Die herausforderndsten physikalischen Phänomene [geschlossen]

Im Laufe der Geschichte wurden viele Modelle umgeworfen, ich werde einige der hervorstechendsten auflisten. Ich werde diejenigen ignorieren, die vor der modernen Wissenschaft entstanden sind, wobei das prominenteste das geozentrische Modell des Sonnensystems ist, und ich werde mich auf falsche Ideen beschränken, die irgendwann in der Geschichte wissenschaftlich als wahrscheinlich wahr akzeptiert wurden.

• Phlogiston: Das ist die Flüssigkeit, die Wärme transportiert. Man stellte sich vor, dass es sich um eine Größe handelt, die wie eine elektrische Ladung erhalten bleibt. Experimente mit Kanonenbohrmaschinen zeigten, dass die Wärmemenge, die man durch mechanische Arbeit erzeugen kann, nur durch Geduld und Kraft begrenzt ist, so dass die Phlogistonflüssigkeit diskreditiert wurde. Diese Arbeit ist mit dem Namen Joule verbunden. Der Ersatz für Phlogiston ist der moderne Energiebegriff, der sowohl mechanische als auch Wärmeenergie als eine Einheit umfasst, und Wärme ist nicht länger eine Größe, die getrennt von mechanischer Energie erhalten bleibt.
• Lumineferous Ether: Dies ist die Idee, dass sich Licht in einem Medium ausbreitet, das den gesamten Raum ausfüllt, und einen bevorzugten Rahmen auswählt, in dem die Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen gleich ist. Die Relativitätstheorie zeigte, dass ein solcher Rahmen nicht existiert – dass sich Licht in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters. Diese neue Symmetrie beseitigte die Notwendigkeit eines nicht-relativistischen Lichtäthers. Moderne ätherähnliche Ideen sind relativistisch invariant und beinhalten die QCD-Kondensate und den Higgs-Mechanismus.
• Das Drude-Modell: Als Elektronen bekannt waren, aber die Quantenmechanik noch nicht existierte, schlug Drude vor, dass ein Strom eine Drift von Elektronen ist. Die Idee war, dass Elektronen in einem Metall ein Gas bilden und aus irgendeinem Grund dahintreiben, als ob sie im freien Raum wären. Das Ergebnis sagte eine sehr langsame Driftgeschwindigkeit von Elektronen voraus, die Drude-Geschwindigkeit. Drudes Modell wurde quantenmechanisch gemacht, und dies erforderte, dass die Elektronen ein Quanten-Fermi-Gas bilden. Das Fermi-Gas ist bei Raumtemperatur sehr kalt, da die typische Temperatur, bei der es klassisch wird, in der Größenordnung der Schmelztemperatur des Metalls liegt. Das Verhalten eines entarteten Fermi-Gases erklärte die spezifische Wärme von Metallen und gab eine korrekte Geschwindigkeit für die stromführenden Elektronen an.
• Die Äther-Knoten-Theorie: Diese Idee stammt von Kelvin, dass Atome Wirbel im Äther sind, verschiedene Atome verschiedene Arten von Knoten und Moleküle Verbindungen sind. Es war um die Jahrhundertwende sehr beliebt, weil es erklären konnte, warum Atome diskret waren, aber es wurde gezeigt, dass es falsch war, als Bohrs Atom das Periodensystem und das Spektrum von Wasserstoff qualitativ und quantitativ erklärte.
• Das Plum-Pudding-Modell: Dieses stellte sich vor, dass Elektronen in eine große diffuse positive Ladung eingebettet waren, die das Atom war. Diese Theorie sagte voraus, warum Atome spezielle Resonanzfrequenzen haben können, in denen sie Licht stark streuen. Diese Frequenzen waren die Resonanzbewegungen der Elektronen im Plumpudding. Die Theorie ist falsch, und die richtigen Gesetze der resonanten Streuung liefert nur die Quantenmechanik.
• Die Bohr-Sommerfeld-Quantentheorie: Dies ist die alte Quantenmechanik, in der der Wirkung ganzzahlige Werte gegeben wurden. Es war eine wichtige Intuition für die Entwicklung der modernen Quantenmechanik, aber es wird heute nur als Annäherung an die tatsächlichen quantenmechanischen Gesetze anerkannt. Die modernen quantenmechanischen Gesetze wurden 1925 von Heisenberg aus den Bohr-Sommerfeld-Gesetzen abgeleitet, und dieselben Gesetze wurden auf einem anderen Weg unter Verwendung der Welle-Teilchen-Dualität von DeBroglie, Einstein und Schrödinger abgeleitet. Die Bohr-Sommerfeld-Theorie ist immer noch eine nützliche Annäherung, aber sie wird nicht mehr als grundlegend betrachtet.
• Bohr-Kramers-Slater-Theorie: Diese Idee war, dass Elektronenbahnen quantisiert sind, das elektromagnetische Feld jedoch nicht. Die Theorie sagte voraus, dass Energie nicht erhalten bleibt. Der Grund dafür ist, dass elektromagnetische Wellen, die nicht in Form von Photonen kommen, Elektronen in quantisierten Umlaufbahnen auf vielen Atomen gleichzeitig anregen können, selbst wenn dafür zu wenige Photonen in der Welle vorhanden sind. Die moderne Quantentheorie und die Beobachtung der Compton-Streuung zeigten, dass Photonen real sind, und töteten die Theorie.
