物理学の未解決問題

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物理学の未解決問題(ぶつりがくのみかいけつもんだい)では、物理学における未解決問題を挙げる。 物理学の基礎レベルにおいても、また日常みられる複雑な現象においても、未解明の現象は多数存在し、以下に挙げたものはその少数の例にすぎない。

概要[編集]

われわれが暮らす「自然」の振る舞いを「理論」として何らかの形式にもとづいて説明することを試みる物理学において、未解決問題の多くはこれら2つの領域の関係として2種類に大別することができる。 ひとつは自然の側から理論へと問いかけるものであり、自然が示す現象観察結果を既存の理論が未だ説明できない場合である。 他方は、理論が自然へと問うものであり、ある提案されている理論やそれが予測する新たな現象を検証したりより深く調査するための実験を行うことが、現在のところ非常に困難な場合である。 物理学を含め科学の歴史は、基本的にこれら2種類の問いを解決するという営みが両輪となって発展してきた。

ただし、こうした分類も万能なものとはなりえず、問いはしばしば他の学問分野における問いとも関連する。 例えば、統計力学熱力学との関係を問う問題は、記述のレベルの異なる2つの既存の理論が一方から他方を完全には説明しきれていない問題であり、普通問題はエルゴード理論として数学的問いに集約されると考えられている。 一方、量子論相対性理論量子重力という新たな理論によって統合されるべきだと考えられている。 また問いには、常温核融合オーロラの音のように、理論的説明の前にその自然現象そのものの存在に対して意見が分かれるものもある。 さらに広くは、理論に疑問はなくとも、その成果としての工学的装置の実現可能性に関する問いも未解決問題として挙げることができる。

主な未解明問題[編集]

理論によって説明されていない未解明の現象[編集]

降着円盤ジェット
なぜ、活動銀河核のような特定の天体の周りにある降着円盤は、両極軸に沿って相対論ジェットを放射するのか?
加速膨張する宇宙
観測されているように、なぜ宇宙の膨張が加速しているのか? この加速の原因となっているダークエネルギーの性質とは何か? もしそれが、宇宙定数によるものであるとするならば、なぜ、その定数はそれほどまでに小さいのにもかかわらず0ではないのだろうか? なぜ、多くの場の量子論によって予言されているように、巨大ではないのか? また、なぜ、未知の対称性によって0ではないのか? 宇宙の終焉はいったいどのようなものなのか?
アモルファス固体
流体と通常の固体、ガラス相との間の相転移の性質とはいったい何か? ガラスの一般的な特性を生じさせている物理的な過程とは何か?
時間の矢
どうして、過去低いエントロピーであった宇宙は、過去と未来が区別できるようになり、熱力学第二法則を持つに至ったのか?
球電
これらの、赤熱している浮遊物は現実に存在するのか? それらをどのように説明するのか?
バリオン非対称性
なぜ宇宙には、反物質よりも圧倒的に多くの物質が存在するのか?
常温核融合
白金を重水素に浸すと、明らかに過剰な熱とヘリウムが発生する論理的説明は何か?
宇宙定数
なぜ、真空の零点エネルギーによって、大きな宇宙定数にならないのか? 何がその値を打ち消しているのか?
電弱対称性の破れ
WボソンとZボソンに質量を与えている、電弱ゲージ対称性の破れを引き起こしているメカニズムとはなにか? それは、単純な、標準模型におけるヒッグス機構なのか?
基礎物理定数
なぜ、我々はこれらの値のみを選び、観測するのか?
銀河回転問題
なぜ、銀河の外縁部は内縁部と同じ速度で旋回しているのか? ありうる説明として、暗黒物質修正ニュートン力学が提案された。そのうちのひとつが真実なのか、それとも両方なのか?
ガンマ線バースト
これらの桁外れに強いエネルギーを放つ天体の性質は何か?
高エネルギー宇宙線
なぜ、宇宙線のうちのいくつかは神の素粒子と呼ばれるほどの信じられないほど高いエネルギーをもっているのか? 地球近辺には十分にエネルギーのある宇宙線源がないにもかかわらず、なぜそれほどのエネルギーを持っているのか? 遠くの線源から放射される宇宙線のうちのいくつかが明らかにGZKカットオフ以上のエネルギーを持っているのはなぜか?
高温超伝導体
なぜ、特定の材料は約50Kより非常に高い温度で、超伝導を示すのか?
ニュートリノ質量
ニュートリノに質量を与える仕組みはいったい何か? ニュートリノはそれ自身の反粒子でもあるのか?
パイオニア・アノマリー
何が惑星探査機パイオニア 10 号11 号の明らかに説明のつかない太陽方向への加速を引き起こしているのか?[1]
地球フライバイ・アノマリー
地球に双曲線軌道で接近したいくつかの太陽系探査機にみられる計算と一致しない小さな速度変化の原因はなんだろうか?[1]
天文単位の永年増加
天文単位系では惑星の動きが力学法則に従っているのに、レーダー観測では惑星は遠ざかっているというデータが得られており、メートルに対して天文単位が増加しているようにみえる。 この現象はどう説明すればいいのだろうか?[1]
月の離心率の増大
月は潮汐摩擦によってゆっくり遠ざかっているが、遠ざかるだけでなく、その軌道が少しずつひしゃげていることがレーザー観測から判明した。 力学的モデルとは一致しないこの月の離心率のわずかな拡大の原因はなんだろうか?[1]
乱流
乱流(特にその内部構造)の振る舞いを記述する理論上のモデルを構築することは可能か?
太陽物理学
なぜ、太陽のコロナ(大気圏)は太陽表面よりも遥かに熱いのか?
エルゴード理論の証明
集合平均と時間平均は一致するのか?
非対称性の起源
宇宙において、非対称の起源となっているものは何か?
流星の音・オーロラの音
流星と同時に聞こえるとされる音は実在のものだろうか?[2] 電磁波音のような提案されている理論はそれを説明するものとなるだろうか? また、同じく古くから伝えられているオーロラの音は本当に存在するのだろうか?[3] 存在するなら、それは流星の音と関係したものだろうか、まったく別だろうか?

