¿Existen todavía fenómenos 'cotidianos' no explicados por la Física? [cerrado]

Un misterio considerable

Aquí hay un misterio que aún no se comprende bien, aunque ha habido muchos intentos de explicarlo:

¿Por qué el volumen , la capacidad de la materia para llenar el espacio exclusivamente, depende de cómo giran las partículas?

Por volumen me refiero, por ejemplo, al hecho de que puedes golpear un escritorio con el puño y tu puño se detiene en el escritorio. La materia de tu escritorio y tu puño se excluyen mutuamente de ocupar el mismo espacio. Sin volumen, el universo sería un lugar muy aburrido. Eso es porque en lugar de planetas, soles y nebulosas tendríamos agujeros negros, agujeros negros y agujeros negros. Además, las mismas características que permiten el volumen también permiten toda la increíble riqueza y variedad de combinación llamada química. Entonces, sin la física del volumen, no estaríamos aquí para hablar sobre el tema en primer lugar.

Para cada volumen, gira, gira, gira

Sin embargo, la existencia del volumen depende notablemente de la forma en que giran algunas partículas. Es esa simple conexión con la rotación la que sigue siendo misteriosa y todavía huele a algo importante que se ha pasado por alto, a una idea que, si finalmente se encuentra, haría que todos dijeran: "¡Ah! ¡Así que eso es lo que realmente está pasando allí!". Pero esa idea simple sigue faltando, a pesar de que personas como el premio Nobel Richard Feynman trabajaron en el problema de vez en cuando durante décadas, sin ningún éxito notable.

Primero debo enfatizar que se entiende muy bien cómo funciona el volumen.

Un Club Exclusivo

Es creado por algo llamado el principio de exclusión de Pauli , que se comporta como una fuerza repulsiva extremadamente poderosa que solo entra en vigor cuando partículas idénticas de cierto tipo, llamadas fermiones , se presionan muy juntas. Los fermiones son lo que solemos considerar como materia ., y tienen un "espacio de dirección" con tres partes: ubicación, impulso y orientación de giro (piense en el eje de un globo giratorio). Mientras todas las partículas sigan siendo únicas en al menos una parte de este espacio de direcciones, los fermiones estarán contentos, lo que quiere decir que se mantendrán bastante bajos en energía. Toda la geometría y los mecanismos de enlace de la química surgen directamente de la interacción bastante complicada de un núcleo que atrae un conjunto de electrones y de todos esos electrones que insisten en tener sus propias direcciones únicas de tres componentes.

Pero esa es la parte conocida. La parte difícil de explicar bien es por qué la exclusión de Pauli está ligada experimentalmente a un tipo muy específico de rotación de partículas.

Al igual que con muchas cantidades en la mecánica cuántica, la rotación de un objeto muy pequeño comienza a bloquearse en valores discretos que se basan en su momento angular. Al darse cuenta de que esta cuantización tendría que ocurrir para el momento angular, los físicos definieron la unidad más pequeña de momento angular como espín 1 . Nadie realmente pensó mucho en eso al principio, ya que el espín parecía otra "característica" más que necesitaba ser rastreada cuando se hablaba de átomos y partículas.

Una historia de dos tipos de partículas

Esta suposición resultó ser espectacularmente errónea. Posteriormente, a partir de datos experimentales, se descubrió que todo el universo parece dividirse en dos clases principales de partículas, y que estas dos clases se basan completamente en cómo giran. El primer grupo son los fermiones de los que ya he hablado; son los que tienen Pauli Exclusion y por ende volumen.

El segundo grupo se llama los bosones . Los bosones tienen espines que son múltiplos enteros simples de la unidad obvia más pequeña de espín cuantizado, espín 1 . ¡Pero estas partículas fundamentales no tienen volumen! No solo no les importa en absoluto si comparten la misma dirección, hay casos en los que prefieren tener la misma dirección. Eso es lo que es un láser: muchas partículas de luz de espín 1 que han decidido unirse y todas ocupan la misma ubicación, impulso y dirección de espín al mismo tiempo. Los bosones fundamentales son lo que solemos considerar como alguna forma de energía.

Pero si los bosones tienen rotaciones que son simples múltiplos de la unidad de rotación más pequeña posible, espín 1 , ¿qué tipo de rotación pueden tener los fermiones que sea diferente? ¿Dónde caben ellos?

