Die Antwort "weil wir nicht mehr brauchen" von @rubenvb ist in Ordnung.

Wenn Sie Physik studieren, müssen Sie erkennen, dass die Physik grundlegende „Warum“-Fragen nicht beantwortet. Die Physik verwendet mathematische Werkzeuge, um Messungen zu modellieren, und diese Modelle müssen an neue Daten angepasst werden, dh voraussagend sein. Solange die Modelle nicht falsifiziert werden, gelten sie als valide und brauchbar. Einmal verfälscht, wird nach Modifikationen oder sogar drastischen neuen Modellen gesucht. Ein Paradebeispiel, die Quantenmechanik, als die klassische Mechanik außer Kraft gesetzt wurde: Schwarze Körperstrahlung, photoelektrischer Effekt und Atomspektren verfälschten Bemühungen der klassischen Modellierung.

Die Physik zeigt unter Verwendung geeigneter Modelle, „wie“ man von Daten zu Vorhersagen für neue experimentelle Daten gelangt. Wenn man in den Modellen nach dem „Warum“ sucht, geht man die Mathematik hoch oder runter und gelangt zur Antwort „weil das gemessen wurde“.

Denn mehr brauchen wir nicht.

Nun, wir haben keine Beweise für andere gefunden. Und bis dahin besteht keine Notwendigkeit. Zugegeben, einige Experimente könnten Hinweise darauf geben, dass etwas anderes vor sich geht, das die Überarbeitung des Standardmodells vorantreibt.

Auf der mathematischen Seite lässt sich dies aus der Symmetrie erklären: Die Standardmodell-Lagrangefunktion gehorcht einem bestimmten Satz von Symmetrieoperationen, von denen Physiker annehmen, dass sie gültig sind. Aus diesem Lagrangian können unter Verwendung des Formalismus der Quantenfeldtheorie die einzelnen "fundamentalen Wechselwirkungen" abgeleitet werden. Aus Wikipedia (Hervorhebung von mir):

Die globale Poincaré-Symmetrie wird für alle relativistischen Quantenfeldtheorien postuliert. Sie besteht aus der vertrauten Translationssymmetrie, Rotationssymmetrie und der Inertialreferenzrahmeninvarianz, die für die spezielle Relativitätstheorie zentral ist. Die lokale SU(3)×SU(2)×U(1)-Eichsymmetrie ist eine interne Symmetrie, die im Wesentlichen das Standardmodell definiert. Grob gesagt führen die drei Faktoren der Eichsymmetrie zu den drei fundamentalen Wechselwirkungen. Die Felder fallen in unterschiedliche Darstellungen der verschiedenen Symmetriegruppen des Standardmodells (siehe Tabelle).

Die drei hier erwähnten Wechselwirkungen sind leicht unterschiedliche Kategorisierungen Ihrer vier grundlegenden Wechselwirkungen, aber im Wesentlichen gleich (mit Ausnahme vielleicht des Brout-Englert-Higgs-Teils). Von der vierten, der Gravitation, wird angenommen, dass sie etwas mit dem Higgs-Teil des Standardmodells verwandt ist und noch nicht ganz in den Rest des Standardmodells passt.

Ich denke, es ist falsch zu sagen, dass „Warum“-Fragen außerhalb des Bereichs der Physik liegen oder dass es auf diese Frage niemals eine Antwort geben kann. Sehr oft kann die Physik anhand grundlegenderer Prinzipien erklären, warum etwas wahr ist. Manchmal kann das Warum dieser grundlegenderen Prinzipien durch noch grundlegendere Prinzipien erklärt werden. Aber es gibt immer eine unterste derzeit verstandene Schicht, über die man nur sagen kann: "Das ist das Modell, das am besten zu unseren Beobachtungen passt."

Als Kepler zum Beispiel seine Bahngesetze ausarbeitete, waren sie nur grundlegende Tatsachen der Natur. Wenn Sie fragen würden, warum sie das getan haben, wäre die Antwort, dass „es gemessen wurde“, um Anna Vs Antwort zu zitieren.

Aber dann fand Newton einen Grund, warum Keplers Gesetze wahr waren: Das Prinzip der universellen Gravitation. Und jetzt können wir sagen, dass das Gesetz des umgekehrten Quadrats der Gravitationsanziehung ungefähr wahr ist, weil die Masse bewirkt, dass sich die Raumzeit krümmt. Aber an diesem Punkt müssen wir aufhören. Wir kennen keinen tieferen Grund, warum die Masse dies der Raumzeit antun sollte. Es ist nur das, was wir beobachten.

