La respuesta "porque no necesitamos más" de @rubenvb está bien.

Al estudiar física, debes darte cuenta de que la física no está respondiendo preguntas fundamentales de "por qué". La física utiliza herramientas matemáticas para modelar medidas y estos modelos tienen que ajustarse a nuevos datos, es decir, ser predictivos. Mientras los modelos no sean falsificados, se consideran válidos y útiles. Una vez falsificados, se buscan modificaciones o incluso nuevos modelos drásticos. Un excelente ejemplo, la mecánica cuántica, cuando se invalidó la mecánica clásica: la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos falsificaron los esfuerzos del modelado clásico.

La física que usa los modelos apropiados muestra "cómo" uno pasa de los datos a las predicciones para nuevos datos experimentales. Buscando el "por qué" en los modelos, uno sube o baja las matemáticas y llega a la respuesta "porque eso es lo que se ha medido"

Porque no necesitamos más.

Bueno, no hemos encontrado ninguna evidencia de otros. Y hasta entonces, no hay necesidad. Por supuesto, algunos experimentos pueden mostrar indicios de que algo más está sucediendo que impulsa la revisión del modelo estándar.

Desde el punto de vista matemático, esto se puede explicar a partir de la simetría: el Modelo Estándar Lagrangiano obedece a un cierto conjunto de operaciones de simetría, que los físicos asumen como válidas. A partir de este lagrangiano, utilizando el formalismo de la teoría cuántica de campos, se pueden derivar las "interacciones fundamentales" separadas. De Wikipedia (énfasis mío):

La simetría global de Poincaré se postula para todas las teorías cuánticas de campos relativistas. Consiste en la simetría traslacional familiar, la simetría rotacional y la invariancia del marco de referencia inercial central para la teoría de la relatividad especial. La simetría de calibre local SU(3)×SU(2)×U(1) es una simetría interna que define esencialmente el modelo estándar. Aproximadamente, los tres factores de la simetría de calibre dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos caen en diferentes representaciones de los diversos grupos de simetría del modelo estándar (ver tabla).

Las tres interacciones mencionadas aquí son categorizaciones ligeramente diferentes de sus cuatro interacciones fundamentales, pero esencialmente iguales (excepto tal vez la parte de Brout-Englert-Higgs). Se supone que el cuarto, la gravitación, está algo relacionado con la parte de Higgs del modelo estándar, y aún no encaja del todo en el resto del modelo estándar.

Creo que es incorrecto decir que las preguntas de "por qué" están más allá del alcance de la física, o que nunca puede haber una respuesta a esta pregunta. Muy a menudo, la física puede explicar por qué algo es cierto en términos de principios más fundamentales. A veces, el por qué de esos principios más fundamentales se puede explicar en términos de principios que son aún más fundamentales. Pero siempre hay una capa más baja actualmente conocida, sobre la cual todo lo que se puede decir es "este es el modelo que mejor se ajusta a nuestras observaciones".

Por ejemplo, cuando Kepler elaboró ​​sus leyes orbitales, no eran más que hechos básicos de la naturaleza. Si preguntas por qué hicieron eso, la respuesta sería que "es lo que se ha medido", para citar la respuesta de anna v.

Pero entonces Newton encontró una razón por la que las leyes de Kepler eran ciertas: el principio de la gravitación universal. Y ahora podemos decir que la ley del inverso del cuadrado de la atracción gravitatoria es aproximadamente cierta debido a la forma en que la masa hace que se curve el espacio-tiempo. Pero en ese punto debemos detenernos. No conocemos ninguna razón más profunda por la que la masa debería hacerle eso al espacio-tiempo. Es justo lo que observamos.

Este es el estado de cosas con las cuatro fuerzas. Los mejores modelos que tenemos los incluyen, y esa es la única razón que podemos dar ahora. Pero no hay garantía de que no descubramos alguna teoría más profunda que pueda explicar la existencia de cuatro fuerzas, en lugar de tres o cinco, como consecuencia de algún principio más fundamental. Pero, en cierto sentido, volveríamos a estar donde empezamos, porque ese principio no tendría una razón por la cual es cierto.

Porque ese es el menor número de leyes que hemos podido descifrar para explicar lo que observamos lo mejor posible.

Alternativa: los físicos han estado trabajando durante más de un siglo para reducir el número de leyes fundamentales, preferiblemente a una, y hasta ahora lo han reducido a cuatro.

¿Existe una respuesta a la pregunta de por qué solo hay cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza?

No, y nunca habrá uno.