El sonido de media cuerda girando

Esa es la primera cosa realmente extraña sobre el volumen: se basa en partículas cuyas rotaciones se compensan exactamente$\frac{1}{2}$unidad de los valores de rotación de los bosones, y así encajar "entre" los valores enteros de espín de los bosones. Entonces, por ejemplo, los electrones fundamentales y los protones y neutrones más complicados de la materia tienen un espín .$\frac{1}{2}$, y así todos ocupan espacio.

Si todo eso suena extraño, lo es. El desplazamiento de fermiones de "spin$\frac{1}{2}$" fue completamente inesperado para los teóricos. Primero fue una fuente de diversión y luego de desconcierto cuando la experimentación obligó por primera vez al teórico a considerar su existencia. Para un teórico de esa época (¡o ahora!), Intentar interpretar el significado visual de "una mitad" del giro 1 , que ya era el más pequeño posible, era como tratar de visualizar la mitad de un lazo de cuerda para saltar. que un bucle? ¿Qué significa eso ?

Entonces, ¿qué tan misteriosa es esta media unidad de giro?

De mala gana al principio, lo tomó para dar una vuelta

Bueno, Wolfgang Pauli fue fácilmente uno de los miembros más brillantes (y abrasivos) del club de élite de físicos que a mediados de la década de 1920 desarrollaron las bases de la mecánica cuántica moderna. Pauli al principio rechazó incluso la idea de que los electrones puntuales pudieran girar, y probablemente le costó a Ralph Kronig un premio Nobel por ello. ¡Pauli reprendiendo a Kronig tan severamente solo por mencionar la idea que Kronig a partir de entonces argumentó rotundamente en contra de su propia idea! Pauli, por otro lado, posteriormente no solo se arrepintió de su punto de vista inicial, sino que terminó desarrollando el modelo matemático para el espín.$\frac{1}{2}$que se usa hasta el día de hoy. El modelo se llama matrices de espín de Pauli .

Pero incluso alguien tan familiarizado con el tema del giro como Pauli prácticamente renunció a cualquier tipo de explicación convencional al respecto. En cambio, declaró que el giro de las partículas es una " propiedad abstracta " (p.3, línea 9 desde abajo) que no tiene una conexión particular con la rotación ordinaria. Sin embargo, dado que el espín cuántico es solo una versión cuantizada de la rotación diaria, inevitablemente está profundamente vinculado a ella. Por lo tanto, una traducción más precisa de la palabra "abstracto" en este contexto particular podría ser: "Las matemáticas funcionan muy bien, ¡así que úsalas y deja de preguntarme qué significa!"

Entonces, en resumen, la materia (que en su mayoría le gusta quedarse quieta, tiene volumen y resiste la compresión) se construye a partir de fermiones cuyas rotaciones tienen un giro extraño.$\frac{1}{2}$compensaciones en sus rotaciones, mientras que la energía (que en la mayoría de los casos es literalmente tan fluida y efímera como la luz y el sonido, y que puede comprimirse o concentrarse casi sin límite en un pequeño volumen) se construye a partir de bosones cuyas rotaciones son múltiplos de espín 1 .

Mentiras, malditas mentiras y estadísticas de giros

El teorema de la estadística de espín es el nombre formal de todo eso, y establece que las partículas con espín$\frac{1}{2}$están sujetas a la Exclusión de Pauli ("volumen"), mientras que las partículas con espín entero simple (o espín cero) no están sujetas a ella. Este teorema es principalmente un resumen de hallazgos experimentales; no es algún tipo de resultado matemático a partir del cual se predijeron fermiones y bosones en base a primeros principios.

Y es por eso que la conexión entre el volumen, la resistencia de las partículas de materia a ser comprimidas, y el giro$\frac{1}{2}$La compensación de fermiones sigue siendo más un misterio que un principio bien entendido de la física. Las pruebas ideadas para ello siguen siendo poco convincentes incluso para los expertos. Por ejemplo, una evaluación de 1998 de la teoría de las estadísticas de espín realizada por Ian Duck y ECG Sudarshan brinda un resumen detallado de las estrategias que los teóricos han usado para tratar de probar el teorema de las estadísticas de espín, pero concluye con esta línea final:

"Finalmente, nos vemos obligados a concluir que, aunque el teorema de la estadística de espín se establece simplemente, de ninguna manera se entiende o se prueba simplemente".

