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以下は物理学の幅広い分野に分類された注目すべき未解決問題のリストです。[1]
物理学における主要な未解決問題の一部は理論的なものであり、つまり、既存の理論では特定の観察された現象や実験結果を説明できないと思われるものです。その他の未解決問題は実験的なものであり、つまり、提案された理論をテストしたり、現象をより詳細に調査するための実験を作成することが困難であることを意味します。
物理学の標準モデルを超えた疑問がまだいくつか残っており、強い CP 問題、ニュートリノ質量、物質と反物質の非対称性、暗黒物質と暗黒エネルギーの性質などがある。[2] [3]もう1つの問題は、標準モデル自体の数学的枠組みの中にある。標準モデルは一般相対性理論の枠組みと矛盾しており、ある条件下（例えば、ビッグバンのような既知の時空特異点や事象の地平線を越えたブラックホールの中心など）では、一方または両方の理論が破綻してしまう。[4]
一般物理学
- 万物の理論:宇宙のすべての物理的側面を完全に説明し、結び付ける、唯一かつ包括的で首尾一貫した物理学の理論的枠組みは存在するか?
- 無次元物理定数：現時点では、さまざまな無次元物理定数の値を計算することはできず、物理的な測定によってのみ決定できます。[5] [6]他のすべての無次元物理定数を導き出すことができる無次元物理定数の最小数は何ですか？次元物理定数はそもそも必要ですか？
量子重力
- 量子重力:量子力学と一般相対性理論は、完全に無矛盾な理論（おそらく量子場理論）として実現できますか？[7]時空は基本的に連続ですか、それとも離散ですか？無矛盾な理論は、仮想的な重力子によって媒介される力を含むでしょうか、それとも時空自体の離散構造の産物（ループ量子重力の場合のように）でしょうか？非常に小さいスケールや非常に大きいスケール、またはその他の極端な状況で、量子重力メカニズムから生じる一般相対性理論の予測からの逸脱はありますか？
- ブラックホール、ブラックホール情報パラドックス、ブラックホール放射：ブラックホールは理論的根拠に基づいて予想されるように熱放射を生成するのか？[8]この放射は、ゲージ重力二重性で示唆されるように、ブラックホールの内部構造に関する情報を含んでいるのか、それともホーキングの元の計算で示唆されているように、ブラックホールの内部構造に関する情報を含んでいないのか？もしそうでない場合、ブラックホールが蒸発してしまうと、ブラックホールに保存されている情報はどうなるのか（量子力学では情報の破壊は想定されていないため）？それとも、放射はある時点で止まり、ブラックホールの残骸が残るのか？そのような構造が存在する場合、何らかの方法でブラックホールの内部構造を調べる別の方法はあるのだろうか？
- 宇宙検閲仮説と年代順保護予想: 事象の地平線の背後に隠れていない特異点、いわゆる「裸の特異点」は、現実的な初期条件から生じるのか、それとも、それが不可能であると提唱するロジャー・ペンローズの「宇宙検閲仮説」の何らかのバージョンを証明することは可能なのか? [9]同様に、一般相対性理論の方程式のいくつかの解に生じる閉じた時間的曲線(そして、逆方向の時間旅行の可能性を示唆する)は、スティーブン・ホーキングの「年代順保護予想」で示唆されているように、一般相対性理論と量子力学を統合する量子重力理論によって排除されるのか?
- ホログラフィック原理:量子重力は重力を含まない低次元の記述を許容するというのは本当ですか? ホログラフィックのよく理解されている例は、弦理論におけるAdS/CFT 対応です。同様に、ド・ジッター空間における量子重力は、dS/CFT 対応を使用して理解できますか? AdS/CFT 対応は、任意の漸近時空背景のゲージ重力双対性に大幅に一般化できますか? 弦理論以外に、ホログラフィック記述を許容する量子重力理論はありますか?