• Kernelektronen: In den 1920er und 1930er Jahren, bevor das Neutron entdeckt wurde, war bekannt, dass die Masse der Kerne ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches der Masse des Protons war. Da es als unwahrscheinlich galt, dass es ein neutrales Teilchen mit der gleichen Masse wie das Proton geben würde, nahm man an, dass im Kern Elektronen fest gebunden seien. Diese Idee stand im Widerspruch zur Quantenmechanik, die vorhersagte, dass ein Elektron, das auf einen Kern beschränkt ist, etwa so massiv wie ein Proton sein würde, und als das Neutron entdeckt wurde, wurde die Idee über Bord geworfen. Sie sehen die Theorie der Kernelektronen in alten Papieren.
• Ganzzahlig geladene Sakata-Quarks: 1957 erklärte der japanische Physiker Sakata die Struktur der bekannten stark wechselwirkenden Teilchen, indem er annahm, dass sie alle aus Proton, Neutron und Lambda-Baryon bestehen. Diese Idee ist ungefähr erfolgreich, aber nur, weil Proton, Neutron und Lambda in dieser Theorie Surrogate für das Up-, Down- und Strange-Quark sind. Die Idee wurde von Gell-Mann und Zweig auf das Quark-Modell fixiert, aber Sakata wird in dieser Geschichte seltsamerweise vernachlässigt, vielleicht wegen seiner starken marxistischen politischen Neigung.
• Landau-Mittelfeld-Exponenten: Im Bereich der kritischen Phänomene sind Phasenübergänge zweiter Ordnung solche, die Potenzgesetz-Divergenzen in der Korrelationslänge und den gemittelten Feldfluktuationen am Übergang aufweisen. Die Potenzgesetze für die Divergenzen wurden von Landau anhand allgemeiner Prinzipien der Analytik vorhergesagt, später von Thom in der Katastrophentheorie präzisiert. Diese Vorhersagen scheitern, und Landau erkannte, dass dies ein Zeichen für eine wichtige neue Entdeckung war, die gemacht werden musste. Die Entdeckung war eine moderne Renormalisierung, die von Widom, Kadanoff, Wilson, Fisher und vielen anderen entwickelt wurde.
• Kolmogorov-Turbulenztheorie: Kolmogorov schlug eine Annäherung an Turbulenz vor, die die Energie in jedem Modus aus einem Argument ableitet, das nicht viel mehr Raffinesse als dimensionale Analyse erfordert. Dieselbe Theorie wurde während des Zweiten Weltkriegs von Onsager und Heisenberg reproduziert, wahrscheinlich völlig unabhängig voneinander. Die K41-Theorie sagt die Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-Korrelationsfunktionen in voll entwickelter turbulenter Strömung voraus. Die Theorie wurde zunächst für exakt gehalten, aber in den 1960er Jahren wurde langsam gezeigt, dass sie nur eine grobe erste Annäherung war, da neue Phänomene der Intermittenz die Potenzgesetze der Korrelationsfunktion veränderten.
• Steady-State-Kosmologie: Das war die Idee, dass die Expansion des Universums durch ein Feld mit einer positiven kosmologischen Konstante erzeugt wird, sodass wir in einem deSitter-Vakuum leben. Wenn sich das Universum ausdehnt, werden außerdem durch die Expansion neue H-Atome produziert, so dass sich das Universum in einem stationären Zustand befindet. Dies wurde durch Beweise für einen heißen Urknall, den kosmischen Mikrowellenhintergrund sowie die Beobachtung, dass sich alte Galaxien in ihren statistischen Eigenschaften deutlich von modernen unterscheiden, sie sind unreif und unregelmäßig, entgegen den Vorhersagen des stationären Zustands, zunichte gemacht.
• Gefrorene Schwarze Löcher in Sternen: Bevor die Theorie der Schwarzen Löcher vorangebracht wurde, schlugen viele Menschen, einschließlich Einstein, vor, dass etwas Schreckliches am Horizont passiert sei, was entweder zu Energieexplosionen oder zum Einfrieren von Materie an der Außenseite geführt habe. Dies ist in gewisser Weise wahr, da es ewig dauert, bis ein Objekt von außen gesehen den Horizont überschreitet, aber das moderne Verständnis erfordert, dass Objekte ein Inneres haben, in das sie hineingehen können.
• Überreste von Schwarzen Löchern: Das war die kurzlebige Idee, die Schwarze Löcher hinterlassen ein kleines punktförmiges Objekt mit einer riesigen Entropie, wenn sie in der Endphase zerfallen. Dies wurde entwickelt, um das Black-Hole-Informationsparadoxon zu beheben.
• Schwarze Löcher erschaffen ein anderes Universum: Diese Idee wurde mit dem Informationsverlust-Puzzle in Verbindung gebracht – wie können schwarze Löcher Informationen verlieren? Sie müssen ein neues Universum erschaffen.
• Kosmologische konstante Unterdrückung durch divergierenden Modus im Quantengravitationspfadintegral: Diese Idee stammt von Coleman, und im Gegensatz zu vielen seiner anderen brillanten Beiträge stellte sie sich als falsch heraus. Die Idee dabei war, dass der divergierende Skalierungsfaktor-Weg-Integral-Faktor im Quantengravitations-Wegintegral zu einer kosmologischen Konstante von Null führt. Diese Theorie wurde durch die Beobachtung einer kosmologischen Konstante ungleich Null zunichte gemacht.