Dos ejemplos de tales pruebas incluyen una muy temprana (y aún persuasiva) [prueba de Julian Schwinger , y esta teoría mucho más reciente de 2003 de Paul O'Hara .

Manos invisibles, pero no del tipo Adam Smith

Una de las razones por las que no encuentro ninguna de estas pruebas particularmente persuasiva es la siguiente: si los teóricos que las crearon no supieran de antemano exactamente a dónde tenían que ir, parece poco probable que alguna vez hubieran logrado llegar a su destino. Esa situación contrasta marcadamente con la ecuación de Dirac de Paul Dirac , que sigue siendo el estándar de oro para las matemáticas teóricas experimentalmente predictivas. Una vez que se le ocurrió, la ecuación de Dirac prácticamente tuvo que arrastrar a Dirac pateando y gritando para que reconociera que debe haber un segundo universo completo de antipartículas que son imágenes especulares de partículas regulares.

La conclusión

Entonces, si bien varios métodos utilizados para probar el teorema de las estadísticas de espín pueden ser correctos, se sienten más como alguien que forja un camino tortuoso a través de bosques profundos para llegar finalmente a una luz brillante que puede ver en la distancia en todo momento. Parece bastante probable que el camino principal, el camino fácil que le muestra exactamente dónde se encuentra ese destino, aún no se haya descubierto. Una explicación verdaderamente simple de por qué girar$\frac{1}{2}$Las compensaciones conducen a la exclusión de Pauli, ya su simple y cotidiana consecuencia de que dos objetos no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo , aún no se ha encontrado.

El flujo de un fluido, como el aire, es algo muy común. Es lo que proporciona sustentación y arrastre en los aviones. Puedes sentir sus efectos si sacas la mano por la ventanilla de un coche en movimiento. Sin embargo, todavía no sabemos todo sobre el estado del flujo de fluidos llamado turbulencia y cómo un flujo laminar pasa a él.

Aunque las ecuaciones que gobiernan el flujo continuo de fluidos son bien conocidas (ecuaciones de Navier-Stokes), la comprensión teórica de sus soluciones es incompleta. Es posible resolver directamente las ecuaciones de Navier-Stokes usando métodos numéricos, sin embargo, esto lleva mucho tiempo y no es práctico para números de Reynolds altos debido a la amplia gama de escalas.

La mayoría de los códigos CFD de ingeniería resuelven las ecuaciones RANS, lo que requiere un modelo de turbulencia para representar la tensión de Reynolds. AFAIK, no existe un modelo de turbulencia que modele con precisión el flujo en todas las situaciones. (especialmente para flujos separados)

La turbulencia es un fenómeno físico que la mayoría de las personas ven a diario, incluso si no son conscientes de ello. Puede verlo en el agua que sale de un grifo, las nubes, la crema batida en el café, etc., pero la comprensión teórica y el modelado de la turbulencia están lejos de ser completos.

La conciencia queda por ser explicada por la física. El surgimiento del libre albedrío (aparente o no) queda por ser explicado por la física.

En resumen, el fenómeno cotidiano al que se hace referencia como 'vida' queda por ser explicado por la física.

Iluminación del salón.

Los relámpagos en bola son extremadamente raros, por supuesto, pero a diferencia de, digamos, la materia oscura, es posible encontrar relámpagos en bola en el curso de la vida cotidiana.

Según tengo entendido, en el caso de los rayos en bola, ni siquiera se sabe si nuestras leyes físicas actuales pueden explicarlo.

La superconductividad a temperatura crítica alta es un fenómeno físico inexplicable que está cerca de convertirse en la vida cotidiana. La superconductividad en general se ha utilizado con fines médicos, como la magnetoencefalografía, durante varios años. Recientemente ha habido realizaciones experimentales de magnetoencefalografía con dispositivos superconductores de alta temperatura crítica ( versión preliminar del artículo publicado ).