- 量子時空または時空の出現:プランクスケールの時空の性質は、一般相対性理論に存在する連続した古典的な動的時空と大きく異なるのでしょうか? ループ量子重力では、時空は最初から離散的であると仮定されています。弦理論では、もともと時空は一般相対性理論と同じように考えられていましたが (唯一の違いは超対称性です)、龍-高柳予想に基づく最近の研究では、AdS/CFT 対応におけるエンタングルメント エントロピーなどの量子情報理論の概念を使用することで、弦理論の時空は出現するものであると示されています。 [10]しかし、弦理論や AdS/CFT 対応の中で、よく知られている古典的な時空がどのように出現するかは、まだよくわかっていません。
- 時間の問題：量子力学では、時間は古典的な背景パラメータであり、時間の流れは普遍的かつ絶対的です。一般相対性理論では、時間は4次元時空の1つの構成要素であり、時間の流れは時空の曲率と観測者の時空軌道に応じて変化します。この2つの時間の概念をどのように調和させることができるでしょうか？[11]
量子物理学
- ヤン＝ミルズ理論：任意のコンパクト ゲージ群が与えられたとき、有限の質量ギャップを持つ非自明な量子ヤン＝ミルズ理論は存在するか？（この問題は数学におけるミレニアム賞問題の一つにも挙げられている。）[12]
- 量子場理論（これは前の問題の一般化です）：相互作用を含み、摂動法に頼らない 4 次元時空における量子場理論を数学的に厳密な方法で構築することは可能でしょうか？
宇宙論と一般相対性理論
- 悪の枢軸: 130 億光年以上の距離にあるマイクロ波の空のいくつかの大きな特徴は、太陽系の運動と方向の両方と一致しているように見えます。これは、処理における体系的なエラー、局所的な影響による結果の汚染、コペルニクスの原理と一致モデルの説明のつかない違反によるものでしょうか。それとも、これらの特徴は単に統計的に重要ではないのでしょうか。
- 微調整された宇宙：基本的な物理定数の値は、炭素ベースの生命を維持するために必要な狭い範囲にあります。[13] [14] [15]これは、異なる定数を持つ他の宇宙が無数に存在するためでしょうか、それとも私たちの宇宙の定数は偶然、インテリジェントデザイン（有神論者の「神」などの人格的存在による）、またはその他の要因またはプロセスの結果でしょうか？（人類原理も参照。）
- 宇宙のインフレーション：宇宙の初期における宇宙のインフレーション理論は正しいのか、もし正しいとすれば、この時代の詳細はどのようなものか？この宇宙のインフレーションを引き起こした仮説上のインフレーション スカラー場とは何なのか？インフレーションが一点で起こったとしたら、それは量子力学的ゆらぎのインフレーションを通じて自立的に起こり、したがって非常に遠い場所で継続しているのか？[16]
- 地平線問題：ビッグバン理論は、観測されたものよりも大きな夜空の測定可能な異方性を予測しているように見えるのに、なぜ遠方の宇宙はそれほど均質なのでしょうか？宇宙インフレーションは一般的に解決策として受け入れられていますが、光速の変動など、他の可能性のある説明の方が適切でしょうか？[17]
- 宇宙の起源と未来:あらゆるものが存在するための条件はどのようにして生じたのでしょうか?宇宙はビッグフリーズ、ビッグリップ、ビッグクランチ、ビッグバウンスに向かっているのでしょうか?
- 宇宙の大きさ：観測可能な宇宙の直径は約930億光年ですが、宇宙全体の大きさはどれくらいでしょうか？宇宙は無限でしょうか？
- バリオン非対称性：観測可能な宇宙ではなぜ物質が反物質よりはるかに多いのか？（これはニュートリノ-反ニュートリノ振動の見かけ上の非対称性によって解決されるかもしれない。）[18]
- 宇宙論的原理:宇宙論的原理が主張し、現在のバージョンのΛCDM モデルを含む、フリードマン-ルメートル-ロバートソン-ウォーカー計量を使用するすべてのモデルで想定されているように、宇宙は十分に大きなスケールで均質で等方性ですか、それとも宇宙は不均質または異方性ですか? [19] CMB 双極子は純粋に運動学的なものですか、それとも宇宙の異方性を示し、FLRW 計量と宇宙論的原理の破綻をもたらしますか? [19]ハッブル張力は宇宙論的原理が誤りである証拠ですか? [19]たとえ宇宙論的原理が正しいとしても、フリードマン-ルメートル-ロバートソン-ウォーカー計量は私たちの宇宙に使用する正しい計量ですか? [20] [19]通常、宇宙の加速膨張として解釈される観測は正しく解釈されていますか、それとも宇宙論的原理が誤りである証拠ですか? [21] [22]
- コペルニクスの原理: 地球から行われた宇宙観測は、宇宙の平均的な位置からの観測を代表しているのでしょうか?
- 宇宙定数問題：真空のゼロ点エネルギーはなぜ大きな宇宙定数をもたらさないのか？何がそれを打ち消すのか？[23] [24] [a]
- 暗黒物質：暗黒物質の正体は何ですか？[17]それは粒子ですか？もしそうなら、それはWIMP、アクシオン、最軽量超粒子（LSP）、それとも他の粒子ですか？それとも、暗黒物質に起因する現象は、何らかの形の物質ではなく、実際には重力の延長を示しているのでしょうか？
- ダークエネルギー：観測されている宇宙の加速膨張（ド・ジッター相）の原因は何ですか？観測結果は宇宙の加速膨張として正しく解釈されるのでしょうか、それとも宇宙論的原理が間違っていることの証拠なのでしょうか？[21] [22]ダークエネルギー成分のエネルギー密度は、時間の経過とともにまったく異なる進化を遂げているのに、なぜ現時点では物質の密度と同じ大きさなのでしょうか？これは宇宙の偶然でしょうか？ダークエネルギーは純粋な宇宙定数なのでしょうか、それともファントムエネルギーなどの本質モデルが適用できるのでしょうか？
- ダークフロー: 観測可能な宇宙の外側からの非球対称の重力が、宇宙の銀河団などの大きな物体の観測される動きの一部に関係しているのでしょうか?
- 宇宙の形状:共動空間の3 次元多様体、つまり宇宙の共動空間セクション (非公式には宇宙の「形状」と呼ばれる) とは何ですか? 曲率も位相も現在わかっていませんが、曲率は観測可能なスケールでゼロに「近い」ことがわかっています。宇宙インフレーション仮説では、宇宙の形状は測定できない可能性がありますが、2003 年以降、Jean-Pierre Luminetらと他のグループは、宇宙の形状はポアンカレ十二面体空間である可能性があると示唆しています。形状は測定できないのでしょうか、ポアンカレ空間でしょうか、それとも別の 3 次元多様体でしょうか?
