нужно идти, маловероятно, что им когда-либо удалось бы добраться до места назначения. Эта ситуация резко контрастирует с уравнением Дирака Поля Дирака , которое остается золотым стандартом для экспериментально предсказывающей теоретической математики. Как только он это придумал, уравнение Дирака в значительной степени заставило Дирака брыкаться и кричать, чтобы признать, что должна существовать целая вторая вселенная античастиц , являющихся зеркальным отражением обычных частиц.

Вывод

Таким образом, хотя различные методы, используемые для доказательства теоремы о спиновой статистике, вполне могут быть правильными, они больше напоминают человека, прокладывающего окольный путь через дремучий лес, чтобы, наконец, добраться до яркого света, который он всегда мог видеть на расстоянии. Кажется вполне вероятным, что главная дорога, легкий путь, который точно покажет вам, где находится пункт назначения, еще не открыта. Действительно простое объяснение того, почему спин$\frac{1}{2}$смещения ведут к исключению Паули, и к его простому, повседневному следствию, что два объекта не могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время , еще предстоит найти.

Поток жидкости, такой как воздух, является чем-то очень распространенным явлением. Это то, что обеспечивает подъемную силу и лобовое сопротивление самолетов. Вы можете почувствовать его действие, если высунете руку из окна движущегося автомобиля. Однако мы еще не все знаем о состоянии потока жидкости, называемом турбулентностью, и о том, как к нему переходит ламинарное течение.

Хотя основные уравнения течения сплошной жидкости хорошо известны (уравнения Навье-Стокса), теоретическое понимание их решений является неполным. Уравнения Навье-Стокса можно решить напрямую с помощью численных методов, однако это требует очень много времени и нецелесообразно при больших числах Рейнольдса из-за широкого диапазона масштабов.

Большинство инженерных кодов CFD вместо этого решают уравнения RANS, которые требуют модели турбулентности для представления напряжения Рейнольдса. Насколько я знаю, не существует модели турбулентности, которая бы точно моделировала поток во всех ситуациях. (особенно для отрывных потоков)

Турбулентность — это физическое явление, которое большинство людей видят ежедневно, даже если они не подозревают об этом. Вы можете увидеть это в воде, вытекающей из крана, в облаках, в перемешивании сливок в кофе и т. д., но теоретическое понимание и моделирование турбулентности далеко от завершения.

Сознание еще предстоит объяснить физике. Возникновение свободы воли (явной или нет) еще предстоит объяснить физике.

Короче говоря, повседневное явление, именуемое «жизнью», еще предстоит объяснить физике.

Шаровая молния.

Шаровая молния, конечно, чрезвычайно редка, но в отличие, скажем, от темной материи, с шаровой молнией можно столкнуться в повседневной жизни.

Насколько я понимаю, в случае с шаровой молнией даже неизвестно, могут ли наши текущие законы физики объяснить это.

Высококритическая температурная сверхпроводимость — это необъяснимое физическое явление, которое вот-вот станет «повседневной» жизнью. Сверхпроводимость вообще использовалась в медицинских целях, таких как магнитоэнцефалография, в течение нескольких лет. В последнее время появились экспериментальные реализации магнитоэнцефалографии с высококритическими температурными сверхпроводниками ( препринт опубликованной статьи ).

Высококритическая температурная сверхпроводимость есть и в ближайшем будущем общественного транспорта с использованием магнитной левитации. Несмотря на то, что первые такие поезда основаны на обычной сверхпроводимости, которая хорошо изучена, уже существуют небольшие прототипы , использующие нетрадиционные сверхпроводники.

Здесь следует сделать замечание о квантовой механике в целом. Сверхпроводимость — макроскопически наблюдаемое квантовое явление. Его квантово-механическое описание позволяет нам предсказывать свойства материалов и впоследствии придумывать технологические приложения. Это, однако, не означает, что сама квантовая механика (или любая физическая теория, если уж на то пошло) устанавливается вне всяких сомнений как правильная теория. Это просто самая последовательная микроскопическая теория, которая у нас есть на сегодняшний день. Таким образом, степень нашего понимания квантово-механических явлений ограничена неотъемлемыми предположениями квантовой механики (например, принцип Паули, как обсуждалось в ответе Терри Боллинджера).

Краткий ответ - нет . Немного более длинный ответ — нет, но More is Different .

Нет, физика объясняет все повседневные явления

Существует по крайней мере одна интерпретация, в которой утверждения Майкельсона были бы действительно правильными, когда он их говорил, и были бы правильными сегодня. Это интерпретация, данная Шоном Кэрроллом (спасибо @Michael Brown за ссылку). Теория относительности и квантовая механика сильно изменили наш взгляд на мир, но законы физики, которые знал Майкельсон, по-прежнему верны в соответствующих режимах. По сравнению с его повседневным опытом теория относительности и квантовая механика — «всего лишь» поправки в «шестом десятичном знаке».

Исторически специальная теория относительности была необходима из-за отрицательного результата эксперимента Майкельсона-Морли. Этот отрицательный результат имел смысл только потому, что Майкельсон мог измерить скорость света намного точнее, чем кто-либо другой в мире в то время. Его эксперименты пытались измерить изменения скорости света; никто другой не смог бы измерить изменение скорости света, вызванное движением Земли. Он описывает в моем экземпляре « Исследований по оптике»что движение Земли по своей орбите, согласно теории эфира, изменит измеренную скорость света на одну десятитысячную часть; он не видел изменений на одну часть из 400 000. Я хочу сказать, что вся новая физика, открытая со времен Майкельсона, укладывается в области, которые мы не могли исследовать до Майкельсона.

