Gibt es noch „alltägliche“ Phänomene, die die Physik nicht erklären kann? [abgeschlossen]

Es gibt zwei sehr berühmte Zitate des deutschen Nobelpreisträgers Albert Abraham Michelson , an die man sich vor allem deshalb erinnert, weil sie extrem falsch waren (insbesondere, weil er sie kurz vor zwei großen Revolutionen in Physik, Quantenmechanik und Relativitätstheorie sagte):

  • Die wichtigeren fundamentalen Gesetze und Tatsachen der physikalischen Wissenschaft sind alle entdeckt worden, und diese sind so fest etabliert, dass die Möglichkeit, dass sie jemals infolge neuer Entdeckungen verdrängt werden, äußerst gering ist.

  • Viele andere Beispiele könnten angeführt werden, aber diese werden ausreichen, um die Aussage zu rechtfertigen, dass „unsere zukünftigen Entdeckungen an der sechsten Dezimalstelle gesucht werden müssen“.

Es ist jedoch einigermaßen verständlich, dass Michelson dachte, die Physik sei fast „abgeschlossen“. Fast jedes physikalische Phänomen, dem ein Mensch im täglichen Leben begegnen könnte, war erklärt worden, einschließlich Schwerkraft, Bewegung und Elektromagnetismus.

Mit dem Aufkommen der Quantenmechanik wurden noch mehr physikalische Phänomene erklärt. Heutzutage ist es so weit gekommen, dass es einem Laien scheinen könnte, als sei die Physik tatsächlich „vollständig“. Die Ausnahmen von dieser Regel liegen meines Wissens sehr tief in der Theoretischen Physik, zB bei Themen wie Quantengravitation, Dunkle Materie oder Dunkle Energie. Das sind Dinge, von denen die durchschnittliche Person nichts weiß. Außerdem braucht er sie im Gegensatz zur klassischen Mechanik gar nicht zu kennen, da es sich meist um sehr kleine, sehr große, sehr weit entfernte oder sehr hypothetische Welten handelt.

Das führt mich zu meiner Frage:

Gibt es „alltägliche“ Phänomene, die von der Physik unerklärt bleiben?

Zur Verdeutlichung, mit alltäglich meine ich „Zeug“, von dem der Durchschnittsmensch etwas weiß und dem er vielleicht im Alltag begegnen könnte. Beispielsweise könnte ein ungelöstes Problem in der Mechanik in Frage kommen, auch wenn es sich nicht um einen häufigen Effekt handelt.

Es kommt etwas darauf an, was du meinst. Wir können viele Dinge nicht berechnen, einfach weil die Situationen sehr kompliziert sind und viele Teile beinhalten, aber es wird allgemein angenommen, dass die Grundgesetze verstanden werden. Zum Beispiel behauptet Sean Carroll häufig, dass wir eine vollständige Theorie alltäglicher Phänomene haben.
@MichaelBrown Was ein gültiges "Nein" zu dieser Frage wäre
Für den Anfang: Einige Dinge sind teilweise verstanden. Nehmen Sie zum Beispiel die Bildung von Protonen: Wir verstehen weltweit, wie das passiert, aber niemand weiß, wie man die Protonenmasse mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 % in einer einfachen Mathematica-Datei berechnet, geschweige denn von Hand. Könnte für Ihren Geschmack zu weit von der "alltäglichen" Physik entfernt sein ...
@Vibert Ich würde es als grenzwertig "alltäglich" betrachten, da die durchschnittliche Person weiß, was ein Proton ist (oder zumindest hoffe ich es)
Ich habe einmal einem meiner Professoren eine ähnliche Frage gestellt (es war eher im Rahmen des Standardmodells) und er hat eine ganz grundlegende Situation erwähnt, die wir mit unserem derzeitigen Verständnis nicht richtig beschreiben können. Leider weiß ich nicht mehr, von welcher Situation er sprach, aber ich werde sehen, ob ich ihn bald wieder fragen kann. Vielleicht kann ich es dann hier in eine Antwort einfügen.
@Wouter Das wäre wunderbar
@OmnipresentAbsence Ich habe eine Antwort auf etwas anderes gepostet, an das ich mich erinnerte, dass ein (anderer) Professor von mir vor einiger Zeit erwähnt hatte. Aber wenn ich herausfinde, was die andere Situation ist, von der ich vorhin gesprochen habe, werde ich sie auch dort einfügen.
"Wissenschaftler haben den Mechanismus des Blitzes noch nicht vollständig verstanden. Wir können den Vorgang des Blitzes beschreiben, aber viele Phänomene des Blitzes wurden nicht erklärt." hk-phy.org/iq/lightning/lightning_e.html
Soweit ich weiß, verstehen wir immer noch nicht, warum Trägheit und Gravitationskraft eines Objekts dieselbe Ursache (seine Masse) haben.

Antworten (11)

Ein beträchtliches Mysterium

Hier ist ein Rätsel, das nach wie vor kaum verstanden wird, obwohl es viele Versuche gab, es zu erklären:

Warum hängt das Volumen – die Fähigkeit der Materie, ausschließlich Raum auszufüllen – davon ab, wie sich Teilchen drehen?

Mit Lautstärke meine ich zum Beispiel die Tatsache, dass man mit der Faust auf einen Schreibtisch hämmern kann und die Faust am Schreibtisch stoppt. Die Materie in Ihrem Schreibtisch und Ihre Faust schließen sich gegenseitig aus, den gleichen Raum einzunehmen. Ohne Volumen wäre das Universum ein sehr langweiliger Ort. Das liegt daran, dass wir anstelle von Planeten, Sonnen und Nebeln Schwarze Löcher, Schwarze Löcher und Schwarze Löcher hätten. Darüber hinaus ermöglichen dieselben Funktionen, die Volumen ermöglichen, auch den unglaublichen Reichtum und die Vielfalt der Kombinationen, die als Chemie bezeichnet werden. Ohne die Physik des Volumens wären wir also gar nicht hier, um über das Thema zu sprechen.