- 余剰次元: 自然には 4 つ以上の時空次元がありますか? もしあるなら、その大きさはどれくらいですか? 次元は宇宙の基本的な特性ですか、それとも他の物理法則の結果として生じたものですか? より高い空間次元の証拠を実験的に観察することはできますか?
高エネルギー/素粒子物理学
- 階層問題：重力はなぜそれほど弱い力なのでしょうか？重力はプランクスケール、つまり10付近の粒子に対してのみ強くなります。19 GeVは、電弱スケール(100 GeV、低エネルギーで物理学を支配するエネルギースケール)よりはるかに高いのですが、これらのスケールはなぜ互いに大きく異なっているのでしょうか?ヒッグス粒子の質量など、電弱スケールの量がプランクスケールのオーダーで量子補正を受けられないのはか? 解決策は超対称性、余剰次元、それとも単なる人間中心の 微調整でしょうか?
- 磁気単極子: 過去の高エネルギー時代に「磁気電荷」を帯びた粒子が存在したのでしょうか? もしそうなら、現在も残っているのでしょうか? (ポール・ディラックは、ある種の磁気単極子の存在が電荷の量子化を説明できることを示しました。) [25]
- 中性子寿命の謎：中性子寿命は数十年にわたって研究されてきたが、2つの実験方法（「ボトル」と「ビーム」）から異なる結果が得られたため、現在のところその正確な値については一致した見解が得られていない。[26] [b]
- 陽子の崩壊とスピン危機：陽子は根本的に安定しているのか？それとも標準モデルのいくつかの拡張によって予測されるように有限の寿命で崩壊するのか？[27]クォークとグルーオンはどのようにして陽子のスピンを運ぶのか？[28]
- 大統一理論：電磁力と核力は大統一理論の異なる側面なのか？もしそうなら、この力とその振る舞いを支配する対称性は何なのか？ [29]
- 超対称性: 時空超対称性はTeVスケールで実現されていますか? もしそうなら、超対称性の破れのメカニズムは何ですか? 超対称性は電弱スケールを安定化し、高い量子補正を防ぎますか? 最も軽い超対称粒子( LSP )は暗黒物質を構成しますか?
- 色の閉じ込め：量子色力学（QCD）の色の閉じ込め予想は、色を帯びた粒子（クォークやグルーオンなど）は、新しいハドロンを生成せずに親ハドロンから分離することはできないというものです。[30]非アーベルゲージ理論で色の閉じ込めを解析的に証明することは可能ですか？
- QCD真空: 非摂動QCDの方程式の多くは現在未解決です。これらのエネルギーは、原子核の形成と記述に十分なエネルギーです。では、低エネルギー/非摂動 QCD はどのようにして複雑な原子核と原子核成分の形成を引き起こすのでしょうか? [引用が必要]
- 物質の世代：なぜクォークとレプトンには3つの世代があるのでしょうか？特定の世代の特定のクォークとレプトンの質量を第一原理から説明できる理論はありますか（湯川結合理論）？[31]
- ニュートリノ質量：ニュートリノの質量はどれくらいか、ディラック統計に従うかマヨラナ統計に従うか？質量階層は正常か反転か？CP対称性の破れの位相は0に等しいか？[32] [33]
- 原子炉反ニュートリノ異常:世界中の原子炉からの反ニュートリノフラックスに関する既存のデータには異常がある。このフラックスの測定値は理論から予想される値の94%に過ぎないようだ。 [34]これが未知の物理学（ステライルニュートリノなど）によるものか、測定における実験誤差によるものか、理論的なフラックス計算における誤差によるものかは不明である。[35]
- 強い CP 問題とアクシオン:強い核相互作用がパリティと電荷共役に対して不変なのはなぜですか?ペッチェイ-クイン理論はこの問題の解決策になりますか? アクシオンは暗黒物質の主成分である可能性がありますか?
- 異常磁気双極子モーメント：ミューオンの異常磁気双極子モーメント（「ミューオンg − 2 」）の実験的に測定された値が、その物理定数の理論的予測値と大きく異なるのはなぜですか？[36]
- 陽子半径パズル:陽子の電荷半径はいくらですか? グルーオン電荷とどう違うのですか?
- ペンタクォークとその他のエキゾチックハドロン: どのようなクォークの組み合わせが可能か? ペンタクォークの発見がなぜそれほど難しかったのか? [37]ペンタクォークは5つの素粒子が強く結合した系なのか、それとも重粒子と中間子のより弱く結合したペアなのか? [38]
- ミュー問題:超対称理論における問題であり、理論のパラメータ値の理由を理解することに関係しています。
- 小出公式：粒子の世代問題の一側面。3つの荷電レプトンの質量の合計を、観測値の1標準偏差以内でこれらの質量の平方根の合計の2乗で割ると、Q = 2 ⁄ 3になります。このような単純な値がどのように得られるか、またそれがの可能な極値の正確な算術平均である理由は不明です。 1 /3 (等しい質量) および 1 (1 つの質量が優勢)。
- ストレンジ マター: ストレンジ マターは存在するのか? 安定しているのか? ストレンジ マターはストレンジ スターを形成できるのか? ストレンジ マターは0圧力 (つまり真空中)で安定しているのか?
