Lista de problemas sin resolver en física

La siguiente es una lista de problemas notables sin resolver agrupados en áreas amplias de la física . ^[1]

Algunos de los principales problemas sin resolver en física son teóricos, es decir, las teorías existentes parecen incapaces de explicar un determinado fenómeno observado o resultado experimental. Los demás son experimentales, es decir, existe una dificultad para crear un experimento para poner a prueba una teoría propuesta o investigar un fenómeno con mayor detalle.

Todavía quedan algunas preguntas más allá del Modelo Estándar de la física , como el problema CP fuerte , la masa de los neutrinos , la asimetría materia-antimateria y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura . ^{[2] [3]} Otro problema radica en el marco matemático del propio Modelo Estándar : el Modelo Estándar es inconsistente con el de la relatividad general , hasta el punto de que una o ambas teorías se rompen bajo ciertas condiciones (por ejemplo, dentro de singularidades espacio-temporales conocidas como el Big Bang y los centros de los agujeros negros más allá del horizonte de eventos ). ^[4]

Física general

• Teoría del todo : ¿Existe un marco teórico de física único, integral y coherente que explique y conecte plenamente todos los aspectos físicos del universo ?
• Constantes físicas adimensionales : En la actualidad, los valores de varias constantes físicas adimensionales no se pueden calcular; solo se pueden determinar mediante medición física. ^{[5] [6]} ¿Cuál es el número mínimo de constantes físicas adimensionales a partir del cual se pueden derivar todas las demás constantes físicas adimensionales? ¿Son necesarias las constantes físicas dimensionales?

Gravedad cuántica

• Gravedad cuántica : ¿Pueden la mecánica cuántica y la relatividad general ser realizadas como una teoría completamente consistente (quizás como una teoría cuántica de campos )? ^{[7] ¿} El espacio-tiempo es fundamentalmente continuo o discreto? ¿Una teoría consistente implicaría una fuerza mediada por un gravitón hipotético , o sería un producto de una estructura discreta del propio espacio-tiempo (como en la gravedad cuántica de bucles )? ¿Hay desviaciones de las predicciones de la relatividad general a escalas muy pequeñas o muy grandes o en otras circunstancias extremas que surgen de un mecanismo de gravedad cuántica?
• Agujeros negros , paradoja de la información de los agujeros negros y radiación de los agujeros negros : ¿Los agujeros negros producen radiación térmica, como se espera en términos teóricos? ^[8] ¿Esta radiación contiene información sobre su estructura interna, como sugiere la dualidad gauge-gravedad , o no, como implica el cálculo original de Hawking ? Si no es así, y los agujeros negros pueden evaporarse, ¿qué sucede con la información almacenada en ellos (ya que la mecánica cuántica no prevé la destrucción de la información)? ¿O la radiación se detiene en algún punto, dejando restos de agujeros negros? ¿Hay otra forma de investigar su estructura interna de alguna manera, si es que tal estructura existe ?
• La hipótesis de la censura cósmica y la conjetura de protección de la cronología : ¿pueden surgir singularidades no ocultas tras un horizonte de sucesos, conocidas como " singularidades desnudas ", a partir de condiciones iniciales realistas, o es posible probar alguna versión de la "hipótesis de la censura cósmica" de Roger Penrose que propone que esto es imposible? ^[9] De manera similar, ¿las curvas temporales cerradas que surgen en algunas soluciones a las ecuaciones de la relatividad general (y que implican la posibilidad de viajar en el tiempo hacia atrás ) serán descartadas por una teoría de la gravedad cuántica que une la relatividad general con la mecánica cuántica, como lo sugiere la "conjetura de protección de la cronología" de Stephen Hawking ?
• Principio holográfico : ¿Es cierto que la gravedad cuántica admite una descripción de dimensiones inferiores que no contiene gravedad? Un ejemplo bien entendido de holografía es la correspondencia AdS/CFT en la teoría de cuerdas . De manera similar, ¿se puede entender la gravedad cuántica en un espacio de De Sitter utilizando la correspondencia dS/CFT ? ¿Se puede generalizar ampliamente la correspondencia AdS/CFT a la dualidad de gravedad de calibre para fondos espaciotemporales asintóticos arbitrarios? ¿Existen otras teorías de la gravedad cuántica además de la teoría de cuerdas que admitan una descripción holográfica?
• Espacio-tiempo cuántico o la emergencia del espacio-tiempo: ¿La naturaleza del espacio-tiempo en la escala de Planck es muy diferente del espacio-tiempo dinámico clásico continuo que existe en la relatividad general? En la gravedad cuántica de bucles, se postula que el espacio-tiempo es discreto desde el principio. En la teoría de cuerdas, aunque originalmente el espacio-tiempo se consideraba igual que en la relatividad general (con la única diferencia de ser la supersimetría ), investigaciones recientes basadas en la conjetura de Ryu-Takayanagi han enseñado que el espacio-tiempo en la teoría de cuerdas es emergente mediante el uso de conceptos teóricos de la información cuántica como la entropía de entrelazamiento en la correspondencia AdS/CFT. ^[10] Sin embargo, aún no se entiende bien cómo surge exactamente el espacio-tiempo clásico familiar dentro de la teoría de cuerdas o la correspondencia AdS/CFT.
• Problema del tiempo : En mecánica cuántica, el tiempo es un parámetro de fondo clásico y su flujo es universal y absoluto. En la relatividad general, el tiempo es un componente del espacio-tiempo de cuatro dimensiones y su flujo cambia en función de la curvatura del espacio-tiempo y de la trayectoria del observador en el espacio-tiempo. ¿Cómo se pueden conciliar estos dos conceptos de tiempo? ^[11]

Física cuántica

• Teoría de Yang-Mills : Dado un grupo de calibración compacto arbitrario , ¿existe una teoría de Yang-Mills cuántica no trivial con una brecha de masa finita ? (Este problema también figura como uno de los problemas del Premio del Milenio en matemáticas). ^[12]
• Teoría cuántica de campos (esta es una generalización del problema anterior): ¿Es posible construir, de forma matemáticamente rigurosa, una teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo de 4 dimensiones que incluya interacciones y no recurra a métodos perturbativos ?