Für jedes Volumen, drehen, drehen, drehen

Die Existenz von Volumen hängt jedoch bemerkenswerterweise davon ab, wie sich einige Teilchen drehen. Es ist diese einfache Verbindung zur Rotation, die mysteriös bleibt und immer noch nach etwas Wichtigem riecht, das übersehen wird, nach einer Einsicht, die, wenn sie endlich gefunden würde, alle dazu bringen würde, zu sagen: „ Ah ! Aber diese einfache Einsicht fehlt, obwohl Leute wie der Nobelpreisträger Richard Feynman jahrzehntelang immer wieder an dem Problem gearbeitet haben, ohne nennenswerten Erfolg.

Ich sollte zuerst betonen, dass die Funktionsweise von Lautstärke sehr gut verstanden wird.

Ein exklusiver Club

Es wird durch das sogenannte Pauli-Ausschlussprinzip erzeugt , das sich wie eine extrem starke Abstoßungskraft verhält, die nur dann wirksam wird, wenn identische Teilchen einer bestimmten Art, Fermionen genannt , eng zusammengepresst werden. Fermionen sind das, was wir normalerweise unter Materie verstehen, und sie haben einen "Adressraum" mit drei Teilen: Ort, Impuls und Drehorientierung (denken Sie an die Achse eines sich drehenden Globus). Solange alle Teilchen in mindestens einem Teil dieses Adressraums einzigartig bleiben, sind die Fermionen glücklich, das heißt, sie bleiben ziemlich energiearm. Alle Geometrie- und Bindungsmechanismen der Chemie ergeben sich direkt aus dem ziemlich komplizierten Zusammenspiel eines Kerns, der eine Reihe von Elektronen anzieht, und all dieser Elektronen, die darauf bestehen, ihre eigenen einzigartigen Drei-Komponenten-Adressen zu haben.

Aber das ist der bekannte Teil. Der schwer zu erklärende Teil ist, warum der Pauli-Ausschluss experimentell an eine sehr spezifische Art der Teilchenrotation gebunden ist.

Wie bei vielen Größen in der Quantenmechanik beginnt die Rotation eines sehr kleinen Objekts, sich an diskrete Werte zu binden, die auf ihrem Drehimpuls basieren. Als die Physiker erkannten, dass diese Quantisierung für den Drehimpuls erfolgen müsste, definierten sie die kleinste Einheit des Drehimpulses als Spin 1 . Niemand dachte zuerst wirklich viel darüber nach, da der Spin einfach nur ein weiteres „Merkmal“ zu sein schien, das verfolgt werden musste, wenn es um Atome und Teilchen ging.

Eine Geschichte von zwei Partikeltypen

Diese Annahme erwies sich als spektakulär falsch. Später wurde aus experimentellen Daten erkannt, dass das gesamte Universum in zwei Hauptklassen von Teilchen zu zerfallen scheint und dass diese beiden Klassen ausschließlich auf ihrer Rotation beruhen. Die erste Gruppe sind die Fermionen, über die ich bereits gesprochen habe; Sie sind diejenigen, die Pauli-Ausschluss und damit Volumen haben.

Die zweite Gruppe wird Bosonen genannt . Die Bosonen haben Spins, die einfache ganzzahlige Vielfache der kleinsten offensichtlichen Einheit des quantisierten Spins sind, Spin 1 . Aber diese Elementarteilchen haben kein Volumen! Es ist ihnen nicht nur völlig egal, ob sie dieselbe Adresse haben, es gibt Fälle, in denen sie es vorziehen , dieselbe Adresse zu haben. Das ist ein Laser: Viele Lichtteilchen mit Spin 1 , die beschlossen haben, sich zusammenzuschließen, und die alle gleichzeitig denselben Ort, denselben Impuls und dieselbe Spinadresse einnehmen. Fundamentale Bosonen sind das, was wir normalerweise als eine Form von Energie betrachten.

Aber wenn Bosonen Rotationen haben, die einfache Vielfache der kleinstmöglichen Rotationseinheit Spin 1 sind, welche Art von Rotation können Fermionen haben, die anders ist? Wo passen sie hinein?

Das Geräusch eines sich drehenden halben Seils

Das ist das erste wirklich Merkwürdige am Volumen: Es basiert auf Partikeln, deren Rotationen um genau versetzt sind 1 2 Einheit aus den Rotationswerten der Bosonen und passen somit "zwischen" die ganzzahligen Spinwerte der Bosonen. So haben beispielsweise Grundelektronen und die komplizierteren Protonen und Neutronen der Materie alle einen Spin 1 2 , und so nehmen alle Raum ein.

Wenn das alles seltsam klingt, ist es das. Der Fermion-Offset von „spin 1 2 " war für Theoretiker völlig unerwartet. Es war zuerst eine Quelle der Belustigung und dann der Verblüffung, als Experimente den Theoretiker zum ersten Mal zwangen, seine Existenz in Betracht zu ziehen. Für einen Theoretiker dieser Zeit (oder heute!), der versuchte, die visuelle Bedeutung von "eine Hälfte" zu interpretieren." der bereits kleinstmöglichen Drehung 1 war wie der Versuch, sich die Hälfte einer Springseilschlaufe vorzustellen.Schließlich kann man in einem Springseil mit erfahrenen Springseilwirbeln eine oder zwei oder sogar mehr Schlaufen haben - aber weniger als eine Schleife?Was bedeutet das überhaupt ?

Wie mysteriös ist also diese halbe Spin-Einheit?