- グルーボール：自然界に存在するのでしょうか？
- ガリウム異常：強い放射性源からのガリウムニュートリノの荷電電流捕獲率の測定では、理論によって補足された主遷移の既知の強度に基づいて予想されたよりも低い結果が得られました。[39]
天文学と天体物理学
- 太陽活動周期：太陽はどのようにして周期的に反転する大規模な磁場を生成するのか？他の太陽のような恒星はどのようにして磁場を生成するのか、そして恒星の活動周期と太陽の活動周期の類似点と相違点は何なのか？[40]マウンダー極小期やその他の極小期の原因は何なのか、そして太陽活動周期はどのようにして極小期から回復するのか？
- コロナ加熱問題: 太陽のコロナ (大気層) はなぜ太陽の表面よりもはるかに高温なのでしょうか?磁気再結合効果が標準モデルで予測されるよりも桁違いに速いのはなぜでしょうか?
- 天体ジェット：なぜ特定の天体を取り囲む特定の降着円盤だけが極軸に沿って相対論的なジェットを放出するのか？多くの降着円盤で準周期振動が起こるのはなぜか？ [41]これらの振動の周期はなぜ中心天体の質量の逆数に比例するのか？[42]倍音が存在することがあるのはなぜか、そして倍音は天体によって異なる周波数比で現れるのはなぜか？[43]
- 拡散星間帯：天文スペクトルで検出される多数の星間吸収線の原因は何でしょうか？それらは分子起源でしょうか？もしそうなら、どの分子が原因でしょうか？それらはどのように形成されるのでしょうか？[44] [45]
- 超大質量ブラックホール：超大質量ブラックホールの質量と銀河の速度分散との間のM-シグマ関係の起源は何ですか？ [46]最も遠方のクエーサーは、宇宙の歴史の非常に早い段階で、どのようにして超大質量ブラックホールを太陽の10の10倍の質量まで成長させたのでしょうか？
- カイパー クリフ: 太陽系のカイパー ベルトの天体の数は、半径 50 天文単位を超えると、なぜ急激に予想外に減少するのでしょうか?
- フライバイ異常:惑星のそばを飛行する衛星の観測エネルギーが、理論で予測される値とわずかに異なることがあるのはなぜですか?
- 銀河の回転問題:銀河の中心の周りを回転する星の観測速度と理論速度の差は暗黒物質によるものでしょうか、それとも何か他の原因があるのでしょうか?
典型的な渦巻き銀河の回転曲線: 予測値 ( A ) と観測値 ( B )。曲線の不一致は暗黒物質によるものでしょうか? - 超新星：死にゆく星の爆縮が爆発になる正確なメカニズムは何ですか？
- p 核: これらの希少同位体の核生成の原因となる天体物理学的プロセスは何ですか?
- 超高エネルギー宇宙線：[17]地球の近くには十分なエネルギーを持つ宇宙線源がないのに、なぜ一部の宇宙線はあり得ないほど高いエネルギーを持っているように見えるのでしょうか？なぜ遠くの源から放出される一部の宇宙線は、グライゼン・ザツェピン・クズミン限界を超えるエネルギーを持っているように見えるのでしょうか？[47] [17]
- 土星の自転速度：土星の磁気圏はなぜ惑星の雲が自転する周期に近い（ゆっくりと変化する）周期性を示すのか？土星の深部における実際の自転速度はどれくらいか？[48]
- マグネター磁場の起源:マグネター磁場の起源は何ですか?
- 大規模異方性: 宇宙は非常に大規模では異方性があり、宇宙論的原理は無効な仮定となっているのだろうか? NRAO VLAスカイサーベイ(NVSS)カタログ[49]の電波における個数カウントと強度双極子異方性は、宇宙マイクロ波背景放射[50] [51]から導かれる局所的な動きとは矛盾しており、固有の双極子異方性を示している。同じNVSS電波データは、個数カウントと強度と同じ方向の偏光密度と偏光度[52]にも固有の双極子を示している。大規模異方性を明らかにする観測は他にもいくつかある。クエーサーからの光学偏光は、Gpcの非常に大規模なスケールで偏光の整列を示している。 [53] [54] [55]宇宙マイクロ波背景放射データは、ビッグバンモデルと一致しない異方性の特徴をいくつか示している[56] [57] [58] [59]。
- 銀河系ディスクにおける年齢と金属量の関係: 銀河系ディスク(ディスクの「薄い」部分と「厚い」部分の両方)には普遍的な年齢と金属量の関係(AMR)があるのでしょうか? 天の川銀河の局所的な(主に薄い)ディスクには強いAMRの証拠はありませんが、[60]近くの「厚い」ディスクの星229個のサンプルを使用して、銀河系の厚いディスクにおける年齢と金属量の関係の存在を調査し、厚いディスクに年齢と金属量の関係が存在することを示しました。[61] [62]星震学による恒星の年齢は、銀河系ディスクに強い年齢と金属量の関係がないことを裏付けています。[63]
- リチウム問題：ビッグバン元素合成で生成されると予測されるリチウム7の量と非常に古い星で観測される量との間に矛盾があるのはなぜか？[64]
- 超高輝度 X 線源(ULX):活動銀河核とは関係ないが、中性子星または恒星ブラックホールのエディントン限界を超えるX 線源のエネルギー源は何ですか? これらは中質量ブラックホールによるものですか? 一部の ULX は周期的であり、中性子星からの非等方放射を示唆しています。 これはすべての ULX に当てはまりますか? このようなシステムはどのように形成され、安定したままなのでしょうか?