Cosmología y relatividad general

• Eje del mal : Algunas grandes características del cielo de microondas a distancias de más de 13 mil millones de años luz parecen estar alineadas tanto con el movimiento como con la orientación del sistema solar. ¿Se debe esto a errores sistemáticos en el procesamiento, a la contaminación de los resultados por efectos locales, a una violación inexplicable del principio copernicano y, por lo tanto, del modelo de concordancia , o son simplemente estas características estadísticamente insignificantes?
• Universo finamente ajustado : Los valores de las constantes físicas fundamentales están en un rango estrecho necesario para sustentar la vida basada en el carbono. ^{[13] [14] [15]} ¿Esto se debe a que existe una cantidad infinita de otros universos con constantes diferentes, o las constantes de nuestro universo son el resultado del azar, del diseño inteligente (por un ser personal como el " Dios " del teísta ), o de algún otro factor o proceso? (Véase también el principio antrópico .)
• Inflación cósmica : ¿Es correcta la teoría de la inflación cósmica en el universo primitivo y, de ser así, cuáles son los detalles de esta época? ¿Cuál es el hipotético campo escalar inflatonal que dio origen a esta inflación cósmica? Si la inflación ocurrió en un momento dado, ¿se sustenta por sí misma a través de la inflación de fluctuaciones de la mecánica cuántica y, por lo tanto, continúa en algún lugar extremadamente distante? ^[16]
• Problema del horizonte : ¿Por qué el universo distante es tan homogéneo cuando la teoría del Big Bang parece predecir anisotropías medibles del cielo nocturno mayores que las observadas? La inflación cosmológica se acepta generalmente como la solución, pero ¿son más apropiadas otras explicaciones posibles, como una velocidad variable de la luz ? ^[17]
• Origen y futuro del universo : ¿Cómo surgieron las condiciones para que existiera algo? ¿Se dirige el universo hacia una gran congelación , una gran ruptura , una gran contracción o un gran rebote ?
• Tamaño del universo : El diámetro del universo observable es de aproximadamente 93 mil millones de años luz, pero ¿cuál es el tamaño de todo el universo? ¿Es infinito el universo?
• Asimetría bariónica : ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable ? (Esto puede resolverse debido a la aparente asimetría en las oscilaciones neutrino-antineutrino). ^[18]
• Principio cosmológico : ¿Es el universo homogéneo e isótropo a escalas suficientemente grandes, como afirma el principio cosmológico y asumen todos los modelos que utilizan la métrica de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker , incluida la versión actual del modelo ΛCDM , o es el universo no homogéneo o anisotrópico? ^{[19] ¿El} dipolo CMB es puramente cinemático, o indica anisotropía del universo, lo que resulta en la ruptura de la métrica FLRW y el principio cosmológico? ^[19] ¿Es la tensión de Hubble evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^[19] Incluso si el principio cosmológico es correcto, ¿es la métrica de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker la métrica correcta para usar para nuestro universo? ^{[20] [19]} ¿Las observaciones generalmente se interpretan como la expansión acelerada del universo correctamente interpretadas, o son en cambio evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^{[21] [22]}
• Principio copernicano : ¿Son las observaciones cosmológicas realizadas desde la Tierra representativas de las observaciones realizadas desde la posición promedio en el universo?
• Problema de la constante cosmológica : ¿Por qué la energía del punto cero del vacío no causa una constante cosmológica grande ? ¿Qué la anula? ^{[23] [24] [a]}

Distribución estimada de materia oscura y energía oscura en el universo

• Materia oscura : ¿Cuál es la identidad de la materia oscura? ^[17] ¿Es una partícula ? Si es así, ¿es un WIMP , un axión , la supercompañera más ligera (LSP) o alguna otra partícula? O, ¿los fenómenos atribuidos a la materia oscura no apuntan a alguna forma de materia sino en realidad a una extensión de la gravedad ?
• Energía oscura : ¿Cuál es la causa de la expansión acelerada observada del universo (la fase de Sitter )? ¿Las observaciones se interpretan correctamente como la expansión acelerada del universo , o son evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^{[21] [22]} ¿Por qué la densidad de energía del componente de energía oscura es de la misma magnitud que la densidad de la materia en la actualidad cuando las dos evolucionan de manera bastante diferente con el tiempo? ¿Podría ser simplemente que estemos observando exactamente en el momento adecuado ? ¿La energía oscura es una constante cosmológica pura o son aplicables los modelos de quintaesencia como la energía fantasma ?
• Flujo oscuro : ¿Es una atracción gravitacional no esféricamente simétrica proveniente del exterior del universo observable responsable de parte del movimiento observado de objetos grandes como los cúmulos galácticos en el universo?
• Forma del universo : ¿Cuál es la variedad 3 del espacio comóvil , es decir, de una sección espacial comóvil del universo, informalmente llamada la "forma" del universo? Ni la curvatura ni la topología se conocen actualmente, aunque se sabe que la curvatura es "próxima" a cero en escalas observables. La hipótesis de la inflación cósmica sugiere que la forma del universo puede ser inmensurable, pero, desde 2003, Jean-Pierre Luminet , et al., y otros grupos han sugerido que la forma del universo puede ser el espacio dodecaédrico de Poincaré . ¿Es la forma inmensurable; el espacio de Poincaré; u otra variedad 3?
• Dimensiones extra : ¿Tiene la naturaleza más de cuatro dimensiones espacio-temporales ? Si es así, ¿cuál es su tamaño? ¿Son las dimensiones una propiedad fundamental del universo o un resultado emergente de otras leyes físicas? ¿Podemos observar experimentalmente evidencia de dimensiones espaciales más altas?