Хорошим современным примером является постоянная тонкой структуры $\alpha$.$\alpha$известна одна часть в$3.2\times 10^{10}$. Когда мы откроем новую физику, она будет согласовываться с современной физикой в ​​первых девяти цифрах числа.$\alpha$. Если это не так, то это неправильно. Любая физика, которая еще не известна, должна умещаться в пределах 10-й цифры$\alpha$и не только.

Но больше отличается!

Вот почему можно сказать, что физика «объясняет» все повседневные явления. Но сказать, что физика все объясняет и что мы понимаем физику, не означает, что мы понимаем все повседневные явления. Я могу привести два хороших примера.

Сворачивание белковимеет косвенное отношение к моей работе. Белки представляют собой группу аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в цепочку, возможно, с некоторым разветвлением. Аминокислоты, в свою очередь, представляют собой группу атомов, ковалентно связанных друг с другом. Физика объясняет ковалентные связи: существует электростатическое взаимодействие, а квантовая механика говорит нам, какие типы связей допустимы при данном конкретном взаимодействии. Кроме того, каждая аминокислота в цепи имеет суммарный заряд, зависящий от рН окружающей среды. То, как белковая цепь предпочитает сворачиваться, является проблемой термодинамики. Все эти электростатические взаимодействия внутри цепи, между цепями и между цепью и ее окружением в сумме дают общую энергию конкретной конфигурации. Но разные конфигурации также имеют разные энтропии. Таким образом, свертывание белка полностью описывается физикой как конкуренция между энтропией каждой возможной конфигурации и энергией этой конфигурации. Но знание физики того, как это работает, далеко от способности предсказать, как это должно произойти и когда это выйдет из строя.

Это считается повседневным явлением, потому что считается, что неправильно свернутые белки являются по крайней мере промежуточной причиной нескольких заболеваний человека (в первую очередь болезни Альцгеймера), а также потому, что приготовление пищи разворачивает («денатурирует») белки в пище.

Другой пример, который я бы привел, — это сознание. Опять же, мы понимаем, что человеческий мозг материально состоит из клеток, которые взаимодействуют друг с другом с помощью электрических импульсов. Но мы далеки от понимания того, как эта физика порождает биологические явления.

Я бы сказал, что эти примеры являются физикой, по крайней мере, в одном важном смысле. Мы несколько произвольно проводим границы между физикой, химией и биологией. Но мы знаем, что все они должны быть согласованы друг с другом. Химия описывает то, что биология считает само собой разумеющимся, а физика описывает то, что химия считает само собой разумеющимся. Один из основных моментов статьи More is Different заключается в том, что в определенный момент гораздо полезнее и продуктивнее перестать беспокоиться о физике, просто подумать о химии или биологии и попытаться описать их на их собственном языке. .

Это зависит от того, что именно вы считаете «повседневным»… например, я работаю с солнечными физиками, и некоторые из них пытаются понять солнце, чтобы они могли предсказать, когда оно вызовет КВМ или вспышки, и что вызывает изменения активности в течение солнечного цикла. Однако Солнце не запускает CME каждый день.

Если вы хотите составить список, я бы предложил просмотреть различные «десятилетние опросы» Национального исследовательского совета (США) по каждой дисциплине. (например, для гелиофизики ), которая включает информацию о том, какой тип исследования должен быть приоритетным для финансирования ... и это в основном исходит из того, на какие вопросы сообщество все еще пытается ответить. Также см. различные технические документы, которые были взяты в качестве входных данных (например, снова по гелиофизике ), так как это расширит сеть.

... и это только те вопросы, которые у нас есть прямо сейчас. По мере того, как мы совершаем новые крупные прорывы (например, в квантовой физике), у нас появляются новые взгляды на мир, которые показывают, что существует ряд процессов, которые мы раньше никогда не рассматривали.

Сонолюминесценция интересна.

Критически настроенный наблюдатель мог бы сказать, что мы даже не понимаем строго движения падающего объекта (да и вообще любого классического движения). Действительно, классическая механика построена на «принципе наименьшего действия». На самом деле этот принцип имеет довольно неточное название. Более подходящим названием было бы «Принцип экстремального действия». В самом деле, уравнения Эйлера-Лагранжа следуют из условия, что вариация действия как следствие вариации пути обращается в нуль, или, другими словами: действительный путь, «избранный» природой, делает действие экстремальным.

Таким образом, природа не выбирает путь, который сводит к минимуму действие (мы могли бы это понять), а выбирает путь, который либо сводит к минимуму, либо максимизирует действие. Это звучит невероятно: природа выбирает путь, который максимизирует действие? Почему? Мы не знаем... А ведь на этом построена вся теория классической механики. Очевидно, что классическая механика работает и все в порядке, но мы не понимаем, почему она работает именно так. Не совсем. Я лично нашел это невероятным, когда мой профессор рассказал мне об этом.

Любая проблема с взаимодействием нескольких тел на самом деле не была объяснена. Под этим я подразумеваю все, что не может быть объяснено как идеальный газ, идеальное возбуждение (например, фотон, фонон) или имеет четко определенную периодичность (поэтому оно линейно в частотном пространстве).

Это в значительной степени включает в себя большинство жидких/стекловидных состояний, турбулентность, землетрясения, возникновение порядка из лежащего в основе беспорядка (паттерны ветра, полосы на зебре),...., жизнь.

Нам известны многие свойства этих систем, т. е. хаотическое поведение, возникающие макроскопические паттерны и тому подобное, но мы даже близко не подошли к какому-либо объяснению. Я думаю, что многое еще нужно «понять», прежде чем это можно будет вычислить.

РИМАНОВСКИЕ НУЛИ и КВАНТОВЫЙ ХАОС :) сходство между этими двумя очевидными явлениями: теория чисел и физика до сих пор остаются необъясненными