Maciej Panczykowski

W tej części artykułu przedstawiam 20 dużych pytań fizyki, na które fizycy powinni poznać odpowiedź w XXI wieku lub w dalszej przyszłości, w niektórych przypadkach – w przyszłości bardzo dalekiej.

Zdaję sobie sprawę, że poniższa lista może zostać uznana za kontrowersyjną, szczególnie przez pozytywistów fizyki – zwolenników instrumentalizmu matematycznego, z którego wynika przekonanie, że najważniejsze w fizyce jest osiąganie wyników obliczeń, nieważne jakimi środkami. Zdecydowanie uważam, że pomyślne obliczenia stanowią sukces i dają duże możliwości opracowywania nowych technologii, niemniej jednak odpowiedzi na pytania, które nieco niżej będą zadane są niezbędne do uzyskania przez fizyków pełnego obrazu fizycznej rzeczywistości. 

1. Czy Wszechświat zaczął się od nieskończenie gęstego punktu, czy od niewielkiej struktury o skończonych rozmiarach i gęstości? Skąd wzięły się te obiekty? Musimy pamiętać, że hipoteza mówiąca, że wzięły się z nicości może być przez naukowców bardzo lubiana, może być popularna, ale nie zmieni to faktu, że jest tylko hipotezą.
2. Czy Wszechświat jest zamknięty (z krzywizną dodatnią), czy jego krzywizna jest zerowa lub ujemna i co za tym idzie, czy zapadnie się z powrotem, czy będzie rozszerzał się w nieskończoność?
3. Jeśli Wszechświat zapadnie się z powrotem w tzw. Wielkim Kolapsie, to czy będzie to definitywny koniec wszystkiego: przestrzeni, czasu i materii, czy po kolapsie nastąpi kolejny Wielki Wybuch?
4. Jaką część Wszechświata stanowi Wszechświat widzialny, czyli taki, z którego pochodzi informacja docierająca do przyrządów astronomicznych?
5. Jaki jest kształt Wszechświata? Czy jest trójwymiarową sferą, trójwymiarowym torusem czy jest jeszcze czymś innym?
6. Czym jest ciemna materia, której istnienie postuluje się w związku z obserwacją znacznie silniejszych zjawisk grawitacyjnych w galaktykach, niż wskazywałaby na to ilość materii emitującej światło? Czy składa się ona z nieznanych jeszcze cząstek czy może tak naprawdę nie istnieje, a przyczyną wspomnianych zjawisk jest inne prawo grawitacji na odległościach galaktycznych lub jeszcze inna przyczyna?
7. Czym jest ciemna energia, której istnienie postuluje się w związku z obserwacją coraz szybciej rozszerzającego się Wszechświata? Czy jest tylko postulatem ad hoc, a przyczyna tego przyspieszania jest inna?
8. Czy przestrzeń stanowi kontinuum, w którego każdym odcinku jest nieskończona liczba punktów, czy ma strukturę ziarnistą, czyli składa się z drobnych „komórek”, tak jak pozornie ciągła sztabka złota składa się z atomów złota?
9. Czym tak naprawdę jest materia? Nie dysponujemy żadnym modelem teoretycznym cząstki elementarnej pokazującym źródła różnic między nią, a przestrzenią, źródła ładunku, masy spoczynkowej, spinu i „koloru”. Nie wiemy też dlaczego niektóre cząstki są stabilne, a inne nie.
10. Jak obliczyć, wyznaczyć teoretycznie wartości mas spoczynkowych, ładunków i czasów życia cząstek elementarnych (przy przyjętych jednostkach). Przykładowo, dlaczego mion jest około 207 razy masywniejszy od elektronu? Dlaczego taka wartość, a nie inna, np. 184 lub 251?
11. Dlaczego istnieją tylko trzy generacje fermionów? Wyniki eksperymentów z rozpadem bozonu Z0 na neutrina i antyneutrina wskazują, że rozpada się tylko na 3 ich rodzaje, a jako że jest on masywny, a neutrina – ultralekkie, to byłaby energia na neutrina czwartej generacji. Co ciekawe – nie jest pewne czy neutrina i odpowiadające im antyneutrina są odrębnymi cząsteczkami, czy są ze sobą tożsame (to drugie to koncepcja neutrin Majorany).
12. Czy Wszechświat zawiera materię i antymaterię w równych ilościach, czy zawiera właściwie tylko materię, a jeśli to drugie, to co na pewno jest przyczyną tej asymetrii?
13. 13. Jaki jest dokładny mechanizm anihilacji i kreacji?
14. Dlaczego podstawowe siły przyrody mają takie, a nie inne natężenia?
15. Czy istnieją tylko 4 fundamentalne rodzaje oddziaływań? A jeśli tak, to dlaczego cztery, a nie trzy lub pięć albo sześć?
16. Co jest przyczyną bezwładności ciał? Czy rację w tej kwestii miał Mach, który twierdził, że to wynik obecności innych ciał czy przyczyna jest inna?
17. Czy fakt, że we Wszechświecie mogą istnieć złożone struktury i finalnie: inteligentne życie i cywilizacje jest dowodem na szczęśliwy przypadek, tajemniczy projekt czy na to, że Wszechświat jest jednym z wielu wszechświatów, o różnych, dowolnych prawach fizyki?
18. Czy jądra atomowe mają strukturę nieregularną, zmienną, czy nukleony układają się w nich w trwałe, krystaliczne formy?
19. Czy elektron porusza się w atomie w sposób różnorodny i ujmowalny tylko statystycznie (orbitale), czy porusza się po trajektoriach o ściśle określonych geometriach?
20. Jak powstały galaktyki? Skąd na pewno wzięły się fluktuacje gęstości materii u początku Wszechświata, które potem narastały zgodnie z „efektem kuli śniegu”? (…)

Cały artykuł przeczytacie w nr 6/2023 „Fizyki w Szkole”