Física de partículas y de alta energía

• Problema de jerarquía : ¿Por qué la gravedad es una fuerza tan débil? Se vuelve fuerte para las partículas solo en la escala de Planck , alrededor de 10¹⁹  GeV , muy por encima de la escala electrodébil (100 GeV, la escala de energía que domina la física a bajas energías); ¿por qué estas escalas son tan diferentes entre sí? ¿Qué impide que las cantidades en la escala electrodébil, como la masa del bosón de Higgs , obtengan correcciones cuánticas del orden de la escala de Planck? ¿La solución es supersimetría , dimensiones adicionales o simplemente un ajuste fino antrópico ?
• Monopolos magnéticos : ¿existieron partículas que portaban "carga magnética" en alguna época pasada de mayor energía? Si es así, ¿quedan algunas en la actualidad? ( Paul Dirac demostró que la existencia de algunos tipos de monopolos magnéticos explicaría la cuantificación de la carga .) ^[25]
• El rompecabezas de la vida útil de los neutrones : si bien la vida útil de los neutrones se ha estudiado durante décadas, actualmente existe una falta de consenso sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados de los dos métodos experimentales ("botella" versus "haz"). ^{[26] [b]}
• Desintegración del protón y crisis de espín : ¿el protón es fundamentalmente estable? ¿O se desintegra con un tiempo de vida finito, como predicen algunas extensiones del modelo estándar? ^[27] ¿Cómo transmiten los quarks y los gluones el espín de los protones? ^[28]
• Gran Unificación: ¿Son las fuerzas electromagnéticas y nucleares aspectos diferentes de una teoría de gran unificación ? Si es así, ¿qué simetría rige esta fuerza y ​​sus comportamientos? ^[29]
• Supersimetría : ¿La supersimetría del espacio-tiempo se realiza a escala TeV ? Si es así, ¿cuál es el mecanismo de ruptura de la supersimetría? ¿La supersimetría estabiliza la escala electrodébil, impidiendo correcciones cuánticas elevadas? ¿La partícula supersimétrica más ligera ( LSP ) comprende materia oscura ?
• Confinamiento de color : La conjetura de confinamiento de color de la cromodinámica cuántica (QCD) es que las partículas cargadas de color (como los quarks y los gluones) no pueden separarse de su hadrón padre sin producir nuevos hadrones. ^[30] ¿Es posible proporcionar una prueba analítica del confinamiento de color en cualquier teoría de calibre no abeliana ?

El confinamiento de color es el fenómeno observado según el cual las partículas coloreadas (quarks y gluones) no pueden aislarse y siempre están ligadas a grupos de color neutro (a bajas energías). Estos estados ligados se denominan generalmente hadrones.

• El vacío de la QCD : muchas de las ecuaciones de la QCD no perturbativa no están resueltas en la actualidad. Estas energías son las energías suficientes para la formación y descripción de los núcleos atómicos . ¿Cómo es posible que la QCD de baja energía/no perturbativa dé lugar a la formación de núcleos complejos y constituyentes nucleares? ^{[ cita requerida ]}
• Generaciones de materia : ¿Por qué hay tres generaciones de quarks y leptones ? ¿Existe una teoría que pueda explicar las masas de quarks y leptones particulares en generaciones particulares a partir de los primeros principios (una teoría de acoplamientos de Yukawa )? ^[31]
• Masa de los neutrinos : ¿Cuál es la masa de los neutrinos, independientemente de si siguen la estadística de Dirac o la de Majorana ? ¿La jerarquía de masas es normal o invertida? ¿La fase de violación de CP es igual a 0? ^{[32] [33]}
• Anomalía de antineutrinos en reactores: existe una anomalía en el conjunto de datos existentes sobre el flujo de antineutrinos de los reactores nucleares de todo el mundo. Los valores medidos de este flujo parecen ser solo el 94% del valor esperado según la teoría. ^[34] Se desconoce si esto se debe a una física desconocida (como los neutrinos estériles ), un error experimental en las mediciones o errores en los cálculos teóricos del flujo. ^[35]
• Problema CP fuerte y axiones : ¿Por qué la interacción nuclear fuerte es invariante a la paridad y la conjugación de carga ? ¿Es la teoría de Peccei-Quinn la solución a este problema? ¿Podrían ser los axiones el componente principal de la materia oscura ?
• Momento dipolar magnético anómalo : ¿Por qué el valor medido experimentalmente del momento dipolar magnético anómalo del muón ("muón g − 2 ") es significativamente diferente del valor predicho teóricamente de esa constante física? ^[36]
• Rompecabezas del radio del protón : ¿Cuál es el radio de carga eléctrica del protón? ¿En qué se diferencia de la carga gluónica?
• Pentaquarks y otros hadrones exóticos : ¿Qué combinaciones de quarks son posibles? ¿Por qué fue tan difícil descubrir los pentaquarks? ^[37] ¿Son un sistema fuertemente ligado de cinco partículas elementales o un emparejamiento más débil de un barión y un mesón ? ^[38]
• Problema Mu : Un problema en las teorías supersimétricas , relacionado con la comprensión de las razones de los valores de los parámetros de la teoría.
• Fórmula de Koide : Un aspecto del problema de las generaciones de partículas . La suma de las masas de los tres leptones cargados , dividida por el cuadrado de la suma de las raíces de estas masas, con una desviación estándar de las observaciones, es Q = 2 ⁄ 3 . Se desconoce cómo surge un valor tan simple y por qué es la media aritmética exacta de los posibles valores extremos de ⁠ 1 /3⁠ (masas iguales) y 1 (una masa domina).
• Materia extraña : ¿Existe la materia extraña? ¿Es estable? ¿Pueden formarse estrellas extrañas ? ¿La materia extraña es estable a presión cero (es decir, en el vacío)?
• Bolas de pegamento : ¿Existen en la naturaleza?
• La anomalía del galio : las mediciones de la tasa de captura de corriente cargada de neutrinos en Ga de fuentes radiactivas fuertes han arrojado resultados por debajo de los esperados, basados ​​en la fuerza conocida de la transición principal complementada con la teoría. ^[39]