Zuerst widerwillig nahm er es für eine Spritztour

Nun, Wolfgang Pauli war mit Sicherheit eines der brillantesten (und aggressivsten) Mitglieder des sehr elitären Clubs der Physiker, die Mitte der 1920er Jahre die Grundlagen der modernen Quantenmechanik entwickelten. Pauli lehnte zunächst sogar die Idee ab , dass sich punktförmige Elektronen drehen könnten, und kostete Ralph Kronig wahrscheinlich deswegen einen Nobelpreis. Pauli tadelte Kronig so hart, nur weil er die Idee aufbrachte, dass Kronig danach entschieden gegen seine eigene Idee argumentierte! Pauli hingegen bereute später nicht nur seine anfängliche Ansicht, sondern entwickelte schließlich das mathematische Modell für den Spin 1 2 das ist bis heute gebräuchlich. Das Modell heißt Pauli-Spin-Matrizen .

Aber selbst jemand, der mit dem Thema Spin so vertraut ist wie Pauli, hat jede Art von konventioneller Erklärung dafür ziemlich aufgegeben. Stattdessen erklärte er den Teilchenspin zu einer „ abstrakten Eigenschaft “ (S.3, Zeile 9 von unten), die keine besondere Verbindung zur gewöhnlichen Rotation hat. Da der Quantenspin jedoch nur eine quantisierte Version der alltäglichen Rotation ist, ist er unvermeidlich eng damit verbunden. Daher könnte eine genauere Übersetzung des Wortes "abstrakt" in diesem speziellen Kontext lauten: "Die Mathematik funktioniert wunderbar, also verwenden Sie es bitte einfach und hören Sie auf, mich zu fragen, was es bedeutet!"

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Materie (die meistens gerne an Ort und Stelle bleibt, Volumen hat und der Kompression widersteht) aus Fermionen aufgebaut ist, deren Rotationen alle einen ungeraden Spin haben 1 2 Offsets in ihren Rotationen, während Energie (die meistens buchstäblich so flüssig und vergänglich ist wie Licht und Ton und die fast unbegrenzt auf ein kleines Volumen komprimiert oder fokussiert werden kann) aus Bosonen aufgebaut wird, deren Rotationen alle Vielfache von Spin 1 sind .

Lügen, verdammte Lügen und Spin-Statistiken

Das Spin-Statistik-Theorem ist der formale Name für all das und besagt, dass Teilchen mit Spin 1 2 unterliegen dem Pauli-Ausschluss ("Volumen"), während Partikel mit einfachem ganzzahligem Spin (oder Nullspin) nicht davon betroffen sind. Dieses Theorem ist in erster Linie eine Zusammenfassung experimenteller Befunde; es ist nicht irgendeine Art von mathematischem Ergebnis, aus dem Fermionen und Bosonen basierend auf Grundprinzipien vorhergesagt wurden.

Und deshalb besteht der Zusammenhang zwischen dem Volumen – dem Widerstand von Materiepartikeln, komprimiert zu werden – und dem Spin 1 2 Der Offset von Fermionen bleibt eher ein Mysterium als ein gut verstandenes Prinzip der Physik. Die dafür erdachten Beweise überzeugen selbst die Experten nicht. Eine Bewertung der Spin-Statistik-Theorie von 1998 von Ian Duck und ECG Sudarshan bietet beispielsweise eine detaillierte Zusammenfassung der Strategien, die Theoretiker bei dem Versuch verwendet haben, das Spin-Statistik-Theorem zu beweisen, schließt jedoch mit dieser letzten Zeile:

"Schließlich müssen wir feststellen, dass das Spin-Statistik-Theorem zwar einfach gesagt, aber keineswegs einfach verstanden oder einfach bewiesen ist."

Zwei Beispiele für solche Beweise sind ein sehr früher (und immer noch überzeugender) [Beweis von Julian Schwinger und diese viel neuere Theorie aus dem Jahr 2003 von Paul O'Hara .

Unsichtbare Hände, aber nicht der Adam-Smith-Typ

Ein Grund, warum ich keinen dieser Beweise besonders überzeugend finde, ist folgender: Wenn die Theoretiker, die sie geschaffen haben, nicht im Voraus genau gewusst hätten, wohin sie gehen müssten, wäre es unwahrscheinlich, dass sie ihr Ziel jemals erreicht hätten. Diese Situation steht in krassem Gegensatz zu Paul Diracs Dirac - Gleichung , die der Goldstandard für experimentell vorhersagende theoretische Mathematik bleibt. Sobald er darauf gekommen war, musste die Dirac-Gleichung Dirac so ziemlich dazu bringen, zu strampeln und zu schreien, um anzuerkennen, dass es ein ganzes zweites Universum von Antiteilchen geben muss , die Spiegelbilder regulärer Teilchen sind.

Der Abschluss

Obwohl verschiedene Methoden zum Beweis des Spin-Statistik-Theorems durchaus richtig sein können, fühlen sie sich eher wie jemand, der einen Umweg durch tiefe Wälder bahnt, um schließlich zu einem hellen Licht zu gelangen, das er jederzeit in der Ferne sehen kann. Es scheint sehr wahrscheinlich, dass die Hauptstraße, der einfache Pfad, der Ihnen genau zeigt, wo dieses Ziel liegt, noch nicht entdeckt wurde. Eine wirklich einfache Erklärung, warum Spin 1 2 Versetzungen führen zu Paulis Ausgrenzung und zu ihrer einfachen, alltäglichen Konsequenz, dass zwei Objekte nicht gleichzeitig denselben Raum einnehmen können , muss noch gefunden werden.