La superconductividad de temperatura crítica alta también se encuentra en el futuro cercano del transporte público mediante levitación magnética. Aunque los primeros trenes de este tipo se basan en la superconductividad convencional, que se entiende bien, ya existen prototipos a pequeña escala que emplean superconductores no convencionales.

En este punto conviene hacer un apunte sobre la mecánica cuántica en general. La superconductividad es un fenómeno cuántico macroscópicamente observable. Su descripción mecánica cuántica nos permite predecir las propiedades de los materiales y, posteriormente, proponer aplicaciones tecnológicas. Esto, sin embargo, no significa que la mecánica cuántica en sí misma (o cualquier teoría física, para el caso) se establezca más allá de toda duda como la teoría correcta. Es solo la teoría microscópica más consistente que tenemos hoy. Por lo tanto, la medida en que comprendemos los fenómenos de la mecánica cuántica está limitada por las suposiciones inherentes de la mecánica cuántica (p. ej., el principio de Pauli, como se analiza en la respuesta de Terry Bollinger).

La respuesta corta es no . La respuesta un poco más larga es no, pero More is Different .

No, la física explica todos los fenómenos cotidianos.

Hay al menos una interpretación en la que las declaraciones de Michelson eran realmente correctas cuando las dijo, y lo serían hoy. Esta es la interpretación dada por Sean Carroll (gracias a @Michael Brown por el enlace). La relatividad y la mecánica cuántica han cambiado enormemente la forma en que vemos el mundo, pero las leyes de la física que conocía Michelson siguen siendo correctas en los regímenes apropiados. En comparación con su experiencia cotidiana, la relatividad y la mecánica cuántica son "solo" correcciones en el "sexto lugar decimal".

Históricamente, se necesitaba la relatividad especial debido al resultado negativo del experimento de Michelson-Morley. Ese resultado negativo fue significativo solo porque Michelson podía medir la velocidad de la luz con mucha más precisión que cualquier otra persona en el mundo en ese momento. Sus experimentos intentaban medir variaciones en la velocidad de la luz; nadie más habría sido capaz de medir un cambio en la velocidad de la luz causado por el movimiento de la tierra. Él describe en mi copia de Estudios en Ópticaque el movimiento de la tierra en su órbita, según la teoría del éter, cambiaría la velocidad medida de la luz en una parte en 10.000; no vio ningún cambio en una parte en 400.000. Mi punto aquí es que toda la nueva física que se ha descubierto desde Michelson encaja en las regiones que no habíamos podido explorar hasta después de Michelson.

Un buen ejemplo moderno es la constante de estructura fina $\alpha$.$\alpha$es conocido por una parte en$3.2\times 10^{10}$. Cuando descubramos nueva física, coincidirá con la física actual en los primeros nueve dígitos de$\alpha$. Si no es así, entonces está mal. Cualquier física que aún no se conozca tiene que caber dentro del décimo dígito de$\alpha$y más allá.

¡Pero más es diferente!

Por eso se podría decir que la física "explica" todos los fenómenos cotidianos. Pero decir que la física lo explica todo, y que entendemos la física, no significa que entendamos todos los fenómenos cotidianos. Puedo pensar en dos buenos ejemplos.

plegamiento de proteínasestá tangencialmente relacionado con mi trabajo. Las proteínas son un grupo de aminoácidos unidos covalentemente entre sí en una cadena, posiblemente con alguna ramificación. Los aminoácidos son a su vez un grupo de átomos unidos covalentemente entre sí. La física explica los enlaces covalentes: hay una interacción electrostática, y la mecánica cuántica nos dice qué tipos de enlaces se permiten dada esa interacción en particular. Además de eso, cada aminoácido a lo largo de la cadena tiene una carga neta que depende del pH del ambiente. La forma en que la cadena proteica prefiere plegarse es entonces un problema de termodinámica. Todas estas interacciones electrostáticas dentro de la cadena, entre cadenas y entre la cadena y su entorno se suman para dar la energía total de una configuración particular. Pero diferentes configuraciones también tienen diferentes entropías. Entonces, la física describe completamente cómo se pliega la proteína como una competencia entre la entropía de cada configuración posible y la energía de esa configuración. Pero conocer la física de cómo funciona está muy lejos de poder predecir cómo debería suceder y cuándo fallará.