Astronomía y astrofísica

• Ciclo solar : ¿Cómo genera el Sol su campo magnético de gran escala que se invierte periódicamente? ¿Cómo generan sus campos magnéticos otras estrellas similares al Sol y cuáles son las similitudes y diferencias entre los ciclos de actividad estelar y el del Sol? ^[40] ¿Qué causó el mínimo de Maunder y otros grandes mínimos, y cómo se recupera el ciclo solar de un estado de mínimos?
• Problema del calentamiento de la corona : ¿por qué la corona (capa atmosférica) del Sol es mucho más caliente que la superficie del Sol? ¿Por qué el efecto de reconexión magnética es muchos órdenes de magnitud más rápido de lo que predicen los modelos estándar?
• Chorro astrofísico : ¿Por qué sólo ciertos discos de acreción que rodean a ciertos objetos astronómicos emiten chorros relativistas a lo largo de sus ejes polares? ¿Por qué hay oscilaciones cuasi periódicas en muchos discos de acreción? ^[41] ¿Por qué el período de estas oscilaciones varía en proporción inversa a la masa del objeto central? ^[42] ¿Por qué a veces hay armónicos y por qué estos aparecen en diferentes proporciones de frecuencia en diferentes objetos? ^[43]
• Bandas interestelares difusas : ¿A qué se deben las numerosas líneas de absorción interestelar detectadas en los espectros astronómicos? ¿Son de origen molecular y, en caso afirmativo, qué moléculas son responsables de ellas? ¿Cómo se forman? ^{[44] [45]}
• Agujeros negros supermasivos : ¿Cuál es el origen de la relación M–sigma entre la masa de los agujeros negros supermasivos y la dispersión de la velocidad de las galaxias? ^[46] ¿Cómo lograron los cuásares más distantes hacer crecer sus agujeros negros supermasivos hasta 10 ¹⁰ masas solares tan temprano en la historia del universo?
• Acantilado de Kuiper : ¿Por qué el número de objetos en el cinturón de Kuiper del Sistema Solar disminuye rápida e inesperadamente más allá de un radio de 50 unidades astronómicas?
• Anomalía de sobrevuelo : ¿Por qué la energía observada de los satélites que pasan cerca de cuerpos planetarios a veces difiere apenas un poco del valor predicho por la teoría?
• Problema de rotación de galaxias : ¿Es la materia oscura responsable de las diferencias en la velocidad observada y teórica de las estrellas que giran alrededor del centro de las galaxias, o es algo más?

  

  Curva de rotación de una galaxia espiral típica: predicha ( A ) y observada ( B ). ¿Puede la discrepancia entre las curvas atribuirse a la materia oscura?

• Supernovas : ¿Cuál es el mecanismo exacto por el cual la implosión de una estrella moribunda se convierte en una explosión?
• Núcleos p : ¿Qué proceso astrofísico es responsable de la nucleogénesis de estos isótopos raros?
• Rayos cósmicos de energía ultraalta : ^[17] ¿Por qué algunos rayos cósmicos parecen poseer energías imposiblemente altas, dado que no hay fuentes de rayos cósmicos lo suficientemente energéticas cerca de la Tierra? ¿Por qué (aparentemente) algunos rayos cósmicos emitidos por fuentes distantes tienen energías superiores al límite de Greisen–Zatsepin–Kuzmin ? ^{[47] [17]}
• Velocidad de rotación de Saturno : ¿Por qué la magnetosfera de Saturno presenta una periodicidad (que cambia lentamente) cercana a la de las nubes del planeta? ¿Cuál es la verdadera velocidad de rotación del interior profundo de Saturno? ^[48]
• Origen del campo magnético magnetar : ¿Cuál es el origen del campo magnético magnetar ?
• Anisotropía a gran escala : ¿Es el universo a escalas muy grandes anisotrópico , lo que hace que el principio cosmológico sea una suposición inválida? El recuento de números y la anisotropía dipolar de intensidad en radio, catálogo NRAO VLA Sky Survey (NVSS) ^[49] es inconsistente con el movimiento local derivado del fondo cósmico de microondas ^{[50] [51]} e indica una anisotropía dipolar intrínseca. Los mismos datos de radio NVSS también muestran un dipolo intrínseco en la densidad de polarización y el grado de polarización ^[52] en la misma dirección que en el recuento de números y la intensidad. Hay varias otras observaciones que revelan anisotropía a gran escala. La polarización óptica de los cuásares muestra una alineación de polarización en una escala muy grande de Gpc. ^{[53] [54] [55]} Los datos de fondo cósmico de microondas muestran varias características de anisotropía, ^{[56] [57] [58 ] [59]} que no son consistentes con el modelo del Big Bang .
• Relación edad-metalicidad en el disco galáctico: ¿Existe una relación edad-metalicidad (AMR) universal en el disco galáctico (tanto en la parte "delgada" como en la "gruesa" del disco)? Aunque en el disco local (principalmente delgado) de la Vía Láctea no hay evidencia de una AMR fuerte, ^[60] se ha utilizado una muestra de 229 estrellas cercanas del disco "grueso" para investigar la existencia de una relación edad-metalicidad en el disco grueso galáctico, e indicar que existe una relación edad-metalicidad presente en el disco grueso. ^{[61] [62]} Las edades estelares obtenidas de la asterosismología confirman la falta de una relación edad-metalicidad fuerte en el disco galáctico. ^[63]
• El problema del litio : ¿por qué existe una discrepancia entre la cantidad de litio-7 que se predice que se producirá en la nucleosíntesis del Big Bang y la cantidad observada en estrellas muy antiguas? ^[64]
• Fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX): ¿Qué alimenta las fuentes de rayos X que no están asociadas con núcleos galácticos activos pero que exceden el límite de Eddington de una estrella de neutrones o un agujero negro estelar ? ¿Se deben a agujeros negros de masa intermedia ? Algunas ULX son periódicas, lo que sugiere una emisión no isotrópica de una estrella de neutrones. ¿Se aplica esto a todas las ULX? ¿Cómo podría formarse un sistema así y permanecer estable?
• Explosiones rápidas de radio (FRB): ¿Qué causa estos pulsos de radio transitorios provenientes de galaxias distantes, que duran solo unos pocos milisegundos cada uno? ¿Por qué algunas FRB se repiten a intervalos impredecibles, pero la mayoría no? Se han propuesto docenas de modelos, pero ninguno ha sido ampliamente aceptado. ^[65]

