Dmitry Podolsky hat für sein Blog NEQNET eine Top-10-Liste offener Probleme in der Physik verfasst. Die Liste ist ausführlich und sehr lesenswert, aber wenn jemand nicht alles oder nicht auf englisch lesen möchte, hier eine kleine Zusammenfassung von mir:

  1. Was ist Zeit? Wir leben makroskopisch in einer vierdimensionalen Welt. Drei Raumrichtungen plus Zeit. Aber was ist Zeit? Warum gibt es nur eine Zeitdimension? Und was hat es mit der Richtung der Zeit auf sich, was mit den Strukturen die sich aus der Gestalt der Raumzeit ergeben (z.B. schwarze Löcher). Macht es Sinn, nach dem Anfang der Zeit zu fragen?
  2. Die Ausdehnung des Universums Das Universum dehnt sich konstant beschleunigt aus, getrieben von der “kosmologischen Konstante”. So stecken fast 70% der Energie des Universums in dieser “Dunklen Energie” und niemand hat mehr als Mutmaßungen was das eigentlich ist.
  3. Turbulenz Es mag ja geradezu lächerlich anmuten im Vergleich zu den großen Fragen um Zeit und Raum, aber wir wissen nicht, wie man Turbulenz analytisch behandeln kann. Für eine Lösung der bestimmenden Navier-Stokes-Gleichung ist sogar 1 Million Dollar Preisgeld ausgesetzt. Aber weit jenseits davon wird sich kaum ein Aspekt des täglichen Lebens finden lassen, in dem man durch eine Lösung von Turbulenzproblemen in Strömungen keine Verbesserungen erzielen könnte.
  4. Quark-Confinement Der Aufbau von Proton und Neutron bereitet großes Kopfzerbrechen. Ja, drei Quarks bestimmen die Eigenschaften, aber in Wahrheit ist so ein Nukleon ein See aus den bestimmenden Quarks, spontan auftauchenden Quark-Antiquark-Paare und einem Riesengewölle aus Gluonen. Und es ist unmöglich ein Proton aufzubrechen und Quarks herauszuziehen, da die Kopplung der Starken Kraft sich so eigenartig verhält. Warum?
  5. M-Theorie Die 11-dimensionale Generalisierung der String-Theorien kann vieles erklären, Massenverhältnisse, die Gravitation ist enthalten. Aber viele Fragen sind ungeklärt, die letztlich entscheiden werden ob die M-Theorie die letzte große Theorie der Physik sein wird oder nur 40 Jahre Rechenübung. Aber die M-Theorie ist für eine flache Raumzeit definiert, welche Rolle spielen daher dual korrespondierende Theorien (z.B. AdS/CFT) und kann man so zur gekrümmten Raumzeit übergehen?
  6. Schwarze Löcher Als Singularität in der Raumzeit würden Schwarze Löcher Informationen aus dem Universum absaugen. Ist das so? Es gibt viele Erklärungsansätze, verschiedene Theorien wie man das auflösen könnte. Warum ist das so wichtig? Weil die Erhaltung aller Information im Universum eine Grundsäule aller Feldtheorien (auch der Stringtheorie) ist.
  7. Kernfusion Endlich mal etwas, das theoretisch gut verstanden ist. Kernfusion – die Energiequelle die uns speist. Aber nur durch die Sonne – können wir diese Energiequelle technisch erschließen? Die Plasmen sind instabil und man bräuchte wirklich große Magnetfelder zur Kontrolle, dazu muss man aber auch…
  8. Hochtemperatur-Supraleitung verstehen. Die Tieftemperatur-Supraleitung ist erfolgreich von Bardeen, Schrieffer und Cooper erklärt worden. Aber bei höheren Temperaturen (vielleicht eines Tages sogar bei Raumtemperatur?) sind immer wieder neue Supraleitungs-Effekte aufgetaucht, die man noch nicht erklären kann. Wenn wir das könnten und wenn wir Raumtemperatur-Supraleitung erreichen können, krempeln wir damit die Welt um!
  9. Dunkle Materie Es ist so frustrierend, alles was wir erklären können an Materie mit unseren schönen Feldtheorien und dem Standardmodell, macht nur 4% der Materie im Universum aus. Neben 70% Dunkler Energie, zu der wir gar nichts haben; gibt es die Dunkle Materie. Diese konnte wenigstens über ihre Gravitationswirkung nachgewiesen werden, aber sie ist nicht direkt beobachtbar. Es gibt mehrere Kandidaten für Dunkle Materie, aber welcher ist der richtige?
  10. Ultrahochenergetische kosmische Strahlen In der kosmischen Strahlung werden Teilchen einer Energie gemessen, die es gar nicht geben dürfte nach unserem Verständnis – denn sie müssten eigentlich bei dieser Energie mit dem Mikrowellenhintergrund des Universum reagieren. Auch hier gibt es Ansätze zur Eklärung, und das Pierre Auger-Experiment kümmert sich hauptsächlich um diese Frage