Man könnte weitere Beispiele geben, aber es ist einfacher, in der alten Literatur nachzusehen und alle Behauptungen zu finden. Viele dieser Behauptungen sind falsch, und jede einzelne ist normalerweise ein Beispiel dieser Art. Es ist gut, die falschen Abzweigungen zu kennen, um nicht eine alte neue Idee wiederzuentdecken.

Für die herausforderndsten physikalischen Phänomene, die derzeit am schwierigsten zu verstehen sind, muss ich eines der vielen Mysterien auswählen. Ich würde wahrscheinlich sagen:

• Hochtemperatur-Supraleitung: Was macht Keramik supraleitend? Es ist eindeutig eine rein elektronische Sache, hat nichts mit Phononen zu tun, aber der Anziehungsmechanismus ist nicht vollständig verstanden. Dies ist seit 20 Jahren ein aktives Thema, aber ich sehe in der Literatur keine gute Antwort.
• Regge-Theorie: Wie erzeugt man eine Regge-Trajektorie aus einer einschränkenden Feldtheorie? Diese Frage liegt an der Schnittstelle von Stringtheorie und Quantenfeldtheorien wie QCD.
• Wie entstehen Wolken? Wie trennen sie Gebühren? Das Phänomen in Wolken ist völlig unverstanden und wichtig, um der Klimawissenschaft genauere Vorhersagen zu geben. Hier gibt es viele ungefähre Modelle

Auch hier gibt es zu viele, um sie alle aufzuzählen, man recherchiert einfach in der Literatur und findet offene Fragen.