Física nuclear

La " isla de estabilidad " en el diagrama de número de protones frente a neutrones para núcleos pesados

• Cromodinámica cuántica : ¿Cuáles son las fases de la materia que interactúa fuertemente y qué papel desempeñan en la evolución del cosmos ? ¿Cuál es la estructura partónica detallada de los nucleones ? ¿Qué predice la QCD para las propiedades de la materia que interactúa fuertemente? ¿Qué determina las características clave de la QCD y cuál es su relación con la naturaleza de la gravedad y el espacio-tiempo ? ¿La QCD realmente carece de violaciones de CP ?
• Plasma de quarks y gluones : ¿dónde se produce el desconfinamiento : 1) en función de la temperatura y los potenciales químicos? 2) en función de la energía relativista de la colisión de iones pesados ​​y del tamaño del sistema? ¿Cuál es el mecanismo por el que la energía y el número bariónico se detienen y conducen a la creación de plasma de quarks y gluones en colisiones relativistas de iones pesados? ¿Por qué la hadronización repentina y el modelo estadístico de hadronización son una descripción casi perfecta de la producción de hadrones a partir del plasma de quarks y gluones? ¿Se conserva el sabor de los quarks en el plasma de quarks y gluones? ¿ La extrañeza y el encanto están en equilibrio químico en el plasma de quarks y gluones? ¿La extrañeza en el plasma de quarks y gluones fluye a la misma velocidad que los sabores de los quarks arriba y abajo? ¿Por qué la materia desconfinada muestra un flujo ideal ?
• Modelos específicos de formación de plasma de quarks y gluones: ¿ Los gluones se saturan cuando su número de ocupación es grande? ¿Los gluones forman un sistema denso llamado condensado de vidrio coloreado ? ¿Cuáles son las firmas y evidencias de las ecuaciones de evolución de Balitsky–Fadin–Kuarev –Lipatov , Balitsky–Kovchegov, Catani–Ciafaloni–Fiorani–Marchesini?
• Núcleos y astrofísica nuclear : ¿Por qué no hay convergencia en las estimaciones de la vida media de un neutrón libre basadas en dos métodos experimentales separados (y cada vez más precisos)? ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza nuclear que une a los protones y neutrones en núcleos estables e isótopos raros? ¿Cuál es la explicación del efecto EMC ? ¿Cuál es la naturaleza de las excitaciones exóticas en los núcleos en las fronteras de la estabilidad y su papel en los procesos estelares? ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones y la materia nuclear densa ? ¿Cuál es el origen de los elementos en el cosmos ? ¿Cuáles son las reacciones nucleares que impulsan las estrellas y las explosiones estelares? ¿Cuál es el elemento químico más pesado posible ?

Dinámica de fluidos

• ¿En qué condiciones existen soluciones suaves para las ecuaciones de Navier-Stokes , que son las ecuaciones que describen el flujo de un fluido viscoso ? Este problema, para un fluido incompresible en tres dimensiones, es también uno de los problemas del Premio del Milenio en matemáticas. ^[66]
• Flujo turbulento : ¿Es posible elaborar un modelo teórico para describir las estadísticas de un flujo turbulento (en particular, sus estructuras internas)? ^[47]
• Convección granular : ¿por qué un material granular sometido a sacudidas o vibraciones presenta patrones de circulación similares a los tipos de convección de fluidos ? ¿Por qué las partículas más grandes terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de distintos tamaños cuando se somete a una vibración o sacudida? ^[67]

Física de la materia condensada

Muestra de un superconductor de cuprato (en concreto, BSCCO ). Se desconoce el mecanismo de superconductividad de estos materiales.

• Condensación de Bose-Einstein : ¿Cómo demostramos rigurosamente la existencia de condensados ​​de Bose-Einstein para sistemas interactuantes generales? ^[68]
• Superconductores de alta temperatura : ¿Cuál es el mecanismo que hace que ciertos materiales presenten superconductividad a temperaturas mucho más altas que los 25 kelvin ? ¿Es posible fabricar un material que sea superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica ? ^[47]
• Sólidos amorfos : ¿Cuál es la naturaleza de la transición vítrea entre un fluido o sólido regular y una fase vítrea ? ¿Cuáles son los procesos físicos que dan lugar a las propiedades generales de los vidrios y a la transición vítrea? ^{[69] [70] [71]}
• Universalidad de los sólidos amorfos de baja temperatura : ¿por qué la pequeña relación adimensional entre la longitud de onda del fonón y su recorrido libre medio es casi la misma para una familia muy grande de sólidos desordenados? ^{[72] [73]} Esta pequeña relación se observa para un rango muy amplio de frecuencias de fonones.
• Emisión criogénica de electrones: ¿Por qué la emisión de electrones en ausencia de luz aumenta a medida que disminuye la temperatura de un fotomultiplicador ? ^{[74] [75]}
• Sonoluminiscencia : ¿Qué causa la emisión de breves ráfagas de luz a partir de burbujas que implosionan en un líquido cuando son excitadas por el sonido? ^{[76] [77]}
• Orden topológico : ¿Es estable el orden topológico a temperaturas distintas de cero ? De manera equivalente, ¿es posible tener una memoria cuántica tridimensional autocorrectora ? ^[78]
• Estrujado de bloques patrón : ¿Qué mecanismo permite estrujar los bloques patrón entre sí?