No tenemos ninguna ciencia que pueda responder a ninguna pregunta significativa de "por qué" sobre la estructura del universo, especialmente sobre por qué faltan las cosas que no observamos.

Lo mejor que se nos ocurre es observar un montón de características y descubrir teorías matemáticas/físicas que encajen un poco sobre cómo podrían estar interrelacionadas. Y nos equivocamos en eso todo el tiempo.

Mi palabra "significativo" allá arriba significa bajar a la "tortuga más baja" al explicar algo; es decir, no es simplemente una respuesta que surge de las teorías que tenemos y que parecen ajustarse a nuestra comprensión actual de la naturaleza.

Por ejemplo: sabemos que nada puede ir más rápido que cprincipalmente porque, según Einstein, se necesitaría una cantidad infinita de energía para obtener algo con una masa igual a c, sin mencionar que es más rápido. Pero esto no es, en el sentido de esta respuesta, una respuesta a la pregunta "¿por qué nada puede ir más rápido que c?". Interpreto esa pregunta como "¿Por qué nuestro universo está estructurado de tal manera que necesitas cantidades infinitas de energía para llegar a él c?".

De hecho, en un día cualquiera, alguien podría encontrar un error en nuestras teorías y descubrir una manera de moverse más rápido que c, viajar en el tiempo o encontrar una quinta interacción fundamental. Como ni siquiera podemos saber nada sobre el universo con una seguridad absoluta y fundamental, ciertamente no podemos responder a una respuesta de "por qué".

Un muy buen video sobre esto: Richard Feynman. Por qué.

Así que no voy a poder darte una respuesta a "¿por qué los imanes se atraen?" excepto para decirles que sí, y para decirles que esa es una de las [...] diferentes clases de fuerzas [...] [...y para dar una explicación en términos más difíciles...]

Este no es exactamente el mismo tipo de cosas de las que estamos hablando aquí, pero debe mostrar el espíritu al responder preguntas de "por qué".

panorama

Este es un tema fascinante, y podrías hacer algo peor que comprobar el principio antrófico y el foso de temas filosóficos que se esconde detrás de eso. Este principio viene en dos versiones:

• El principio antrófico fuerte básicamente dice (mis palabras) que el universo fue sintonizado "justo así" para permitir la vida inteligente (¡nosotros!), es decir, con intención.
• La versión débil dice "si el universo no fuera capaz de sustentar vida como la nuestra, no estaríamos aquí para hacer la pregunta".

La versión fuerte se desvía directamente en la dirección de las creencias y la religión, y aunque para muchas personas puede ser válida, ciertamente no es realmente aplicable aquí en Physics.SE (y aunque puede haber creyentes entre los físicos, ciertamente no nos da cualquier información nueva).

La versión débil es obviamente cierta y conduce a un sesgo sobre las características que debe tener nuestro universo. Pero tampoco responde a ningún tipo de pregunta profunda y sustancial de "por qué".

No hay razón para creer que solo debería haber cuatro. Cuatro es el número más alto de interacciones fundamentales que hemos visto hasta ahora, pero puede haber otras fuerzas extremadamente débiles* que simplemente no hemos observado todavía. Hay muchos experimentadores que trabajan en la búsqueda de nuevas fuerzas fundamentales macroscópicas incluso hoy; de hecho, como estudiante universitario, pasé la mayor parte de mi investigación haciendo exactamente eso.

También hay muchas razones para creer que podría haber más de cuatro fuerzas fundamentales. El documento principal que usamos para justificar nuestro tipo particular de investigación derivó 16 potenciales de intercambio de QFT no relativista, solo uno de los cuales realmente coincidió con el escalar familiar$1/r$potencial común a la gravedad y el electromagnetismo ( https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0605342.pdf ). Hay muchos, muchos otros artículos que predicen la existencia de fuerzas fundamentales adicionales de diferentes maneras, por lo que este es un campo de investigación experimental fértil.

* Bueno, ya sea extremadamente débil u ocupando rincones oscuros del espacio de fase (como una fuerza que es más fuerte a escalas de una micra, o una que requiere una combinación particular de polarización de espín y velocidad de traslación que a menudo no se prueba en el experimento).

Tomando un ángulo ligeramente diferente sobre la pregunta, la respuesta de que "no necesitamos más" es definitivamente correcta, pero además, diría que no necesitamos más, y cuanto menos, mejor .