- 高速電波バースト（FRB）：遠方の銀河から数ミリ秒しか持続しないこの一時的な電波パルスの原因は何でしょうか？なぜ一部のFRBは予測できない間隔で繰り返されるのに対し、ほとんどのFRBは繰り返されないのでしょうか？数十のモデルが提案されていますが、どれも広く受け入れられていません。[65]
原子核物理学
- 量子色力学: 強く相互作用する物質の相とはどのようなもので、宇宙の進化においてどのような役割を果たしているのでしょうか?核子の詳細なパートン構造とはどのようなものでしょうか? QCD は強く相互作用する物質の特性について何を予測しているのでしょうか? QCD の主要な特徴を決定するものは何で、重力と時空の性質とどのような関係があるのでしょうか? QCD には本当にCP 対称性の破れがないのでしょうか?
- クォーク-グルーオン プラズマ:脱閉じ込めの開始点はどこでしょうか: 1) 温度と化学ポテンシャルの関数として? 2)相対論的重イオン衝突エネルギーとシステムサイズの関数として?相対論的重イオン衝突でクォーク-グルーオン プラズマの生成につながるエネルギーと重粒子数の停止のメカニズムは何ですか? 突然のハドロン化と統計的ハドロン化モデルが、クォーク-グルーオン プラズマからのハドロン生成をほぼ完璧に説明できるのはなぜですか?クォーク フレーバーはクォーク-グルーオン プラズマで保存されますか?クォーク-グルーオン プラズマの化学平衡にストレンジネスとチャームはありますか? クォーク-グルーオン プラズマのストレンジネスは、アップクォーク フレーバーとダウンクォーク フレーバーと同じ速度で流れますか? 脱閉じ込め物質が理想的な流れを示すのはなぜですか?
- クォーク・グルーオン・プラズマ形成の特定のモデル:グルーオンは占有数が大きいときに飽和しますか? グルーオンはカラーガラス凝縮と呼ばれる高密度システムを形成しますか? Balitsky–Fadin–Kuarev –Lipatov、Balitsky–Kovchegov、Catani–Ciafaloni–Fiorani–Marchesini の進化方程式の特徴と証拠は何ですか?
- 原子核と核天体物理学: 2 つの別個の、そしてますます精度が高まっている実験方法に基づく自由中性子の平均寿命の推定値が収束しないのはなぜですか?陽子と中性子を結合させて安定原子核と希少同位体を形成する核力の性質は何ですか? EMC 効果の説明は何ですか? 安定性の境界にある原子核の異常励起の性質と恒星プロセスにおけるその役割は何ですか?中性子星と高密度核物質の性質は何ですか?宇宙の元素の起源は何ですか?恒星と恒星の爆発を引き起こす核反応は何ですか?考えられる最も重い化学元素は何ですか?
流体力学
- 粘性流体の流れを記述する方程式であるナビエ・ストークス方程式に滑らかな解が存在する条件はどのようなものでしょうか？この問題は、 3次元の非圧縮流体に対するもので、数学におけるミレニアム懸賞問題の一つでもあります。[66]
- 乱流：乱流の統計（特にその内部構造）を記述する理論モデルを作成することは可能でしょうか？[47]
- 粒状対流：なぜ振動や揺らぎを受けた粒状物質は流体対流に似た循環パターンを示すのでしょうか？振動や揺らぎを受けたときに、なぜ最も大きな粒子が様々な大きさの物体が混ざった粒状物質の表面に集まるのでしょうか？[67]
凝縮系物理学
- ボーズ・アインシュタイン凝縮：一般的な相互作用系におけるボーズ・アインシュタイン凝縮の存在を厳密に証明するにはどうすればよいでしょうか？[68]
- 高温超伝導体：ある物質が25ケルビンよりはるかに高い温度で超伝導を示すメカニズムは何ですか？常温大気圧で超伝導体となる物質を作ることは可能ですか？[47]
- 非晶質固体：流体または通常の固体とガラス相の間のガラス転移の性質は何ですか？ガラスの一般的な性質とガラス転移を引き起こす物理的プロセスは何ですか？[69] [70] [71]
- 低温非晶質固体の普遍性：なぜフォノン波長とその平均自由行程の無次元比が、非常に多くの無秩序固体ファミリーでほぼ同じなのか？ [72] [73]この小さな比率は、非常に広い範囲のフォノン周波数で観察されます。
- 極低温電子放出：光電子増倍管の温度が下がると、光がない場合の電子放出が増加するのはなぜですか？[74] [75]
- ソノルミネッセンス：音によって励起された液体中の泡が破裂して短い光を放出する原因は何ですか？[76] [77]
- トポロジカル秩序：トポロジカル秩序は非ゼロ温度で安定か？同様に、3次元の自己修正 量子メモリを持つことは可能か？[78]
- ゲージブロックの絞り: ゲージブロックを一緒に絞り込むことができるメカニズムは何ですか?