Magnetorresistencia en un estado Hall cuántico fraccional u = 8/5

• Efecto Hall fraccional : ¿Qué mecanismo explica la existencia del estado u = 5/2 en el efecto Hall cuántico fraccional ? ¿Describe cuasipartículas con estadísticas fraccionales no abelianas ? ^[79]
• Cristales líquidos : ¿Puede la transición de fase nemática a esméctica (A) en estados de cristal líquido caracterizarse como una transición de fase universal ? ^{[80] [81]}
• Nanocristales semiconductores : ¿Cuál es la causa de la no parabolicidad de la dependencia de tamaño y energía para la transición de absorción óptica más baja de los puntos cuánticos ? ^[82]
• Formación de bigotes metálicos : en los dispositivos eléctricos, algunas superficies metálicas pueden desarrollar espontáneamente bigotes metálicos finos que pueden provocar fallas en el equipo. Si bien se sabe que la tensión mecánica compresiva fomenta la formación de bigotes, aún no se ha determinado el mecanismo de crecimiento.
• Transición superfluida en helio-4 : Explique la discrepancia entre las determinaciones experimentales ^[83] y teóricas ^{[84] [85] [86]} del exponente crítico de capacidad térmica α . ^[87]
• Efecto Scharnhorst : ¿Pueden las señales de luz viajar ligeramente más rápido que c entre dos placas conductoras muy próximas entre sí, aprovechando el efecto Casimir ? ^[88]

Computación cuántica e información cuántica

• Problema de umbral : ¿Podemos ir más allá de la ruidosa era cuántica de escala intermedia ? ¿Pueden las computadoras cuánticas alcanzar la tolerancia a fallas ? ¿Es posible tener suficiente escalabilidad de qubits para implementar la corrección de errores cuánticos ? ¿Cuáles son las plataformas candidatas más prometedoras para implementar físicamente qubits? ^[89]
• Los cúbits topológicos: los ordenadores cuánticos topológicos son prometedores, pero ¿es posible construirlos? ¿Podemos demostrar de manera concluyente los modos cero de Majorana ? ^[90]
• Temperatura: ¿Es posible realizar computación cuántica a temperaturas no criogénicas? ¿Podemos construir computadoras cuánticas a temperatura ambiente? ^[91]
• Problemas de clases de complejidad: ¿Cuál es la relación entre BQP y BPP ? ¿Cuál es la relación entre BQP y NP ? ¿Puede la computación en teorías físicas plausibles (algoritmos cuánticos) ir más allá de BQP? ^[89]
• Criptografía postcuántica : ¿Podemos demostrar que algunos protocolos criptográficos son seguros contra los ordenadores cuánticos? ^[89]
• Capacidad cuántica : La capacidad de un canal cuántico en general no se conoce. ^[92]

Física del plasma

• Física del plasma y energía de fusión : La energía de fusión puede potencialmente proporcionar energía a partir de un recurso abundante (por ejemplo, hidrógeno) sin el tipo de desechos radiactivos que produce actualmente la energía de fisión. Sin embargo, ¿es posible confinarlos durante el tiempo suficiente y a una temperatura lo suficientemente alta como para crear energía de fusión? ¿Cuál es el origen físico del modo H ? ^[93]
• El problema de la inyección : se piensa que la aceleración de Fermi es el mecanismo principal que acelera las partículas astrofísicas hasta alcanzar niveles de energía elevados. Sin embargo, no está claro qué mecanismo hace que esas partículas tengan inicialmente energías lo suficientemente altas como para que la aceleración de Fermi actúe sobre ellas. ^[94]
• Turbulencia alfvénica : el viento solar y la turbulencia en las erupciones solares , las eyecciones de masa coronal y las subtormentas magnetosféricas son problemas importantes sin resolver en la física del plasma espacial. ^[95]

Biofísica

• Estocasticidad y robustez al ruido en la expresión génica : ¿Cómo gobiernan los genes nuestro cuerpo, resistiendo diferentes presiones externas y estocasticidad interna ? Existen ciertos modelos para los procesos genéticos, pero estamos lejos de comprender el panorama completo, en particular en el desarrollo, donde la expresión génica debe estar estrictamente regulada.
• Estudio cuantitativo del sistema inmunitario : ¿Cuáles son las propiedades cuantitativas de las respuestas inmunitarias ? ¿Cuáles son los elementos básicos que forman las redes del sistema inmunitario ?
• Homoquiralidad : ¿Cuál es el origen de la preponderancia de enantiómeros específicos en los sistemas bioquímicos ?
• Magnetorrecepción : ¿Cómo perciben los animales (por ejemplo, las aves migratorias) el campo magnético de la Tierra?
• Predicción de la estructura de las proteínas : ¿Cómo se determina la estructura tridimensional de las proteínas a partir de la secuencia unidimensional de aminoácidos? ¿Cómo pueden las proteínas plegarse en escalas de tiempo de microsegundos a segundos cuando el número de conformaciones posibles es astronómico y las transiciones conformacionales ocurren en la escala de tiempo de picosegundos a microsegundos? ¿Se pueden escribir algoritmos para predecir la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia? ¿Las estructuras nativas de la mayoría de las proteínas naturales coinciden con el mínimo global de la energía libre en el espacio conformacional? ¿O la mayoría de las conformaciones nativas son termodinámicamente inestables, pero cinéticamente atrapadas en estados metaestables? ¿Qué impide que la alta densidad de proteínas presentes en el interior de las células se precipite? ^[96]
• Biología cuántica : ¿Puede mantenerse la coherencia en los sistemas biológicos durante períodos de tiempo lo suficientemente largos como para que sea funcionalmente importante? ¿Existen aspectos no triviales de la biología o la bioquímica que solo puedan explicarse mediante la persistencia de la coherencia como mecanismo?