Para responder por qué es esto, necesitamos conocer un problema que a veces se denomina sobreajuste. La idea detrás del sobreajuste es esta; digamos que diseño un modelo predictivo, por ejemplo deseo obtener una relación entre las cualidades de la savia del roble y la edad de un roble. Aprendo las edades de 100 robles a partir de registros de su plantación y mido la viscosidad de su savia, el color, la densidad, el contenido de agua y 46 observables más. Comienzo simplemente observando la relación entre la viscosidad y la edad. Tal vez usando un modelo cuadrático, con 3 parámetros. Es una relación bastante fuerte, y puedo acercarme a unos 20 años de la edad de cada árbol usando solo la viscosidad de la savia. ¡Pero hay 49 variables más! Así que construí un modelo complejo para la edad de un árbol que predice cómo la edad debería afectar las 50 variables, y luego ajusto los 150 parámetros de este modelo. Al ajustar el modelo complejo, puedo predecir las edades de los 100 árboles en un día, qué maravilloso. Entonces alguien me muestra otro roble, me dicen "Sé cuántos años tiene este roble, usémoslo para probar tu modelo". El modelo simple, solo de viscosidad, y el modelo complejo dan respuestas muy diferentes. El modelo simple es mucho más preciso para predecir la edad del nuevo árbol. ¿Por qué? Debido a que el modelo complejo realmente no estaba aprendiendo las edades de los 100 árboles, estaba aprendiendo a identificar los 100 árboles usando ruido en los datos que no estaban relacionados con su edad, y luego ajusté sus parámetros para que me diera el peso correcto para cada árbol. No fue posible hacer esto para el modelo simple, porque no había suficientes parámetros disponibles para ajustar, por lo tanto, el modelo simple se vio obligado a encontrar una correlación genuina si había una. El modelo complejo se está sobreajustando.

Y así, cuanto más complejidad hay en cualquier modelo, mayor es su tendencia a sobreajustarse. Cuando un modelo comienza a sobreajustarse, pierde poder predictivo. Estoy bastante seguro de que alguien con suficiente tiempo y paciencia podría derivar un modelo que tuviera 5 fuerzas. Incluso podrían encontrar un modelo que fuera más intuitivo o computacionalmente más fácil de trabajar. Pero ese modelo más complejo tendría menos probabilidades de ajustarse a nuevos resultados no vistos, porque su complejidad se ajustaría a los resultados que hemos visto y, por lo tanto, usaría el ruido para identificar los datos y darnos la respuesta que intentamos ajustar. Este ruido no es algo que queramos adaptar y, en primer lugar, es menos probable que un modelo más simple tenga la capacidad de adaptarse al ruido.

La búsqueda de una Teoría del Campo Unificado postula que hay un campo fundamental. Se espera que las cuatro fuerzas se unifiquen en la escala de Planck, que se encuentra en muchos órdenes de magnitud fuera del alcance experimental actual, aunque los observatorios gravitatorios y los modelos cosmológicos pueden proporcionar información.

Tres de las cuatro fuerzas fundamentales se han integrado entre sí, y la relatividad especial y de masas, en la teoría cuántica de campos (QFT). Eso solo deja la gravedad, que los principales intentos de unificar son la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles. Cabe señalar que esto tendrá que implicar tratar con la naturaleza y el surgimiento del tiempo, que no está incluido en QFT.

Se ha demostrado que las tres fuerzas fundamentales vinculadas surgen de tres simetrías fundamentales y sus principios de conservación asociados , en el tiempo (energía), en el espacio es la traslación y la rotación (momento) y la simetría interna (identidad de partículas y números cuánticos). Estas consideraciones dan lugar a la comprensión de las familias de partículas como grupos de simetría de simetría de calibre local , que emparejan los intercambios de bosones y partículas virtuales en lo que llamamos fuerzas o campos fundamentales. Tenemos el bosón de Higgs del que se deriva la masa, pero no hay pruebas de que se espere que el gravitón medie.

Entonces, las fuerzas fundamentales se revelan como relacionadas con las propiedades de las propiedades topológicas de nuestro universo. La teoría de cuerdas postula un dominio más amplio de posibilidades para las leyes físicas. Encontramos que las propiedades significativas que dan lugar a la complejidad en nuestro universo parecen ser el resultado de un ajuste fino , y vivimos en un universo ajustado que parece violar las suposiciones que hacemos sobre la ' naturalidad '. Parece inevitable que haya algún tipo de espacio de probabilidad en el que estas constantes fundamentales sean diferentes, lo que generalmente se denomina multiverso, lo que hace que el problema de ajuste fino sea ubicar nuestro propio universo dentro de eso.

Las respuestas amplias a estos temas son cuestionar el ajuste fino (en particular como antropocentrismo subjetivo), criticar por falta de imaginación (nuestra incapacidad para explorar topologías de 11 dimensiones nos da muy poca idea de las otras opciones) y el principio antrópico (muchas variantes, incluida la hipótesis de la simulación ).