Das ist der Stand der Dinge bei den vier Kräften. Die besten Modelle, die wir haben, beinhalten sie, und das ist der einzige Grund, den wir jetzt nennen können. Aber es gibt keine Garantie dafür, dass wir nicht eine tiefere Theorie entdecken werden, die die Existenz von vier Kräften statt drei oder fünf als Folge eines grundlegenderen Prinzips erklären kann. Aber in gewisser Weise wären wir dann wieder da, wo wir angefangen haben, denn dieses Prinzip hätte keinen Grund, warum es wahr ist.

Denn das ist die kleinste Anzahl von Gesetzen, die wir herausfinden konnten, um das, was wir beobachten, so gut wie möglich zu erklären.

Alternative: Physiker arbeiten seit mehr als einem Jahrhundert daran, die Anzahl der Grundgesetze zu reduzieren, am besten auf eins, und bisher haben sie es auf vier gebracht.

Gibt es eine Antwort auf die Frage, warum es nur vier grundlegende Wechselwirkungen der Natur gibt?

Nein, und es wird nie einen geben

Wir haben überhaupt keine Wissenschaft, die irgendeine sinnvolle „Warum“-Frage über die Struktur des Universums beantworten kann, insbesondere nicht darüber, warum Dinge, die wir nicht beobachten, fehlen.

Das Beste, was wir uns einfallen lassen können, ist, eine Reihe von Merkmalen zu beobachten und einigermaßen passende mathematische/physikalische Theorien darüber zu finden, wie sie miteinander zusammenhängen könnten. Und das machen wir die ganze Zeit falsch.

Mein Wort "bedeutungsvoll" da oben bedeutet, beim Erklären auf die "unterste Schildkröte" zu gehen; dh nicht einfach eine Antwort, die aus Theorien stammt, die wir haben und die zu unserem gegenwärtigen Verständnis der Natur zu passen scheinen.

Zum Beispiel: Wir wissen, dass nichts schneller gehen kann als cvor allem deshalb, weil laut Einstein unendlich viel Energie nötig wäre, um etwas mit Masse auch nur bis zu c, geschweige denn schneller zu bekommen. Aber das ist im Sinne dieser Antwort keine Antwort auf die Frage "warum geht nichts schneller als c?". Ich interpretiere diese Frage als "Warum ist unser Universum so strukturiert, dass man unendlich viel Energie braucht, um dorthin zu gelangen c?".

Tatsächlich könnte an jedem beliebigen Tag jemand einen Fehler in unseren Theorien finden und einen Weg finden, sich schneller als zu bewegen c, Zeitreisen zu unternehmen oder eine fünfte grundlegende Wechselwirkung zu finden. Da wir mit absoluter, fundamentaler Sicherheit nicht einmal etwas über das Universum wissen können, können wir sicherlich keine „Warum“-Antwort beantworten.

Ein sehr schönes Video dazu: Richard Feynman. Wieso den.

Ich werde Ihnen also keine Antwort auf die Frage "Warum ziehen sich Magnete an?" geben können. außer um Ihnen zu sagen, dass sie es tun, und um Ihnen zu sagen, dass dies eine der [...] verschiedenen Arten von Kräften ist [...] [...und um eine Erklärung in schwierigeren Begriffen zu geben...]

Das ist nicht genau dasselbe, worüber wir hier sprechen, aber es sollte den Geist zeigen, wenn es um die Beantwortung von „Warum“-Fragen geht.

Ausblick

Dies ist ein faszinierendes Thema, und Sie könnten Schlimmeres tun, als das antrophische Prinzip und den dahinter verborgenen Graben philosophischer Themen zu untersuchen. Dieses Prinzip gibt es in zwei Versionen:

• Das starke antrophische Prinzip besagt im Grunde (meine Formulierung), dass das Universum "nur so" abgestimmt wurde, um intelligentes Leben (uns!) zu ermöglichen, dh mit Absicht.
• Die schwache Version sagt: "Wenn das Universum nicht in der Lage wäre, Leben wie unseres zu erhalten, wären wir nicht hier, um die Frage zu stellen".

Die starke Version geht direkt in die Richtung von Glauben und Religion, und obwohl sie für viele Menschen gültig sein mag, ist sie hier auf Physics.SE sicherlich nicht wirklich anwendbar (und obwohl es unter Physikern Gläubige geben mag, gibt sie uns sicherlich nicht alle neuen Informationen).

Die schwache Version ist offensichtlich wahr und führt zu einer Voreingenommenheit darüber, welche Eigenschaften unser Universum haben muss. Aber es beantwortet auch keine tiefen, substanziellen „Warum“-Fragen.

Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass es nur vier sein sollten. Vier ist die höchste Anzahl grundlegender Wechselwirkungen, die wir bisher gesehen haben, aber es könnte andere, extrem schwache* Kräfte geben, die wir einfach noch nicht beobachtet haben. Auch heute noch arbeiten viele Experimentatoren daran, nach neuen makroskopischen Grundkräften zu suchen; Tatsächlich habe ich als Student den größten Teil meiner Forschung damit verbracht, genau das zu tun!

Es gibt auch viele Gründe zu der Annahme, dass es mehr als vier grundlegende Kräfte geben könnte . Das Hauptpapier, das wir zur Rechtfertigung unserer speziellen Art von Forschung verwendeten, leitete 16 Austauschpotentiale aus nichtrelativistischer QFT ab, von denen nur eines tatsächlich mit dem bekannten Skalar übereinstimmte$1/r$gemeinsames Potential von Gravitation und Elektromagnetismus ( https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0605342.pdf ). Es gibt viele, viele andere Arbeiten, die die Existenz zusätzlicher fundamentaler Kräfte auf unterschiedliche Weise vorhersagen, also ist dies ein fruchtbares experimentelles Forschungsfeld.

*Nun, entweder extrem schwach oder anderweitig obskure Ecken des Phasenraums besetzend (wie eine Kraft, die im Mikrometerbereich am stärksten ist, oder eine Kraft, die eine bestimmte Kombination aus Spinpolarisation und Translationsgeschwindigkeit erfordert, die im Experiment nicht oft getestet wird).

Wenn man die Frage aus einem etwas anderen Blickwinkel betrachtet, ist die Antwort, dass "wir nicht mehr brauchen", definitiv richtig, aber weiter würde ich sagen, wir brauchen nicht mehr, und je weniger, desto besser .

Um zu beantworten, warum das so ist, müssen wir etwas über ein Problem wissen, das manchmal als Überanpassung bezeichnet wird. Die Idee hinter Overfitting ist folgende; Angenommen, ich entwerfe ein Vorhersagemodell, möchte ich beispielsweise eine Beziehung zwischen den Eigenschaften des Eichensafts und dem Alter einer Eiche erhalten. Ich erfahre das Alter von 100 Eichen aus Aufzeichnungen über ihre Pflanzung und messe die Viskosität ihres Safts, die Farbe, die Dichte, den Wassergehalt und 46 weitere Beobachtungsgrößen. Ich beginne mit einem Blick auf die Beziehung zwischen Viskosität und Alter. Vielleicht mit einem quadratischen Modell mit 3 Parametern. Es ist eine ziemlich starke Beziehung, und ich kann innerhalb von etwa 20 Jahren das Alter jedes Baums erreichen, wenn ich nur die Viskosität des Safts verwende. Aber es gibt 49 weitere Variablen! Also konstruiere ich ein komplexes Modell für das Alter eines Baums, das vorhersagt, wie sich das Alter auf alle 50 Variablen auswirken sollte. und dann passe ich die 150 Parameter dieses Modells an. Indem ich das komplexe Modell abstimme, kann ich das Alter aller 100 Bäume auf einen Tag genau vorhersagen, wie wunderbar. Dann zeigt mir jemand eine andere Eiche, sie sagen "Ich weiß, wie alt diese Eiche ist, lass uns damit dein Modell testen". Das einfache, nur viskose Modell und das komplexe Modell geben sehr unterschiedliche Antworten. Das einfache Modell ist viel genauer bei der Vorhersage des Alters des neuen Baums. Wieso den? Da das komplexe Modell das Alter der 100 Bäume überhaupt nicht wirklich lernte, lernte es, die 100 Bäume anhand von Rauschen in den Daten zu identifizieren, das nichts mit ihrem Alter zu tun hatte, und dann hatte ich seine Parameter so eingestellt, dass es mir etwas geben würde das richtige Gewicht für jeden Baum. Für das einfache Modell war dies nicht möglich, da mir nicht genügend Parameter zur Abstimmung zur Verfügung standen, Das einfache Modell war also gezwungen, eine echte Korrelation zu finden, wenn es eine gab. Das komplexe Modell ist überangepasst.