Fundamentos de la física

• Interpretación de la mecánica cuántica : ¿Cómo la descripción cuántica de la realidad, que incluye elementos como la superposición de estados y el colapso de la función de onda o la decoherencia cuántica , da lugar a la realidad que percibimos? ^[47] Otra forma de plantear esta cuestión se refiere al problema de la medición : ¿Qué constituye una "medición" que aparentemente hace que la función de onda colapse en un estado definido? A diferencia de los procesos físicos clásicos, algunos procesos mecánicos cuánticos (como la teletransportación cuántica que surge del entrelazamiento cuántico ) no pueden ser simultáneamente "locales", "causales" y "reales", pero no es obvio cuál de estas propiedades debe sacrificarse, ^[97] o si un intento de describir los procesos mecánicos cuánticos en estos sentidos es un error de categoría tal que una comprensión adecuada de la mecánica cuántica haría que la pregunta careciera de sentido. ¿Puede la interpretación de los muchos mundos resolverla?
• Flecha del tiempo (por ejemplo, la flecha del tiempo de la entropía ): ¿Por qué el tiempo tiene una dirección? ¿Por qué el universo tuvo una entropía tan baja en el pasado, y el tiempo se correlaciona con el aumento universal (pero no local) de la entropía, desde el pasado y hacia el futuro, según la segunda ley de la termodinámica ? ^[47] ¿Por qué se observan violaciones de CP en ciertas desintegraciones de fuerza débil, pero no en otros lugares? ¿Son las violaciones de CP de alguna manera un producto de la segunda ley de la termodinámica, o son una flecha del tiempo separada? ¿Hay excepciones al principio de causalidad ? ¿Existe un único pasado posible? ¿El momento presente es físicamente distinto del pasado y el futuro, o es meramente una propiedad emergente de la conciencia ? ¿Qué vincula la flecha cuántica del tiempo con la flecha termodinámica?
• Localidad : ¿Existen fenómenos no locales en la física cuántica? ^{[98] [99]} Si existen, ¿los fenómenos no locales se limitan al entrelazamiento revelado en las violaciones de las desigualdades de Bell , o la información y las cantidades conservadas también pueden moverse de manera no local? ¿En qué circunstancias se observan fenómenos no locales? ¿Qué implica la existencia o ausencia de fenómenos no locales sobre la estructura fundamental del espacio-tiempo? ¿Cómo aclara esto la interpretación adecuada de la naturaleza fundamental de la física cuántica?

Problemas resueltos desde los años 90

Física general/física cuántica

• Realización de un experimento de prueba de Bell sin lagunas (1970 ^[100] –2015): En octubre de 2015, los científicos del Instituto Kavli de Nanociencia informaron que el fracaso de la hipótesis de variable oculta local está respaldado por un nivel de confianza del 96 % basado en un estudio de "prueba de Bell sin lagunas". ^{[101] [102]} Estos resultados fueron confirmados por dos estudios con significancia estadística sobre 5 desviaciones estándar que se publicaron en diciembre de 2015. ^{[103] [104]}
• Creación del condensado de Bose-Einstein (1924 ^[105] –1995): bosones compuestos en forma de vapores atómicos diluidos se enfriaron hasta la degeneración cuántica utilizando las técnicas de enfriamiento por láser y enfriamiento por evaporación . ^{[ cita requerida ]}

Cosmología y relatividad general

• Existencia de ondas gravitacionales (1916-2016): El 11 de febrero de 2016, el equipo LIGO Avanzado anunció que había detectado directamente ondas gravitacionales provenientes de un par de agujeros negros que se fusionaban , ^{[106] [107] [108]} lo que también fue la primera detección de un agujero negro binario estelar.
• Solución numérica para el problema de los dos cuerpos en la relatividad general (década de 1960-2005): La solución numérica del problema de los dos cuerpos en la relatividad general se logró después de cuatro décadas de investigación. Tres grupos idearon las técnicas innovadoras en 2005 ( annus mirabilis de la relatividad numérica ). ^[109]
• Problema de la edad cósmica (década de 1920-1990): la edad estimada del universo era de 3 a 8 mil millones de años más joven que las estimaciones de las edades de las estrellas más antiguas de la Vía Láctea. Estimaciones más precisas de las distancias a las estrellas y el reconocimiento de la expansión acelerada del universo conciliaron las estimaciones de edad. ^{[ cita requerida ]}

Física de altas energías/física de partículas

• Existencia de pentaquarks (1964-2015): En julio de 2015, la colaboración LHCb en el CERN identificó pentaquarks en el Λ^0b
  _​→J/ψK ⁻ canal p , que representa la desintegración del barión lambda inferior (Λ^0b
  _​) en un mesón J/ψ (J/ψ) , un kaon (K⁻
  ) y un protón (p). Los resultados mostraron que, a veces, en lugar de desintegrarse directamente en mesones y bariones, el Λ^0b
  _​decae a través de estados intermedios de pentaquark. Los dos estados, llamados P⁺
  _c(4380) y P⁺
  _c(4450) , tuvieron significancias estadísticas individuales de 9 σ y 12 σ, respectivamente, y una significancia combinada de 15 σ, suficiente para afirmar que se trata de un descubrimiento formal. Se observó que los dos estados de pentaquark se desintegraban fuertemente en J/ψp , por lo que deben tener un contenido de quarks de valencia de dos quarks up , un quark down , un quark charm y un quark anti-charm (
  tú
  
  tú
  
  d
  
  do
  
  do
  ), lo que los convierte en charmonium -pentaquarks. ^[110]
• La existencia de un plasma de quarks y gluones , una nueva fase de la materia, fue descubierta y confirmada en experimentos en el CERN - SPS (2000), BNL - RHIC (2005) y CERN- LHC (2010). ^[111]
• Bosón de Higgs y ruptura de la simetría electrodébil (1963 ^[112] –2012): El mecanismo responsable de romper la simetría de gauge electrodébil, dando masa a los bosones W y Z , fue resuelto con el descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar , con los acoplamientos esperados a los bosones débiles. No se ha observado evidencia de una solución de dinámica fuerte, como la propuesta por Technicolor .
• Origen de la masa de la mayoría de las partículas elementales: Resuelto con el descubrimiento del bosón de Higgs , que implica la existencia del campo de Higgs que da masa a estas partículas.