No pretendo ser un experto en esto, ni siquiera tener mucho conocimiento. Solo me pareció que este terreno no estaba cubierto en otras respuestas. De lo que veo, un alto grado de escepticismo y reticencia sobre estos temas, a pesar de ser resultados evidentes y problemas abiertos de la física moderna. Me encantaría que alguien me corrija con referencias y, cuando sea posible, cuestionando las declaraciones en mis referencias .

La física (y la ciencia en general) tiene como objetivo responder a la pregunta de "¿Qué reglas parece seguir esto?" .

Somos humanos, por lo que esperamos obtener conocimientos más profundos y preguntas como "¿por qué?" nos inspiran poderosamente, y nos hacemos muchas veces estas preguntas. Pero la investigación de la ciencia dura se centra en observar y probar las reglas que las cosas parecen seguir, incluso si, como humanos, nos guiamos por ideales más amplios, e imbuimos sus hallazgos con un significado más profundo.

Así que en física nos preguntamos qué reglas parece seguir el universo físico; en biología nos preguntamos qué reglas físicas parecen seguir los sistemas vivos (incluidos los sistemas conectados como las ecoesferas), y así sucesivamente.

Para tomar una analogía, hay un juego de niños en el que una persona elige (digamos) autos específicos en la carretera y la otra persona tiene que hacer preguntas para adivinar qué regla se está usando. Es un poco así.

Lo que esto significa es que la idea de 4 fuerzas fundamentales no es cómo funciona el universo. Bueno, podría serlo, pero probablemente no lo sea, y filosóficamente es diferente de todos modos:

• El universo podría funcionar con cualquiera de los principios o con ningún principio, incluidos los que en realidad no podemos concebir o los que consideraríamos irracionales. Si así es como funciona, entonces así es como funciona y estamos atascados con eso. (Por supuesto que puede que no, pero el punto es que, si lo hiciera, entonces no podríamos rechazarlo con la mano)
• Tenemos un conocimiento limitado (básicamente todo lo que sabemos, probamos o encontramos en este momento), por lo que estamos limitados por nuestra caja de herramientas en cuanto a lo que podemos concluir. Si nuestros métodos aún no incluyen las herramientas necesarias, no podemos obtener las respuestas correctas.
• Un modelo no es lo mismo que la realidad. En el mejor de los casos, dice "Esto se aproxima mejor y predice lo que está sucediendo, y proporciona cierta lógica de cómo podría ser". Pero está íntimamente ligado al observador, y nunca es la realidad misma.

Entonces, en este momento, a partir de 2018, el mejor "qué reglas parece seguir" que hemos encontrado, tiene 4 fuerzas. Los mejores del mañana podrían tener 5, 15 o 1, o no tener ninguna noción de "fuerzas fundamentales", y el día siguiente podría volver a ser diferente.

Y es por eso que decimos que hay 4 fuerzas fundamentales. No porque las haya, sino porque nuestra mejor suposición actual de "qué reglas parece seguir" es un conjunto de reglas basadas en un concepto de campos/interacciones/fuerzas cuánticas e incluye 4 de ellas. Lo probamos duro en todo tipo de formas, y parece reflejar realmente las reglas que sigue el universo. Nuevas observaciones del mañana y nuevas mejores conjeturas: ¿quién puede decirlo?

No hay teorías que puedan predecir el número de interacciones fundamentales en la Naturaleza, y nunca existirán. A lo largo del tiempo, la Física ha ido dominando los campos de las escalas energéticas más grandes. En tiempos de la antigua Grecia, o incluso probablemente antes, los filósofos naturales se dieron cuenta de la Gravedad, la Electricidad y el Magnetismo, ya que sus efectos son perceptibles en las escalas de energía que los humanos podemos tener experiencias sensoriales. Al tratar de profundizar en la estructura de la materia (escalas espaciales más bajas = escalas de energía más altas), los físicos se dieron cuenta de que había otros dos tipos de interacciones que no podemos notar en una experiencia diaria, como caerse de la bicicleta o la alfombra con el abrigo o jugar con imanes. .

Tal vez profundizando más podamos encontrar otro tipo de interacción, tal vez no, por lo que la respuesta a esta pregunta es un poco redundante. He visto otras respuestas como "por qué necesitamos más", etc. Si nos atenemos a esta idea, entonces estamos siendo perezosos y con una enorme falta de entusiasmo, ya que la física a través de los años se ha ido renovando de acuerdo con nuestras formas de abordar. las leyes de la Naturaleza.