Na, ist euch der Kopf explodiert? Eine ganz schöne Liste hat Dmitry da aufgestellt, und hat auch noch ein paar Bonusfragen parat, in den Kommentare gibt es noch mehr Hinweise. Aber im Großen und Ganzen: Wer auf einen Nobelpreis schielt sollte sich mal hinsetzen und einen wesentlichen Beitrag zu einem der obigen Probleme leisten 😉

Kommentare (24)

  1. #1 Fischer
    02/05/2009

    Zu Punkt 1 ist im aktuellen Spektrum eine eigenartige These drin: Demnach ist die Kausalität eine intrinschsche Eigenschaft der Raumzeit. Hast du das gelesen?

  2. #2 Ludmila
    02/05/2009

    @Florian: Hab’s zwar nicht gelesen, aber warum ist diese These eigenartig?

  3. #3 Jörg Rings
    02/05/2009

    Ne, aber klingt interessant, sollte ich mir fürs Wochenende vornehmen. Ich lerne ja sowieso gerade ART…

    /edit: Au prima, fraktale Dimensionen. Waren 11 ganze noch nicht genug? Naja ich werds mal lesen am Wochenende.

  4. #4 Anhaltiner
    02/05/2009

    technische Kernfusion: soweit wie ich es verstanden habe dreht es sich ja “nur” noch um die Frage ob es im wirtschaftlich-technichem Maßstab lohnt. Im Experiment hat sich ja gezeigt das es fusioniert (funktioniert). Antworten wird es wohl erst ab 2018 geben wenn ITER arbeitet.

  5. #5 Jörg Rings
    02/05/2009

    Naja das Problem ist halt dass man große Magnetfelder braucht, und dazu wäre schon ein Verständnis der Supraleitung günstig. Denn, es ist halt etwas schwierig, wenn neben einem Millionen Grad heißen Feuer eine Leitung 3K haben soll.
    Ehrlich weiß ich auch nicht, wie das bei ITER geplant ist, aber alleine die Zeiträume zeigen ja dass es eine große technische Herausforderung ist. Lösbar? Sicherlich. Auch in unserer Lebenszeit? Tja, da wirds vielleicht schon schwieriger. Ich kann keine Prognosen geben, aber seit 50 Jahren soll es in 50 Jahren Fusionsenergie geben…
    Auf meiner mentalen Liste der Sachen die ich mal recherchieren muss: Wie soll ITER funktionieren?

  6. #6 Daniel
    02/06/2009

    Hallo Herr Rings,

    können Sie bitte ihren RSS-Link reparieren?
    Abonnement des Feeds funktioniert nicht.

    Feed Address: http://feeds.feedburner.com/ScienceBlogs/DiaxRake

    HTTP Error (Code) and Message: (404) Feed not found error: FeedBurner cannot locate this feed URI.

    PS: Ihre Kommentarvorschau scheint auch nicht zu funktionieren.

    Veröffentlichungsfehler in Vorlage ‘Kommentarvorschau’: Error in tag: Kann verwendete Datei ‘sb.blogleftcol.php’ nicht finden

  7. #7 Jörg Rings
    02/06/2009

    Tatsächlich, jetzt geht der RSS nicht. Den anderen fehler hatte ich auch, aber ich dachte es sei weil ich eingeloggt bin. Die Techniker werden sich drum kümmern, sind wohl Kinderkrankheiten, sorry.

  8. #8 isnochys
    02/06/2009

    Problem sind auch die verwendeten Wandmaterialien.
    Soll robust sein, darf das Plasma nicht verunreinigen.

    ITER soll gebaut werden, damit es eine Grundlage für DEMO gibt
    🙂
    Erst von DEMO wird wird eine Ausbeute erwartet, sodass mit der Technik später dann Kraftwerke gebaut werden können. Also in vielleicht 100 Jahren..:(
    An ITER wird eigentlich alles getestet.
    Infrastruktur, Automatisierung, Material und natürlich die Einschlußtechnik an sich.
    Soweit ich mich noch an mein Plasmaphysikseminar vor..uhh..6 Jahren.. erinnern kann.

  9. #9 Jörg Rings
    02/06/2009

    An ITER wird eigentlich alles getestet.
    Infrastruktur, Automatisierung, Material und natürlich die Einschlußtechnik an sich.