Heiliger Strohsack. Du solltest mehr populärwissenschaftliche Blogposts/Artikel/Bücher oder was auch immer schreiben. Diese Antwort ist brillant (und wirklich leicht zu lesen)!
Danke Kitchi! Ähm... @dmckee, hast du das hier geschlossen? Ich gebe zu, ich bin überrascht: 13 Stimmen und eine akzeptierte Antwort mit 10 Stimmen? Mit 16 Links, auf die in meiner Antwort verwiesen wird, und keinen Beschwerden, die ich gesehen habe, habe ich wirklich Probleme, die Teile "nicht konstruktiv" und "muss durch Fakten gestützt werden" des Abschlusses zu verstehen? ...
Vielen Dank. Gut geschrieben. Nicht viele Leute sind bereit, das Wort Rotation zu verwenden, wenn sie über Spin sprechen. Ich weiß, dass es in meinem Grundstudium stark herabgesehen wurde.
@terry Bollinger, warum wurde Spin 1/2 nach seiner Entdeckung nicht zur grundlegenden Einheit des Spins?
Ziemlich genau deshalb, weil Pauli es satt hatte, keinen physikalischen Sinn aus der Idee zu machen, und so einfach die Hände hochwarf und 1/2 Spin zu einer mathematischen Abstraktion erklärte, die die Leute akzeptieren und aufhören sollten, sich Sorgen zu machen. Pauli hatte einen immensen Ruf und neigte dazu, seine Ansichten aggressiv zu äußern. Als er diese Ansicht also erklärte, blieb sie irgendwie hängen. Obwohl also 1/2 zutiefst mit der Rotation verbunden bleibt, da es das kleinste experimentell beobachtete Quantum des Drehimpulses ist, wird seit Paulis Einschätzung, die solche Verbindungen sogar vorschlägt, davon abgeraten.

Der Fluss eines Fluids, wie z. B. Luft, ist etwas ganz Alltägliches. Es sorgt für Auftrieb und Luftwiderstand in Flugzeugen. Sie können seine Wirkung spüren, wenn Sie Ihre Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos strecken. Wir wissen jedoch immer noch nicht alles über den Zustand der Flüssigkeitsströmung, der als Turbulenz bezeichnet wird, und wie eine laminare Strömung in sie übergeht.

Obwohl die maßgeblichen Gleichungen für eine kontinuierliche Fluidströmung bekannt sind (Navier-Stokes-Gleichungen), ist das theoretische Verständnis ihrer Lösungen unvollständig. Eine direkte Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit numerischen Methoden ist zwar möglich, jedoch sehr zeitaufwändig und für hohe Reynolds-Zahlen aufgrund der großen Skalenbreite nicht praktikabel.

Die meisten technischen CFD-Codes lösen stattdessen die RANS-Gleichungen, die ein Turbulenzmodell erfordern, um die Reynolds-Spannung darzustellen. AFAIK, es gibt kein Turbulenzmodell, das die Strömung in allen Situationen genau modelliert. (insbesondere bei getrennten Strömungen)

Turbulenzen sind ein physikalisches Phänomen, das die meisten Menschen täglich sehen, auch wenn sie sich dessen nicht bewusst sind. Sie können es in Wasser sehen, das aus einem Wasserhahn kommt, Wolken, Sahne in Kaffee rühren usw., aber das theoretische Verständnis und die Modellierung von Turbulenzen sind noch lange nicht vollständig.

Ich denke, Sie verwechseln hier RANS mit LES? LES verwendet Modelle, um nicht aufgelöste Skalen (Untergitter) darzustellen. RANS gibt Ihnen nur Zeit- oder Ensemble-Durchschnittswerte.
@Bernhard RANS benötigt auch Subgrid-Modelle, um den Einfluss fehlender Skalen auf die Zeitmittelwerte darzustellen. Diese Modelle können mit den in LES verwendeten übereinstimmen oder nicht.
@ tpg2114 In RANS werden diese jedoch normalerweise nicht als Subgrid-Modelle bezeichnet. Siehe auch die Bearbeitung von user2018790
Man könnte hinzufügen, dass (Ergebnisse hin) der Beweis der Existenz von Lösungen für die Navier-Stokes-Gleichungen eines der Clay Millenium Prize-Probleme ist .
Für einen strengen Reduktionisten gehört dies in die Kategorie der „im Prinzip verstandenen, aber in der Praxis nicht berechenbaren Dinge“ – die ich oben in einem Kommentar erwähnt habe. Ich stimme Ihnen jedoch nicht zu - ob dies als etwas verstanden gilt oder nicht, hängt von dem schlecht definierten Konzept einer "Erklärung" für etwas ab. Dies verlässt die Physik und wird zur Philosophie.
@MichaelBrown: In der Praxis verstandenes führt immer noch zu ungeklärten Teilen: Wie und warum bilden sich Staubteufel und können wir vorhersagen, wann sie auftreten werden?
Ich dachte, dass numerische Lösungen für NS in der Lage sind, Flussinformationen mit beliebig geringer Genauigkeit bereitzustellen - so dass das Hauptproblem der Rechenaufwand und nicht die "Physik" war. In diesem Sinne scheint dies kein "unerklärliches" Phänomen zu sein, sondern nur eine (wichtige) Unannehmlichkeit.

Das Bewusstsein muss noch durch die Physik erklärt werden. Die Entstehung des freien Willens (offensichtlich oder nicht) muss noch durch die Physik erklärt werden.

Kurz gesagt, das als „Leben“ bezeichnete Alltagsphänomen muss noch durch die Physik erklärt werden.