Astronomía y astrofísica

• Origen del estallido corto de rayos gamma (1993 ^[113] –2017): A partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias , se produce una explosión de kilonova y se detecta el estallido corto de rayos gamma GRB 170817A tanto en ondas electromagnéticas como en ondas gravitacionales GW170817 . ^{[114] [115]}
• Problema del barión faltante (1998 ^[116] –2017): se declaró resuelto en octubre de 2017, y los bariones faltantes se encuentran en gas intergaláctico caliente. ^{[117] [118]}
• Estallidos de rayos gamma de larga duración (1993 ^[113] –2003): Los estallidos de larga duración están asociados con la muerte de estrellas masivas en un tipo específico de evento similar a una supernova, comúnmente conocido como colapso . Sin embargo, también hay estallidos de rayos gamma de larga duración que muestran evidencia contra una supernova asociada, como el evento Swift GRB 060614 .
• Problema del neutrino solar (1968 ^[119] –2001): resuelto mediante una nueva comprensión de la física de neutrinos , que requiere una modificación del Modelo Estándar de la física de partículas —específicamente, la oscilación de neutrinos .
• La rotación del núcleo de Saturno se determinó a partir de su campo gravitacional. ^[120]

Física nuclear

• Temperatura de Hagedorn reconocida como la temperatura de transformación de fase entre la fase confinada hadrónica y la fase desconfinada de la materia .

Problemas resueltos rápidamente

• Existencia de cristales de tiempo (2012-2016): La idea de un cristal de tiempo cuantizado fue teorizada por primera vez en 2012 por Frank Wilczek . ^{[121] [122]} En 2016, Khemani et al. ^[123] y Else et al. ^[124] independientemente uno del otro sugirieron que los sistemas de espín cuántico impulsados ​​periódicamente podrían mostrar un comportamiento similar. También en 2016, Norman Yao en UC Berkeley y sus colegas propusieron una forma diferente de crear cristales de tiempo discretos en sistemas de espín. ^[125] Esto fue utilizado luego por dos equipos, un grupo dirigido por Christopher Monroe en la Universidad de Maryland y un grupo dirigido por Mikhail Lukin en la Universidad de Harvard , quienes pudieron mostrar evidencia de cristales de tiempo en el entorno de laboratorio, mostrando que para tiempos cortos los sistemas exhibieron una dinámica similar a la predicha. ^{[126] [127]}
• Crisis de subproducción de fotones (2014-2015): Khaire y Srianand resolvieron este problema ^[128] . Demuestran que se puede obtener fácilmente una tasa de fotoionización metagaláctica de entre 2 y 5 veces mayor utilizando observaciones actualizadas de cuásares y galaxias. Observaciones recientes de cuásares indican que la contribución de los cuásares a los fotones ultravioleta es un factor de 2 mayor que las estimaciones anteriores. La contribución revisada de las galaxias es un factor de 3 mayor. Estos dos factores juntos resuelven la crisis.
• Anomalía de Hipparcos (1997 ^[129] –2012): El satélite de recolección de paralaje de alta precisión (Hipparcos) midió el paralaje de las Pléyades y determinó una distancia de 385 años luz. Esto fue significativamente diferente de otras mediciones realizadas mediante la medición del brillo real a aparente o la magnitud absoluta . La anomalía se debió al uso de una media ponderada cuando existe una correlación entre las distancias y los errores de distancia para las estrellas en cúmulos. Se resuelve utilizando una media no ponderada. No hay sesgo sistemático en los datos de Hipparcos cuando se trata de cúmulos estelares. ^[130]
• Anomalía de neutrinos más rápidos que la luz (2011-2012): En 2011, el experimento OPERA observó por error que los neutrinos parecían viajar más rápido que la luz . El 12 de julio de 2012, OPERA actualizó su artículo después de descubrir un error en su medición anterior del tiempo de vuelo. Encontraron que la velocidad de los neutrinos concordaba con la velocidad de la luz. ^[131]
• Anomalía pionera (1980-2012): Hubo una desviación en las aceleraciones previstas de las naves espaciales Pioneer 10 y 11 cuando abandonaron el Sistema Solar. ^{[47] [17]} Se cree que esto es el resultado de una fuerza de retroceso térmico no explicada previamente . ^{[132] [133]}

Véase también

• Portal de física

• Sexto problema de Hilbert
• Listas de problemas sin resolver
• Paradoja física
• Lista de problemas no resueltos en matemáticas
• Lista de problemas no resueltos en neurociencia

Notas al pie

1. "Este problema es ampliamente considerado como uno de los mayores obstáculos para el progreso futuro de la física fundamental... Su importancia ha sido enfatizada por varios autores desde diferentes aspectos. Por ejemplo, se lo ha descrito como una 'verdadera crisis'...] e incluso como 'la madre de todos los problemas de la física'... Si bien es posible que las personas que trabajan en un problema en particular tiendan a enfatizar o incluso exagerar su importancia, todos esos autores están de acuerdo en que se trata de un problema que necesita ser resuelto, aunque hay poco acuerdo sobre cuál es la dirección correcta para encontrar la solución". ^[24]
2. Cuando los físicos extraen neutrones de los núcleos atómicos, los colocan en una botella y luego cuentan cuántos permanecen allí después de un tiempo, infieren que los neutrones se desintegran radiactivamente en 14 minutos y 39 segundos, en promedio. Pero cuando otros físicos generan haces de neutrones y cuentan los protones emergentes (las partículas en las que se desintegran los neutrones libres), fijan la vida media de los neutrones en alrededor de 14 minutos y 48 segundos. La discrepancia entre las mediciones de la “botella” y del “haz” ha persistido desde que ambos métodos de medir la longevidad del neutrón comenzaron a dar resultados en la década de 1990. Al principio, todas las mediciones eran tan imprecisas que nadie se preocupó. Sin embargo, gradualmente, ambos métodos han mejorado, y aún difieren. ^[26]

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Enlaces externos

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• Instituto de verano SLAC 2004: Los mayores enigmas de la naturaleza Archivado el 30 de julio de 2014 en Wayback Machine
• La doble personalidad del vidrio explicada por fin
• Lo que sabemos y lo que no sabemos Reseña sobre el estado actual de la física por Steven Weinberg, noviembre de 2013
• La crisis de la gran ciencia Steven Weinberg, mayo de 2012