    Nicht nur das, auch die Modellierung wird getestet

    Ein neuer Supercomputer wird die komplexen physikalischen Effekte im Innern des Fusionsreaktors ITER verstehen helfen. Der HPC-FF genannte Rechner wird etwa 100 Teraflop/s Rechenleistung liefern und ist optimal für die Simulationsprogramme der Fusionsforscher geeignet. Die Gemeinschaft der Fusionsforschungsinstitute in Europa beauftragte das Forschungszentrum Jülich mit Bau und Betrieb des Rechners.

    Also ein riesiges Wissenschaftlerspielzeug 🙂

  10. #10 isnochys
    02/06/2009

    Aber würde ich mir nicht _vorher_ ein Modell ausrechnen und das dann am ITER testen?
    Also erst HPC-FF bauen, modellieren, Ergebnisse für ITER verwenden, Testen, Ergebnisse in Simulation einfließen lassen.
    Für mich liest sich das aber anders.
    ITER bauen, HPC-FF bauen, ITER test und gleichzeitig Simulieren.
    So, als wären ITER und HPC-FF unabhängig voneinander.

  11. #11 Jörg Rings
    02/06/2009

    Tja so richtig eindeutig ist es nicht in der Pressemeldung

    http://www.fz-juelich.de/portal/index.php?index=163&jahr=2009&cmd=show&mid=665

    Er soll das Experiment ergänzen, vor allem turbulente Prozesse verstehen helfen. Vielleicht läuft der schon vorher um zu testen ob das Design ok ist? Ist das ITER-Design überhaupt schon festgelegt? Auf der Wikipedia-Seite konnte ich das auch nicht finden. Lustig dort ist nur unter Kritikpunkte

    Kritiker monieren, es gebe derzeit keinen Nachweis, dass die Kernfusion zur Energiegewinnung überhaupt wirtschaftlich genutzt werden könne.

    Ja…äh…deswegen baut man ITER ja?

  12. #12 isnochys
    02/06/2009

    Das Design steht mE schon fest:

    http://www.iter.org/

    wird aber wohl recht offen gehalten werden, um möglichst viele Veränderungen austesten zu können.

    Die Wirtschaftlichkeit wird mit ITER noch nicht getestet.
    Dafür soll später mal DEMO gebaut werden.

  13. #13 Andreas
    02/06/2009

    Hallo Jörg,

    ich habe im Oktober 2008 Die zehn größten Rätsel der Astronomie in meinem Blog “Einsteins Kosmos” gepostet – da gibt es einen kleinen Überlapp.

    Zum aktuellen Spektrum-Artikel (02/09, S. 24f):
    Es geht darin um einen neuen Ansatz zu einer Quantengravitationstheorie, die Kausale, Dynamische Triangulation (CDT) genannt wurde. Es ist soll zu einer Alternative zu den Stringtheorien und der Loop-Quantengravitation weiter entwickelt werden.
    Dabei werden als Einheiten der Raumzeit durch Dreiecke (eine Realisierung von 4-Simplices) dargestellt, denen man auch einen Zeitpfeil vorgeben kann. Die Kausalität wird explizit in den Ansatz hineingesteckt, indem man den Dreiecken den richtigen Zeitpfeil verpasst. Nur dann ergibt sich aus diesem Ansatz eine glatte, vierdimensionale Raumzeit im Limes, also unser Einsteinsches Universum.

    Beste Grüße,
    Andreas

  14. #14 Jörg Rings
    02/06/2009

    Hallo Andreas,

    danke für den Link, das gibt es viele Ähnlichkeiten zur Liste von Dmitry. Aber es ist ja auch so – die meisten großen Fragen der Physik müssen fast alle nicht nur durch Experiment in der Teilchenphysik, sondern auch durch die Kosmologie beantwortet werden.
    Jetzt wo die Scilogs einen Gesamt-RSS-Feed haben werde ich da auch mitbekommen was da passiert 🙂

  15. #15 Anhaltiner
    02/06/2009

    @Jörg: Kritik wegen fehlendem Nachweis: Wenn jemand Angst hat als unkritisch oder technikgläubig zu gelten muss halt Kritik geübt werden. Da wird dann einfach der bekannte Fakt (das es das erste ist) als Schwäche dargestellt. Das klappt auch beim LHC und wohl auch bei allem anderen was es nicht im Katalog auf Bestellung gibt.