Ist das nicht außerhalb der Physik?
Genau genommen existiert möglicherweise gar kein Bewusstsein.
@OmnipresentAbsence Obwohl es außerhalb des Bereichs der Physik liegen mag, ist es wohl das offensichtlichste unerklärliche Phänomen im täglichen Leben und beantwortet daher die Frage.
Bewusstsein wird mit ziemlicher Sicherheit mit QM-Prozessen im Gehirn zusammenhängen, also direkt mit Physik.
"außerhalb der Physik" ist für mich gleichbedeutend mit "nicht physikalisch erklärbar".
@Johannes Ich würde das in Betracht ziehen, um die eigentliche Frage zu vermeiden. Nach Ihrer Logik könnte ich dies auch mit „Promi-News“ beantworten. Es liegt außerhalb des Bereichs der Physik und ist daher durch die Physik nicht erklärbar. Ich habe meine Frage vielleicht nicht perfekt formuliert, aber ich hatte keine Ahnung, dass die Leute die Frage so falsch interpretieren würden, dass ich diese Art von Antworten bekomme. Außerdem würde ich das Bewusstsein nicht als „Phänomen“ betrachten.
Ja, Promi-News sind in meiner Antwort enthalten "alle Phänomene, die unter den Oberbegriff 'Leben' fallen, sind physikalisch unerklärbar". Promi-Nachrichten stellen eine weitere Manifestation des Lebens dar und sind als solche physikalisch nicht erklärbar.
@Draksis Glaubst du ernsthaft, dass dies die Frage beantwortet? Ich denke, das geht gar nicht. Schauen Sie sich die anderen Antworten an, das habe ich gemeint, nicht Antworten wie diese. Ich mache Johannes keinen Vorwurf, weil er die Frage falsch interpretiert hat, was als meine Schuld angesehen werden könnte, aber ich meinte Dinge, die durch Physik erklärt werden KÖNNEN, aber derzeit nicht sind. Erklärungen des Bewusstseins wären meiner Meinung nach eher für Biologie, Philosophie oder vielleicht Psychologie geeignet.
@Omni - Sie scheinen davon überzeugt zu sein, dass Bewusstsein grundsätzlich physikalisch unerklärbar ist. Was macht Sie so überzeugt? Allgemeiner: Wie zeigt man, dass ein bestimmtes Phänomen „durch Physik erklärt werden kann, es aber nicht ist“?
@Johannes Es könnte durch Physik genauso erklärbar sein, wie Chemie und Biologie durch Physik erklärbar sind; Physik bildet die Grundlage dieser Wissenschaften, und Sie könnten diese Bereiche mit Physik erklären, aber die Bereiche selbst sind von der Physik getrennt, daher betrachte ich unerklärte biologische / chemische Phänomene nicht auch als unerklärte physikalische Phänomene. Was Ihre zweite Frage angeht, glaube ich, dass Sie Ihre Antwort rechtfertigen, indem Sie unvernünftige Fragen stellen. Was ist Physik? Was ist ein Phänomen? Wie definierst du "können"?
@Johannes Wenn du mir DEINE Antworten auf diese Frage gibst, kann ich deine Frage zu deiner Zufriedenheit beantworten, sonst findest du immer eine Lücke in meiner Antwort und machst so lange weiter, bis wir so sehr von der ursprünglichen Frage abgewichen sind, dass es nutzlos ist. Ich WEIß jedoch, dass Sie auch wissen, dass sich diese Antwort von anderen Antworten auf diese Frage unterscheidet, da das Bewusstsein nicht wirklich als zur Physik gehörig angesehen wird und es nicht die Aufgabe der Physiker ist, das Bewusstsein zu erklären. Und ehrlich gesagt habe ich nach diesen "anderen Antworten" gesucht

Kugelblitz.

Kugelblitze sind natürlich äußerst selten, aber anders als etwa Dunkle Materie kann man Kugelblitzen im Alltag begegnen.

Mein Verständnis ist, dass im Fall von Kugelblitzen nicht einmal bekannt ist, ob unsere aktuellen physikalischen Gesetze dafür verantwortlich sein können.

Ja, ich wusste vorher, dass das auch unerklärlich war, eigentlich war das so ziemlich das Einzige, was mir einfiel. Geheimnisvoll..
Nur weil wir nicht verstehen, welche Umstände zur Bildung von Kugelblitzen führen, heißt das nicht, dass unsere aktuellen physikalischen Gesetze dies nicht berücksichtigen können. Haben Sie Grund zu der Annahme, dass es nicht von der üblichen elektronenmagnetischen Kraft, Plasmaphysik usw. bestimmt wird, die normale Blitze regiert?

Hochkritische Temperatur-Supraleitung ist ein ungeklärtes physikalisches Phänomen, das kurz davor steht, „Alltag“ zu werden. Die Supraleitung im Allgemeinen wird seit mehreren Jahren für medizinische Zwecke, wie z. B. die Magnetoenzephalographie, verwendet. Kürzlich gab es experimentelle Realisierungen der Magnetoenzephalographie mit hochkritischen Temperatur-Supraleiter-Vorrichtungen ( Vorabdruck einer veröffentlichten Arbeit ).

Hochkritische Temperatur-Supraleitung ist auch in der nahen Zukunft des öffentlichen Verkehrs mittels Magnetschwebebahn. Obwohl die ersten Züge dieser Art auf konventioneller Supraleitung basieren, was gut bekannt ist, gibt es bereits kleine Prototypen , die unkonventionelle Supraleiter verwenden.

An dieser Stelle sei noch auf die Quantenmechanik im Allgemeinen hingewiesen. Supraleitung ist ein makroskopisch beobachtbares Quantenphänomen. Seine quantenmechanische Beschreibung erlaubt uns, Materialeigenschaften vorherzusagen und daraus technologische Anwendungen zu erschließen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Quantenmechanik selbst (oder irgendeine physikalische Theorie) zweifelsfrei als die richtige Theorie etabliert ist. Es ist einfach die konsistenteste mikroskopische Theorie, die wir heute haben. Das Ausmaß, in dem wir quantenmechanische Phänomene verstehen, ist daher durch die inhärenten Annahmen der Quantenmechanik begrenzt (z. B. das Pauli-Prinzip, wie in Terry Bollingers Antwort diskutiert).