- 分数ホール効果：分数量子ホール効果におけるu = 5/2状態の存在をどのようなメカニズムで説明するのか？それは非アーベル分数統計を持つ準粒子を記述するのか？[79]
- 液晶：液晶状態におけるネマチック相からスメクチック相（A）への相転移は普遍的な相転移として特徴付けられるか？[80] [81]
- 半導体ナノ結晶：量子ドットの最低光吸収遷移のエネルギーサイズ依存性が非放物線性を示す原因は何ですか？[82]
- 金属ウィスカー: 電気機器では、金属表面に微細な金属ウィスカーが自然に発生することがあり、機器の故障につながる可能性があります。圧縮機械的応力がウィスカー形成を促進することは知られていますが、成長メカニズムはまだ解明されていません。
- ヘリウム4の超流動転移：熱容量臨界指数αの実験値[83]と理論値[84] [85] [86]の相違点を説明してください。[87]
- シャルンホルスト効果：カシミール効果を利用して、2つの近接した導電板の間を光信号がcよりわずかに速く伝わることができるか？[88]
量子コンピューティングと量子情報
- 閾値問題：ノイズの多い中規模量子時代を超えることはできるのか？量子コンピュータはフォールトトレランスを実現できるのか？量子誤り訂正を実装するのに十分な量子ビットのスケーラビリティを持つことは可能か？量子ビットを物理的に実装するための最も有望な候補プラットフォームは何か？[89]
- トポロジカル量子ビット：トポロジカル量子コンピュータは有望だが、実際に構築できるのか？マヨラナゼロモードを決定的に実証できるのか？[90]
- 温度：量子コンピューティングは非極低温で実行できますか？室温で量子コンピュータを構築できますか？[91]
- 計算量クラスの問題: BQPとBPPの関係は何か? BQPとNPの関係は何か? もっともらしい物理理論(量子アルゴリズム)における計算はBQPを超えることができるか? [89]
- 耐量子暗号：いくつかの暗号プロトコルが量子コンピュータに対して安全であることを証明できるか？[89]
- 量子容量：量子チャネルの容量は一般には不明である。[92]
プラズマ物理学
- プラズマ物理学と核融合発電：核融合エネルギーは、現在核分裂エネルギーが生成しているような放射性廃棄物を出さずに、豊富な資源（例えば水素）から電力を供給する可能性がある。しかし、イオン化ガス（プラズマ）を核融合発電に十分な長さと高温で閉じ込めることはできるだろうか？ Hモードの物理的起源は何か？[93]
- 注入問題：フェルミ加速は天体粒子を高エネルギーまで加速する主なメカニズムであると考えられている。しかし、フェルミ加速が作用するのに十分なエネルギーを粒子が最初に持つメカニズムは不明である。[94]
- アルヴェニック乱流：太陽風と太陽フレアの乱流、コロナ質量放出、磁気圏サブストームは宇宙プラズマ物理学における未解決の大きな問題である。[95]
生物物理学
- 遺伝子発現における確率性とノイズに対する堅牢性: 遺伝子はどのようにしてさまざまな外圧や内部の確率性に耐えながら、私たちの体を制御しているのでしょうか?遺伝子プロセスには特定のモデルが存在しますが、特に遺伝子発現を厳密に制御する必要がある発達においては、全体像を理解するにはほど遠い状況です。
- 免疫システムの定量的研究:免疫反応の定量的特性とは何ですか?免疫システムネットワークの基本的な構成要素は何ですか?
- ホモキラリティー:生化学システムにおいて特定のエナンチオマーが優勢になる原因は何ですか?
- 磁気受容：動物（例えば渡り鳥）はどのようにして地球の磁場を感知するのでしょうか？
- タンパク質構造予測：タンパク質の3次元構造は、1次元アミノ酸配列によってどのように決定されるのか？可能なコンフォメーションの数が天文学的な数であり、コンフォメーション遷移がピコ秒からマイクロ秒の時間スケールで発生する場合、タンパク質はマイクロ秒から秒の時間スケールでどのように折り畳まれるのか？配列からタンパク質の3次元構造を予測するアルゴリズムを書くことはできるのか？天然に存在するほとんどのタンパク質のネイティブ構造は、コンフォメーション空間の自由エネルギーの最小値と一致するのか？または、ほとんどのネイティブコンフォメーションは熱力学的には不安定だが、運動学的には準安定状態に閉じ込められているのか？細胞内に存在する高密度のタンパク質が沈殿しないようにしているのは何なのか？[96]
- 量子生物学: 生物システムにおいて、機能的に重要になるほど長い時間枠で一貫性を維持できるでしょうか? 一貫性の持続というメカニズムによってのみ説明できる、生物学や生化学の重要な側面はあるでしょうか?