Je komplexer also ein Modell ist, desto größer ist die Tendenz zur Überanpassung. Wenn ein Modell mit der Überanpassung beginnt, verliert es die Vorhersagekraft. Ich bin ziemlich zuversichtlich, dass jemand mit genügend Zeit und Geduld ein Modell mit 5 Kräften ableiten könnte. Sie könnten sogar ein Modell finden, das intuitiver oder rechnerisch einfacher zu handhaben ist. Aber dieses komplexere Modell würde weniger wahrscheinlich zu neuen unsichtbaren Ergebnissen passen, da seine Komplexität auf die Ergebnisse abgestimmt wäre, die wir gesehen haben, und so das Rauschen verwenden würde, um die Daten zu identifizieren und uns die Antwort zu geben, die wir zu passen versuchten. Dieses Rauschen wollten wir nicht anpassen, und ein einfacheres Modell hat wahrscheinlich von vornherein weniger die Fähigkeit, Rauschen anzupassen.

Die Suche nach einer einheitlichen Feldtheorie postuliert, dass es ein grundlegendes Feld gibt. Es wird erwartet , dass alle vier Kräfte auf der Planck-Skala vereint werden, was viele Größenordnungen außerhalb der derzeitigen experimentellen Reichweite liegt, obwohl Gravitationsobservatorien und kosmologische Modelle Einblicke liefern könnten.

Drei der vier fundamentalen Kräfte wurden in der Quantenfeldtheorie (QFT) miteinander integriert, und zwar Masse und spezielle Relativitätstheorie. Bleibt nur noch die Gravitation, deren führende Versuche zur Vereinheitlichung die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation sind. Es ist zu beachten, dass dies eine Auseinandersetzung mit der Natur und Entstehung von Zeit beinhalten muss, die in QFT nicht enthalten ist.

Es wurde gezeigt, dass die drei verbundenen Grundkräfte aus drei Grundsymmetrien und ihren zugehörigen Erhaltungsprinzipien entstehen , in der Zeit (Energie), im Raum ist Translation und Rotation (Impuls) und innere Symmetrie (Teilchenidentität und Quantenzahlen). Diese Überlegungen führen zum Verständnis von Teilchenfamilien als lokale Eichsymmetrie - Symmetriegruppen, bei denen sich Bosonen und virtuelle Teilchen in das austauschen, was wir die fundamentalen Kräfte oder Felder nennen. Wir haben das Higgs-Boson, von dem Masse abstammt, aber keinen Beweis für das Graviton , von dem erwartet wird, dass es es vermittelt.

Die fundamentalen Kräfte werden also als mit den Eigenschaften der topologischen Eigenschaften unseres Universums zusammenhängend offenbart. Die Stringtheorie postuliert einen breiteren Bereich von Möglichkeiten für physikalische Gesetze. Wir stellen fest, dass wichtige Eigenschaften, die zu Komplexität in unserem Universum führen, ein Ergebnis der Feinabstimmung zu sein scheinen , und wir leben in einem feinabgestimmten Universum , das unsere Annahmen über „ Natürlichkeit “ zu verletzen scheint. Es scheint unvermeidlich, dass es eine Art Wahrscheinlichkeitsraum gibt, in dem diese fundamentalen Konstanten unterschiedlich sind, was typischerweise als Multiversum bezeichnet wird, wodurch das Feinabstimmungsproblem darin besteht, unser eigenes Universum darin zu lokalisieren.

Die breiten Antworten auf diese Probleme sind die Bestreitung der Feinabstimmung (insbesondere als subjektiver Anthropozentrismus), Kritik aufgrund mangelnder Vorstellungskraft (unsere Unfähigkeit, 11-dimensionale Topologien zu erforschen, gibt uns sehr wenig Vorstellung von den anderen Optionen) und des anthropischen Prinzips (viele Varianten, einschließlich der Simulationshypothese ).

Ich behaupte nicht, ein Experte auf diesem Gebiet zu sein oder auch nur sehr sachkundig zu sein. Es schien mir nur, dass dieser Grund nicht in anderen Antworten behandelt wurde. Daraus erkenne ich ein hohes Maß an Skepsis und Zurückhaltung gegenüber diesen Themen, obwohl es sich um selbstverständliche Ergebnisse und offene Probleme der modernen Physik handelt. Ich würde mich freuen, wenn mich jemand mit Referenzen korrigiert und wenn möglich Aussagen in meinen Referenzen anzweifelt .

Die Physik (und die Wissenschaft im Allgemeinen) zielt darauf ab, die Frage zu beantworten: "Welchen Regeln scheint dies zu folgen" .