Die kurze Antwort ist nein . Die etwas längere Antwort lautet nein, aber More is Different .

Nein, die Physik erklärt alle alltäglichen Phänomene

Es gibt mindestens eine Interpretation, in der Michelsons Aussagen tatsächlich richtig waren, als er sie sagte, und heute richtig wären. Dies ist die Interpretation von Sean Carroll (danke an @Michael Brown für den Link). Die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik haben unsere Sicht auf die Welt enorm verändert, aber die Gesetze der Physik, die Michelson kannte, sind in den entsprechenden Regimen immer noch korrekt. Verglichen mit seiner Alltagserfahrung sind Relativitätstheorie und Quantenmechanik „nur“ Korrekturen in der „sechsten Dezimalstelle“.

Historisch gesehen war die spezielle Relativitätstheorie wegen des negativen Ergebnisses des Michelson-Morley-Experiments erforderlich. Dieses negative Ergebnis war nur deshalb aussagekräftig, weil Michelson die Lichtgeschwindigkeit so viel genauer messen konnte als jeder andere auf der Welt zu dieser Zeit. Seine Experimente versuchten, Variationen in der Lichtgeschwindigkeit zu messen; Niemand sonst wäre in der Lage gewesen, eine durch die Erdbewegung verursachte Änderung der Lichtgeschwindigkeit zu messen. Er beschreibt in meinem Exemplar von Studies in Opticsdass die Bewegung der Erde in ihrer Umlaufbahn nach der Äthertheorie die gemessene Lichtgeschwindigkeit um einen Teil von 10.000 ändern würde; er sah keine Veränderung bei einem Teil von 400.000. Mein Punkt hier ist, dass all die neue Physik, die seit Michelson entdeckt wurde, in die Regionen passt, die wir bis nach Michelson nicht erforschen konnten.

Ein gutes modernes Beispiel ist die Feinstrukturkonstante a . a ist einem Teil bekannt 3.2 × 10 10 . Wenn wir neue Physik entdecken, wird sie in den ersten neun Ziffern mit der aktuellen Physik übereinstimmen a . Wenn nicht, dann ist es falsch. Jede Physik, die noch nicht bekannt ist, muss in die 10. Ziffer von passen a und darüber hinaus.

Aber mehr ist anders!

Deshalb könnte man sagen, dass die Physik alle alltäglichen Phänomene „erklärt“. Aber zu sagen, dass die Physik alles erklärt und dass wir die Physik verstehen, bedeutet nicht, dass wir alle alltäglichen Phänomene verstehen. Mir fallen zwei gute Beispiele ein.

Proteinfaltungsteht in direktem Zusammenhang mit meiner Arbeit. Proteine ​​sind ein Bündel von Aminosäuren, die in einer Kette kovalent aneinander gebunden sind, möglicherweise mit einigen Verzweigungen. Die Aminosäuren wiederum sind ein Bündel von Atomen, die kovalent aneinander gebunden sind. Die Physik erklärt kovalente Bindungen: Es gibt eine elektrostatische Wechselwirkung, und die Quantenmechanik sagt uns, welche Arten von Bindungen bei dieser bestimmten Wechselwirkung zulässig sind. Darüber hinaus hat jede Aminosäure entlang der Kette eine Nettoladung, die vom pH-Wert der Umgebung abhängt. Wie sich die Proteinkette bevorzugt zusammenfaltet, ist dann ein Problem der Thermodynamik. Alle diese elektrostatischen Wechselwirkungen innerhalb der Kette, zwischen Ketten und zwischen der Kette und ihrer Umgebung ergeben zusammen die Gesamtenergie einer bestimmten Konfiguration. Aber unterschiedliche Konfigurationen haben auch unterschiedliche Entropien. Wie sich also das Protein zusammenfaltet, wird von der Physik vollständig als Konkurrenz zwischen der Entropie jeder möglichen Konfiguration und der Energie dieser Konfiguration beschrieben. Aber die Physik zu kennen, wie es funktioniert, ist noch lange nicht in der Lage, vorherzusagen, wie es passieren sollte und wann es versagen wird.

Dies gilt als alltägliches Phänomen, weil fehlerhaft gefaltete Proteine ​​zumindest als Zwischenursache für mehrere menschliche Krankheiten (insbesondere Alzheimer) gelten und weil das Kochen von Lebensmitteln die Proteine ​​​​in der Nahrung entfaltet ("denaturiert").

Das andere Beispiel, das ich geben möchte, ist Bewusstsein. Auch hier verstehen wir, dass das menschliche Gehirn materiell aus Zellen besteht, die durch elektrische Impulse miteinander interagieren. Aber wir sind weit davon entfernt zu verstehen, wie diese Physik die biologischen Phänomene entstehen lässt.

Ich würde sagen, dass diese Beispiele in mindestens einem wichtigen Sinne Physik sind. Wo wir die Grenzen zwischen Physik, Chemie und Biologie ziehen, ist etwas willkürlich. Aber wir wissen, dass sie alle miteinander konsistent sein müssen. Chemie beschreibt das, was die Biologie für selbstverständlich hält, und Physik beschreibt das, was für die Chemie selbstverständlich ist. Einer der Hauptpunkte des Artikels Mehr ist anders ist, dass es an einem bestimmten Punkt viel nützlicher und produktiver ist, sich keine Gedanken mehr über die Physik zu machen, sondern nur über Chemie oder Biologie nachzudenken und zu versuchen, sie in ihrer eigenen Sprache zu beschreiben .