自然において確認されていない問い・予測[編集]

アキシオン
Peccei-Quinn理論(もしくは機構)は強いCP問題の解となるのか? 予測されたアキシオンの特性は何か?
宇宙のインフレーション
宇宙インフレーション理論は正しいのか? もしそうならば、インフレーションが発生した時の詳細はどのようなものか? インフレーションを引き起こす仮のインフレーション場とは何か?
余分な次元
自然には4つ以上の次元が存在するのか?
超光速
光より速く進むことは可能か?
重力波
我々の宇宙はビッグバン以来重力波で満たされているのか? 中性子星のような天体物理学的な放射源から放射されているのか? これは、量子重力理論一般相対性理論について我々に何を教えてくれるのか?
磁気単極子
磁荷を持つ素粒子は存在するのか? もしそうならば、どうしてそれらを検出するのが困難なのか?
陽子崩壊
標準模型以降の多くの理論は陽子崩壊を予言している。陽子は崩壊するのだろうか? もしそうならば、その半減期はどのくらいか?
非摂動的領域における量子色力学 (QCD)
QCDの方程式は原子核レベルのエネルギースケールでは未解決である。QCDは原子核および核構成の物理学をどのように作り上げていくのか?
量子重力
どのようにすれば、量子力学一般相対性理論と統合されて「万物の理論」と呼ばれる理論が構築できるのか? 弦理論量子重力理論への道の途上なのだろうか、それとも袋小路の理論なのだろうか? プランクスケールでの物理的現象について実験と一致する結果を導き出す方法があるのだろうか?
対応原理を適用した量子力学
量子力学の好ましい解釈はあるのか? 状態の重ね合わせ波動関数の崩壊のような要素を含む現実の量子の振る舞いの記述は、我々が見ている現実をどのようにして引き起こすのか?
標準模型におけるヒッグス機構
標準模型におけるヒッグス粒子は存在するのか?
超対称性
超対称性は本当に実現されている対称性なのか? もしそうならば、超対称性はどのような機構で破れるのか?
テクニカラー
電弱対称性を破る機構は、強結合ダイナミクスなのか?

工学的挑戦[編集]

核融合エネルギー
核分裂よりむしろ核融合によってエネルギーを得る、実用的な核反応炉を建設することは可能か?
量子コンピュータ
量子ビット (qubit) を用いて計算を行う実用的なコンピュータは開発可能か?

近年解決された問題[編集]

関連項目[編集]

出典・注釈[編集]

  1. ^ a b c d Anderson, John D. and Michael Martin Nieto (2010). “Astrometric Solar-System Anomalies”. In Klioner, Sergei A., P. Kenneth Seidelmann, and Michael H. Soffel (eds.). Relativity in Fundamental Astronomy (IAU S261): Dynamics, Reference Frames, and Data. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-76481-0  (arXiv: 0907.2469).
  2. ^ 司馬康生. “流星に伴って聞こえる音”. 流星物理教室. 2010年11月12日閲覧。
  3. ^ Vaivads, Andris. “Auroral Sounds”. 2010年11月12日閲覧。

外部リンク[編集]