物理学の基礎
- 量子力学の解釈：状態の重ね合わせや波動関数の崩壊、量子デコヒーレンスなどの要素を含む現実の量子的記述は、どのようにして私たちが知覚する現実を生み出すのでしょうか？[47]この質問を別の方法で述べると、測定の問題に関するものになります。明らかに波動関数を特定の状態に崩壊させる「測定」を構成するものは何でしょうか？ 古典的な物理プロセスとは異なり、一部の量子力学的プロセス（量子もつれから生じる量子テレポーテーションなど）は、同時に「局所的」、「因果的」、「実在的」になることはできませんが、これらの特性のどれを犠牲にする必要があるのかは明らかではありません。 [97]また、これらの意味で量子力学的プロセスを記述しようとすると、カテゴリエラーになり、量子力学を適切に理解すると質問が無意味になるかどうかは明らかではありません。多世界解釈はこれを解決できますか？
- 時間の矢（例：エントロピーの時間の矢）：なぜ時間には方向があるのでしょうか？ 過去に宇宙のエントロピーがこれほど低かったのはなぜでしょうか？また、熱力学の第二法則によれば、時間は過去から未来にかけての宇宙的な（局所的ではない）エントロピーの増加と相関しているのでしょうか？ [47] CP対称性の破れはなぜ特定の弱い力の崩壊で観測され、他の場所では観測されないのでしょうか？ CP対称性の破れはどういうわけか熱力学の第二法則の産物なのでしょうか、それとも別の時間の矢なのでしょうか？ 因果律には例外があるのでしょうか？過去は一つしかあり得ないのでしょうか？現在の瞬間は過去や未来とは物理的に異なるのでしょうか、それとも単に意識の創発的特性なのでしょうか？ 量子時間の矢と熱力学の矢を結び付けるものは何でしょうか？
- 局所性：量子物理学には非局所現象が存在するのか？[98] [99]もし存在するとしたら、非局所現象はベル不等式の破れで明らかになるエンタングルメントに限定されるのか、それとも情報や保存量も非局所的に動くのか？どのような状況下で非局所現象が観測されるのか？非局所現象の存在あるいは不在は時空の基本構造について何を示唆するのか？これは量子物理学の基本的な性質の適切な解釈をどのように明らかにするのか？
1990年代以降に解決された問題
一般物理学/量子物理学
- 抜け穴のないベルテスト実験の実施（1970年[100] –2015年）：2015年10月、カブリナノサイエンス研究所の科学者らは、「抜け穴のないベルテスト」研究に基づき、局所隠れ変数仮説の失敗が96％の信頼度で裏付けられていると報告した。[101] [102]これらの結果は、2015年12月に発表された5標準偏差を超える統計的有意性を持つ2つの研究によって確認された。 [103] [104]
- ボース・アインシュタイン凝縮体の生成（1924 [105] -1995）：希薄原子蒸気の形をした複合ボソンは、レーザー冷却と蒸発冷却の技術を使用して量子縮退まで冷却されました。[要出典]
宇宙論と一般相対性理論
- 重力波の存在（1916年～2016年）：2016年2月11日、Advanced LIGOチームは、2つのブラックホールの合体から発生した重力波を直接検出したと発表しました。[106] [107] [108]これは、恒星連星ブラックホールの初めての検出でもありました。
- 連星ブラックホールの数値解（1960年代～2005年）：一般相対性理論における二体問題の数値解は40年の研究の末に達成された。2005年（数値相対性理論の奇跡の年）に3つのグループが画期的な手法を考案した。[109]
- 宇宙年齢問題(1920 年代～1990 年代): 宇宙の推定年齢は、天の川銀河の最も古い星の年齢の推定値よりも約 30 億～ 80 億年若かった。星までの距離の推定値が向上し、宇宙の加速膨張が認識されたことで、年齢の推定値が一致した。[引用が必要]
高エネルギー物理学/素粒子物理学
- ペンタクォークの存在（1964年～2015年）：2015年7月、CERNのLHCb共同研究チームは、 Λ領域にペンタクォークが存在することを発見した。0
ビット→J/ψK − pチャネルは、ボトムラムダバリオン （Λ0
ビット)をJ/ψ 中間子 (J/ψ)、カオン (K−
）と陽子（p）の衝突実験を行った。実験結果によると、Λは中間子と重粒子に直接崩壊する代わりに、0
ビットペンタクォークの中間状態を経て崩壊した。P+
は（4380）とP+
は（4450）は、それぞれ9σと12σの個別の統計的有意性を持ち、合計15σの有意性を持っており、正式な発見を主張するのに十分な値でした。2つのペンタクォーク状態は両方ともJ / ψpに強く崩壊することが観測されたため、価クォーク含有量は2つのアップクォーク、ダウンクォーク、チャームクォーク、反チャームクォークである必要があります（
あなた
あなた
d
c
c
）であり、チャーモニウムペンタクォークとなる。[110] - 物質の新しい相であるクォークグルーオンプラズマの存在は、 CERN - SPS（2000年）、BNL - RHIC（2005年）、CERN- LHC（2010年）での実験で発見され、確認されました。[111]
- ヒッグス粒子と電弱対称性の破れ（1963年[112] -2012年）： W粒子とZ粒子に質量を与え、電弱ゲージ対称性を破るメカニズムは、標準モデルのヒッグス粒子の発見と、弱い粒子との予想通りの結合によって解決された。テクニカラーが提唱した強動力学解の証拠は観測されていない。
- ほとんどの素粒子の質量の起源:ヒッグス粒子の発見により解決され、これらの粒子に質量を与えるヒッグス場の存在が示唆されました。
天文学と天体物理学