Re:α ist zu einem Teil in 3,2×10−10 bekannt, wäre es nicht ein Teil in 3,2*10^10

Es hängt genau davon ab, was Sie als "alltäglich" betrachten ... zum Beispiel arbeite ich mit Sonnenphysikern zusammen, und einige von ihnen versuchen, die Sonne zu verstehen, damit sie vorhersagen können, wann sie CMEs oder Fackeln auslösen wird und was dies verursacht Aktivitätsänderungen durch einen Sonnenzyklus. Die Sonne startet jedoch nicht jeden Tag CMEs.

Wenn Sie eine Liste erstellen möchten, würde ich vorschlagen, sich die verschiedenen „dekadischen Umfragen“ des (US) National Research Council für jede Disziplin anzusehen. (z. B. für die Heliophysik ), die Informationen darüber enthält, welche Art von Forschung vorrangig gefördert werden sollte ... und das ergibt sich im Wesentlichen daraus, welche Fragen die Community noch zu beantworten versucht. Siehe auch die verschiedenen Whitepapers, die als Input genommen wurden (z. B. wieder für Heliophysik ), da dies ein breiteres Netz auswerfen würde.

... und das sind nur die Fragen, die wir uns gerade stellen. Während wir neue große Durchbrüche erzielen (z. B. in der Quantenphysik), haben wir neue Sichtweisen auf die Welt, die zeigen, dass es eine Reihe von Prozessen gibt, die wir bisher einfach nie in Betracht gezogen haben.

Sonolumineszenz ist interessant.

Bitte vermeiden Sie Nur-Link-Antworten. Können Sie (zumindest kurz) erklären, was Sonolumineszenz eigentlich ist?
@EmilioPisanty Ich bin nicht qualifiziert, über Sonolumineszenz zu sprechen, aber ich dachte, seine Erwähnung wäre es wert, trotzdem erwähnt zu werden. Ich halte es dennoch für einen wertvollen Beitrag. Wenn es Ihnen nicht gefällt, könnten Sie (oder jemand anderes) vielleicht meine Antwort bearbeiten oder Ihre eigene erstellen?

Ein kritischer Beobachter könnte sagen, dass wir nicht einmal die Bewegung eines fallenden Objekts (oder überhaupt irgendeine klassische Bewegung) auf rigorose Weise verstehen. Tatsächlich ist die klassische Mechanik auf dem „Prinzip der kleinsten Wirkung“ aufgebaut. Dieses Prinzip hat eigentlich einen ziemlich ungenauen Namen. Ein passenderer Name wäre „Prinzip der extremen Aktion“. Tatsächlich folgen die Euler-Lagrange-Gleichungen aus der Bedingung, dass die Variation der Aktion als Folge einer Variation des Pfades verschwindet, oder mit anderen Worten: Die tatsächliche Pfadnatur „wählt“ die Aktion extrem.

Die Natur wählt also nicht den Weg , der die Wirkung minimiert (das könnten wir verstehen), sondern sie wählt einen Weg, der die Wirkung entweder minimiert oder maximiert . Das klingt unglaublich: Die Natur geht den Weg, der das Handeln maximiert? Wieso den? Wir wissen es nicht ... Doch die gesamte Theorie der klassischen Mechanik baut darauf auf. Offensichtlich funktioniert die klassische Mechanik und es ist alles in Ordnung, aber wir verstehen nicht, warum sie so funktioniert, wie sie funktioniert. Nicht wirklich. Ich persönlich fand das unglaublich, als mein Professor es mir erzählte.

Ich habe noch nicht viel über die Lagrange- oder Hamilton-Mechanik gelesen, aber ich habe nie gewusst, dass die Natur auch die Wirkung maximieren könnte. Das ist wirklich unglaublich!
Warum die Ablehnung? Wenn Sie der Meinung sind, dass die Antwort falsch ist, sagen Sie bitte warum, damit ich auch lernen kann (oder meinen Standpunkt verteidigen kann).
Es war nicht meine Ablehnung
@OmnipresentAbsence Ich dachte nicht, ich hoffe, die Person, die abgelehnt hat, liest meinen Kommentar oder jemand anderes kann erklären, warum meine Antwort die Ablehnung verdienen könnte ...
Das Wirkprinzip in der klassischen Mechanik entsteht, weil die klassische Mechanik nur die Näherung der stationären Phase des quantenmechanischen Wegintegrals ist .
@MichaelBrown Nach meinem Verständnis bedeutet dies immer noch nicht, dass die Aktion minimal sein sollte. Es impliziert, dass seine erste Ableitung verschwinden muss, was nur eine ausreichende Bedingung dafür ist, extrem zu sein, nicht minimal.
@Wouter Ja, das stimmt. Die klassische Aktion ist garantiert nur extrem, nicht minimal.
@MichaelBrown Es tut mir leid, ich bin verwirrt. Hast du mir zugestimmt oder nicht zugestimmt? :P
@Wouter Dass die klassische Aktion garantiert nur extrem und nicht minimal ist, ist eine grundlegende Tatsache, der alle zustimmen. Es ist auch kein Mysterium – zumindest wenn man mit der an sich ziemlich mysteriösen Pfadintegralformulierung der Quantenmechanik beginnt. :)
@MichaelBrown Ja, nun, ich wollte nicht sagen, dass es ein Rätsel ist, wie wir zu diesem mathematischen Ausdruck kommen. Das Rätsel liegt im Warum . Warum handelt die Natur nach diesem Ausdruck? Darauf haben wir keine befriedigende Antwort. Wir finden, dass es so ist, das ist alles, was wir wissen. Intuitiv könnten wir verstehen, dass die Natur faul wäre (so könnten wir auch die Energieminimierung interpretieren), aber anscheinend könnte sie genauso gut übertreiben. Was soll das alles?
Es kann auch weder minimieren noch maximieren: es kann auch einen Sattelpunkt annehmen. Die eigentliche Aussage ist, dass die Natur den Weg geht, für den die Aktionskosten relativ widerstandsfähig gegenüber kleinen Störungen sind. Ich würde es als "Prinzip der sichersten Aktion" bezeichnen, was bedeutet, dass es den Weg geht, wo es "weiß" - wie viel "Aktionsgeld" es investieren muss -, dass es bei einem kleinen "Schluckauf" nicht wird zu viel Mehrkosten verursachen und umgekehrt immer einen Knall bekommen, der sein Geld nicht zu unwürdig ist. Wenn das bedeutet, dass es all-in gehen muss, tut es das. Wenn es bedeutet, dass es billig wird, tut es das. Und wenn
es ist weder, es wird das auch ablegen. Es ist mehr darauf bedacht, eine zuverlässige Investition zu haben, als wie viel es investiert. (Und interessanterweise scheinen solche "Schluckaufe" in gewisser Weise zu existieren - das ist mehr oder weniger die ganze Idee der Feynman-Pfad-Integralformulierung der Quantenmechanik, bei der alle möglichen Abweichungen mit immer schlimmeren Schluckaufen vom Pfad der sicheren Kosten betrachtet werden .)