Wir sind Menschen, also hoffen wir auf tiefere Einsichten und Fragen wie "warum?" inspirieren uns stark, und wir stellen diese Fragen sehr oft. Aber die harte wissenschaftliche Forschung konzentriert sich auf das Beobachten und Testen von Regeln, denen die Dinge zu folgen scheinen, auch wenn wir als Menschen von umfassenderen Idealen geleitet werden, und wir ihren Erkenntnissen eine tiefere Bedeutung verleihen.

In der Physik fragen wir also, welchen Regeln das physikalische Universum zu folgen scheint; In der Biologie fragen wir, welchen physikalischen Regeln lebende Systeme (einschließlich verbundener Systeme wie Ökosphären) zu folgen scheinen, und so weiter.

Um eine Analogie zu nehmen, gibt es ein Kinderspiel, bei dem eine Person (sagen wir) bestimmte Autos auf der Straße auswählt und die andere Person Fragen stellen muss, um zu erraten, welche Regel verwendet wird. Es ist ein bisschen so.

Das bedeutet, dass das Universum nicht mit der Vorstellung von 4 fundamentalen Kräften funktioniert. Nun, es könnte sein, aber es ist wahrscheinlich nicht, und philosophisch ist es sowieso anders:

• Das Universum funktioniert möglicherweise nach beliebigen oder keinen Prinzipien, darunter auch solche, die wir uns nicht wirklich vorstellen können, oder solche, die wir für irrational halten würden. Wenn es so funktioniert, dann funktioniert es so und wir bleiben dabei. (Natürlich kann es das nicht, aber der Punkt ist, wenn es so wäre, könnten wir es nicht wegwinken)
• Wir haben begrenztes Wissen (im Grunde alles, was wir zu diesem Zeitpunkt wissen, testen oder finden), daher sind wir durch unsere Toolbox in Bezug auf das, was wir schließen können, begrenzt. Wenn unsere Methoden noch nicht die notwendigen Werkzeuge beinhalten, können wir nicht die richtigen Antworten bekommen.
• Ein Modell ist nicht dasselbe wie die Realität. Bestenfalls heißt es: "Dies nähert sich am besten an und sagt voraus, was vor sich geht, und liefert eine gewisse Logik dafür, wie es sein könnte". Aber es ist eng mit dem Beobachter verbunden, und es ist nie die Realität selbst.

Im Moment, ab 2018, hat das beste „Welchen Regeln scheint es zu folgen“, das wir uns ausgedacht haben, 4 Kräfte in sich. Die Besten von morgen haben vielleicht 5, oder 15, oder 1, oder überhaupt keine Ahnung von „Grundkräften“, und übermorgen könnte es wieder anders sein.

Und das ist wirklich der Grund, warum wir sagen, dass es 4 grundlegende Kräfte gibt. Nicht weil es welche gibt, sondern weil unsere derzeit beste Vermutung darüber, „welchen Regeln es zu folgen scheint“, eine Reihe von Regeln ist, die auf einem Konzept von Quantenfeldern/Wechselwirkungen/Kräften basieren und 4 davon umfassen. Wir testen es auf alle möglichen Arten und es scheint wirklich die Regeln widerzuspiegeln, denen das Universum folgt. Neue Beobachtungen von morgen und neue beste Vermutungen - wer kann das sagen?

Es gibt keine Theorien, die die Anzahl grundlegender Wechselwirkungen in der Natur vorhersagen können, und sie werden niemals existieren. Im Laufe der Zeit hat die Physik die Bereiche größerer Energieskalen dominiert. Schon in der griechischen Antike, oder wahrscheinlich schon davor, erkannten Naturphilosophen Schwerkraft, Elektrizität und Magnetismus, da ihre Auswirkungen auf den Energieskalen bemerkbar sind, die wir Menschen sinnlich erfahren können. Beim Versuch, tiefer in die Struktur der Materie einzudringen (niedrigere räumliche Skalen = höhere Energieskalen), stellten die Physiker fest, dass es zwei weitere Arten von Wechselwirkungen gibt, die wir durch eine tägliche Erfahrung nicht bemerken können, wie das Fallen vom Fahrrad oder Teppich mit dem Mantel oder das Spielen mit Magneten .

Wenn wir tiefer graben, könnten wir vielleicht eine andere Art von Interaktion finden, vielleicht auch nicht, daher ist die Antwort auf diese Frage etwas überflüssig. Ich habe andere Antworten gesehen wie "warum wir mehr brauchen" usw. Wenn wir nur an dieser Idee festhalten, dann sind wir faul und mit einem enormen Mangel an Enthusiasmus, da sich die Physik im Laufe der Jahre gemäß unserer Herangehensweise erneuert hat die Gesetze der Natur.