- 短時間ガンマ線バーストの起源（1993年[113] -2017年）：中性子連星の合体からキロノバ爆発と短時間ガンマ線バーストが発生し、GRB 170817Aが電磁波と重力波 GW170817の両方で検出された。[114] [115]
- 失われた重粒子問題（1998年[116] -2017年）：2017年10月に解決されたと宣言され、失われた重粒子は熱い銀河間ガス中に存在する。[117] [118]
- 長時間ガンマ線バースト（1993年[113] -2003年）：長時間バーストは、一般にコラプサーと呼ばれる特定の種類の超新星のようなイベントで発生する大質量星の死と関連している。しかし、スウィフトイベントGRB 060614のように、関連する超新星を否定する証拠を示す長時間ガンマ線バーストもある。
- 太陽ニュートリノ問題（1968年[119] -2001年）：ニュートリノ物理学の新たな理解によって解決され、素粒子物理学の標準モデル、特にニュートリノ振動の修正が必要となった。
- 土星の中心核の回転は重力場から決定された。[120]
原子核物理学
- ハゲドン温度は、物質のハドロン閉じ込め相と非閉じ込め相の間の相転移温度として認識されています。
迅速に解決された問題
- 時間結晶の存在（2012–2016）：量子化された時間結晶のアイデアは、2012年にフランク・ウィルチェクによって初めて理論化されました。[121] [122] 2016年に、ケマニら[123]とエルスら[124]は、それぞれ独立して、周期的に駆動される量子スピンシステムが同様の動作を示す可能性があることを示唆しました。また、2016年にカリフォルニア大学バークレー校のノーマン・ヤオと同僚は、スピンシステムで離散時間結晶を作成する別の方法を提案しました。[125]その後、メリーランド大学のクリストファー・モンローが率いるグループとハーバード大学のミハイル・ルーキンが率いるグループの2つのチームがこれを使用し、両チームは実験室環境で時間結晶の証拠を示し、短時間ではシステムが予測されたものと同様のダイナミクスを示すことを示しました。[126] [127]
- 光子不足危機（2014～2015年）：この問題はKhaireとSrianandによって解決されました。[128]彼らは、最新のクエーサーと銀河の観測結果を使用することで、2～5倍のメタ銀河の光イオン化率を簡単に得ることができることを示しています。最近のクエーサーの観測によると、紫外線光子に対するクエーサーの寄与は以前の推定値の2倍です。改訂された銀河の寄与は3倍です。これらを組み合わせることで危機は解決されます。
- ヒッパルコス異常（1997年[129] -2012年）：高精度視差収集衛星（ヒッパルコス）はプレアデス星団の視差を測定し、385光年の距離を算出した。これは、実際の見かけの明るさの測定や絶対等級による他の測定とは大きく異なっていた。この異常は、星団内の星の距離と距離誤差の間に相関関係があるのに加重平均を使用したために生じた。加重平均を使用しないことで解決される。星団に関しては、ヒッパルコスデータに系統的な偏りはない。[130]
- 光速を超えるニュートリノ異常（2011年～2012年）：2011年、OPERA実験でニュートリノが光速を超える速度で移動しているように見えるという誤観測が行われた。2012年7月12日、OPERAは以前の飛行時間測定に誤りがあったことを発見し、論文を更新した。ニュートリノの速度が光速と一致することが判明した。[131]
- パイオニア異常（1980年～2012年）：パイオニア10号と11号の宇宙船が太陽系を離脱する際の予測加速度に偏差があった。 [47] [17]これは、これまで考慮されていなかった熱反動力の結果であると考えられている。[132] [133]
参照
脚注
- ^ 「この問題は、基礎物理学のさらなる進歩を妨げる大きな障害の 1 つとして広く認識されています。その重要性は、さまざまな観点からさまざまな著者によって強調されています。たとえば、この問題は「真の危機」と表現され、「すべての物理学の問題の母」とさえ呼ばれています。特定の問題に取り組んでいる人々がその重要性を強調したり、誇張したりする傾向がある可能性はありますが、これらの著者は、これが解決する必要がある問題であることには全員同意していますが、解決策を見つけるための正しい方向性についてはほとんど合意がありません。」[24]
- ^ 物理学者が原子核から中性子を剥ぎ取り、それを瓶に入れ、しばらく経ってから何個残っているかを数えると、中性子は平均して 14 分 39 秒で放射性崩壊すると推測されます。しかし、他の物理学者が中性子ビームを生成し、自由中性子が崩壊して生じる粒子である陽子の数を数えると、中性子の平均寿命は約 14 分 48 秒と推定されます。この「瓶」と「ビーム」の測定値の不一致は、中性子の寿命を測定する両方の方法が 1990 年代に結果を出すようになって以来、続いています。当初は、すべての測定値があまりにも不正確だったため、誰も心配していませんでした。しかし、徐々に両方の方法が改善されましたが、それでもまだ一致しません。[26]
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外部リンク
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- 2004 SLAC サマー インスティテュート: 自然界最大の謎 2014 年 7 月 30 日にWayback Machineにアーカイブされました
- ガラスの二重人格がついに解明
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- ビッグサイエンスの危機 スティーブン・ワインバーグ、2012年5月