Jedes Problem mit Mehrkörperwechselwirkungen wurde nicht wirklich erklärt. Damit meine ich alles, was nicht als ideales Gas, Anregungsideal (z. B. Photon, Phonon) oder mit wohldefinierter Periodizität (also linear im Frequenzraum) erklärt werden kann.

Dies beinhaltet so ziemlich die meisten Flüssigkeiten/glasigen Zustände, Turbulenzen, Erdbeben, das Entstehen von Ordnung aus zugrunde liegender Unordnung (Windmuster, Streifen auf Zebras), ...., Leben

Wir kennen viele der Eigenschaften dieser Systeme, dh chaotisches Verhalten, auftauchende makroskopische Muster und dergleichen, aber wir sind noch nicht einmal annähernd an einer Erklärung dran. Ich denke, es muss noch viel mehr "verstanden" werden, bevor es berechnet werden kann.

Sicherlich können viele davon erklärt werden, aber die Herausforderung besteht einfach darin, dass die Berechnung komplex ist.
Ich bin anderer Meinung, weil etwas erst "erklärt" wird, nachdem eine vernünftige Theorie dafür aufgestellt wurde, die verwendet werden kann, um wiederholte Vorhersagen zu treffen. Zu sagen, turbulente Strömungen gehorchen Navier-Stokes und Ruhe ist Berechnung, heißt, dass wir Schwung, Energie, Drehung erhalten … und alles andere ist offensichtlich, wahr, aber nutzlos.
Aber die wiederholten Vorhersagen funktionieren für turbulente Strömungen. Wir können es berechnen. Wir wissen, wie es geht. Dass es unglaublich komplex ist, weil es so viele Wechselwirkungen gibt, versteht sich von selbst.
@Rory Alsop: "Wir können es berechnen" ist eine relative Aussage. Sie meinen: "Theoretisch gibt es einen Computer, der die Ergebnisse beliebiger Simulationen in endlicher Zeit mit beliebiger Genauigkeit berechnen kann." Ein anderer Standpunkt wäre: "Vielleicht gibt es eine [radikal andere] Methode, die genaue oder schnell konvergierende Störungsberechnungen ermöglichen würde." Letzteres würde a) wahrscheinlich einen besseren Einblick in die Physik bedeuten und b) die Beseitigung der Rechenkomplexität.
Um Viberts Kommentar hinzuzufügen ... oder vielleicht sind die Dinge einfach nicht so reduzierbar, um die Linearität (die jedem Berechnungsaufwand innewohnt) auszunutzen, wie dies bei chaotischen Systemen der Fall ist, und wir brauchen eine andere Perspektive. Ich stimme zu, dass dies vage ist, weshalb eine immer feinere Berechnung der akzeptierte / einzig machbare Weg zu sein scheint. Aber das deutet auch darauf hin, dass wir weiter suchen müssen!
Ist das nicht eher ein mathematisches als ein physikalisches Problem? Wir wissen „wie“, aber wir haben nicht die Fähigkeiten „zu tun“. Mit anderen Worten, wir verstehen die Physik dahinter, aber die Mathematik dahinter ist zu mühsam, um sie auszuführen.
Teilweise wahr. Erstens, wenn Sie mit Mathematik Computermathematik meinen, lautet die Antwort nein (das ist die Essenz meiner obigen Kommentare). Wenn Sie andererseits unsere Fähigkeit meinen, mit Einsicht zu analysieren und nichtlineare Gleichungen zu lösen, lautet die Antwort ja. Aber theoretische Physik und Mathematik gehen untrennbar Hand in Hand. Wenn Sie in der Lage sind, die Physik von wechselwirkenden Mehrkörpersystemen in guten Modellen auszudrücken, die die Lösbarkeit wiedergeben, ergibt sich eine schöne mathematische Theorie, aber wir brauchen gute mathematische Ideen, um die Physik modellieren zu können. Also wie immer Hühnerei!

RIEMANN ZEROS und QUANTUM CHAOS :) die Ähnlichkeit zwischen diesen 2 scheinbaren Phänomenen: Zahlentheorie und Physik bleiben immer noch ungeklärt

In welchem ​​Sinne genau sind Riemannsche Nullstellen oder Quantenchaos „Alltagsphänomene“?
im Sinne von Quantenchaos und Anwendungen :D , zum Beispiel Chaos kann vielleicht nicht in alltäglichen Phänomenen auftreten, aber die Zeta-Funktion ist sehr wichtig für Chaos