Esto cuenta como un fenómeno cotidiano porque se cree que las proteínas plegadas incorrectamente son al menos una causa intermedia de varias enfermedades humanas (sobre todo el Alzheimer) y porque la cocción de los alimentos desdobla ("desnaturaliza") las proteínas de los alimentos.

El otro ejemplo que daría es la conciencia. Nuevamente, entendemos que el cerebro humano está compuesto materialmente por células que interactúan entre sí mediante pulsos eléctricos. Pero estamos muy lejos de entender cómo esa física da origen a los fenómenos biológicos.

Diría que estos ejemplos son física en al menos un sentido importante. Es un tanto arbitrario dónde trazamos las líneas entre la física, la química y la biología. Pero sabemos que todos tienen que ser coherentes entre sí. La química describe las cosas que la biología da por sentadas, y la física describe las cosas que la química da por sentadas. Uno de los puntos principales del artículo More is Different es que, llegado un cierto punto, es mucho más útil y productivo dejar de preocuparse por la física, solo pensar en la química o la biología e intentar describirlas en su propio idioma. .

Depende exactamente de lo que considere 'todos los días'... por ejemplo, trabajo con físicos solares, y algunos de ellos tratan de comprender el sol para poder predecir cuándo lanzará CME o llamaradas, y qué causa la Cambios en la actividad a través de un ciclo solar. Sin embargo, el sol no lanza CME todos los días.

Si desea crear una lista, le sugiero que consulte las diversas "encuestas decadales" del Consejo Nacional de Investigación (EE. UU.) para cada disciplina. (p. ej., para la heliofísica ), que incluye información sobre qué tipo de investigación debe priorizarse para recibir financiamiento... y que básicamente proviene de las preguntas que la comunidad todavía está tratando de responder. Consulte también los diversos documentos técnicos que se tomaron como entrada (por ejemplo, para la heliofísica nuevamente ), ya que eso arrojaría una red más amplia.

... y esas son solo las preguntas que tenemos ahora. A medida que hacemos nuevos avances importantes (por ejemplo, la física cuántica), tenemos nuevas formas de ver el mundo que muestran que hay una serie de procesos que nunca antes habíamos considerado.

La sonoluminiscencia es interesante.

Un observador crítico podría decir que ni siquiera entendemos el movimiento de un objeto que cae (o cualquier movimiento clásico) de manera rigurosa. De hecho, la mecánica clásica se basa en el 'Principio de Mínima Acción'. Este principio en realidad tiene un nombre bastante inexacto. Un nombre más apropiado sería 'Principio de Acción Extrema'. En efecto, las ecuaciones de Euler-Lagrange se derivan de la condición de que se desvanezca la variación de la acción como consecuencia de una variación del camino, o en otras palabras: el camino real que la naturaleza 'elige' extremiza la acción.

Entonces, la naturaleza no elige el camino que minimiza la acción (podríamos entender eso), sino que elige un camino que minimiza o maximiza la acción. Esto suena increíble: ¿la naturaleza tomando el camino que maximiza la acción? ¿Por qué? No lo sabemos... Sin embargo, toda la teoría de la mecánica clásica se basa en esto. Obviamente, la mecánica clásica funciona y todo está bien, pero no entendemos por qué funciona de la manera que lo hace. Realmente no. Personalmente encontré esto increíble cuando mi profesor me lo dijo.

No se ha explicado realmente ningún problema con las interacciones de varios cuerpos. Con eso me refiero a cualquier cosa que no pueda explicarse como un gas ideal, ideal de excitaciones (por ejemplo, fotones, fonones), o que tenga una periodicidad bien definida (por lo que es lineal en el espacio de frecuencia).

Esto incluye la mayoría de los estados líquidos/vidriosos, turbulencias, terremotos, aparición de orden a partir de un desorden subyacente (patrones de viento, rayas en cebra),..., vida

Conocemos muchas de las propiedades de estos sistemas, es decir, comportamiento caótico, patrones macroscópicos emergentes y demás, pero ni siquiera estamos cerca de ninguna explicación. Creo que hay mucho más que "comprender" antes de que pueda calcularse.

RIEMANN ZEROS y QUANTUM CHAOS :) la similitud entre estos 2 fenómenos aparentes: la teoría de números y la física siguen sin explicación