  16. #16 Nico
    02/06/2009

    Was ist Zeit? Dazu hat bereits der große, im allgemeinen unterschätzte Gelehrte am Kaiser-Wilhelm-Institut Hannover (Außenstelle Wiedensahl) in einem nicht ge-peer-reviewten Paper geschrieben:
    “So ist nun mal die Zeit allhie,
    Erst trägt sie dich,
    – Dann trägst du sie;
    Und wann’s vorüber,
    weißt du nie.”
    Ich denke, man sollte bei der Frage “Was ist Zeit?” (aber auch bei anderen Fragen) angeben, wie denn die Antwort aussehen könnte. Es handelt sich ja zum Teil um philosophische, oder zumindest ins Philosophische herüberlappende Fragen. Da ist es wichtig, zu sagen, wie die physikalische Antwort aussehen könnte. – Sonst würde ich nämlich sagen: “Zeit ist das, was man mit Uhren misst.” Ist damit die Frage beantwortet und der Nobelpreis mein? – Was gemeint ist: die Eigenartigkeit der Kopplung der Raum-Zeit-Koordinaten über die dahinter liegenden Gleichungen und physikalischen Gesetze? Dann muss man aber Experte im Fachgebiet sein, um überhaupt zu verstehen, wieso es sich um ein Problem handelt. –

  17. #17 Marc
    02/06/2009

    @Daniel:

    können Sie bitte ihren RSS-Link reparieren?
    Abonnement des Feeds funktioniert nicht.

    Feed Address: http://feeds.feedburner.com/ScienceBlogs/DiaxRake

    Es muß sich wohl um einen Fehler gehandelt haben, der evtl. eher bei Feedburner lag. Denn inzwischen funktioniert der RSS-Feed wieder. Falls wieder Probleme auftauchen, bitte eine Info an mich/uns. (redaktion@scienceblogs.de)

    Der Fehler mit der Kommentarvorschau wird behoben.

  18. #18 Jörg Rings
    02/06/2009

    @Nico:
    Stell es Dir so vor: Die philosophischen Fragen kommen, weil man eben nicht genau physikalisch weiß, was Zeit ist. Die anderen drei Dimensionen sind einfach. Wenn ich sage: Ich gehe mal 1 Meter nach rechts und zurück, ist das philosphisch unspannend.
    Aus der Raumzeit, also der Betrachtung des Universums als vierdimensionales Objekt mit der Zeit als vierter Dimension, folgen beispielsweise in der Allgemeinen Relativitätstheorie die Schwarzen Löcher, siehe Punkt 6.

  19. #19 Christian A.
    02/06/2009

    @Nico: Come on, ohne Abbildungen kannst man alles behaupten. Ich will die Diagramme .aus dem Paper dieses Gelehrten sehen!
    Zählt ein Blog-Kommentar eigentlich auch für den citation index?

    (Übrigens eine Referenz, die mir Tränen der Freude in die Augen treibt).

  20. #20 Jörg Rings
    02/07/2009

    Ok ich hab den Spektrum-Artikel gelesen. Schon einige verblüffende Ergebnisse, vor allem dass die Raumzeit in der richtigen Dimension herauskommt. Aber was mich etwas verwundert hat, dass die Raumzeit keine Schwarzen Löcher enthält – ist das nicht eher schlecht?
    Es stand auch nichts darüber drin, ob das jetzt zu einer vereinigenden Theorie führen soll. Kommen da auch irgendwo die anderen Teilchen raus?
    Und letztlich, worüber ich auch sehr wenig weiß, aber was ein heißes Gebiet zu sein scheint: duale Theorien, könnte es sein dass man eine solche Theorie wie die der Dreiecke, die ja eine passende Geometrie ergibt, dual mit einer z.B. String Theorie verbinden könnte?

  21. #21 Andreas
    02/08/2009

    Hallo Jörg,

    die Kausale, Dynamische Triangulation (CDT) steht ja noch ganz am Anfang. Bislang haben die CDT-Theoretiker ja noch nicht mal eine fundamentale Feldgleichung für diese Variante Quantengravitation gefunden. Noch weiter weg sind daher Lösungen von derartigen Feldgleichungen, wie Punktmassen, rotierende Kugelmassen etc.

    Wir brauchen gar nicht darüber reden, was die CDT bei anderen Naturkräften leistet – nämlich gar nichts. In dieser Hinsicht kann die CDT nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik (bewährt) oder den Stringtheorien (müssen sich noch bewähren) konkurrieren.

    Zurzeit ist die CDT erstmal ein sehr interessanter Theorieanasatz. Bis sie mit der Relativitätstheorie oder den Feldtheorien mithalten kann, werden viele Forscherjahre vergehen müssen.

    BTW, wenn eine Theorie keine Schwarzen Löcher enthält (z.B. scheint das bei der LQG der Fall zu sein), muss das nicht unbedingt schlecht sein. Denn man kann ein großes Fragezeichen hinter die Existenz von Krümmungssingularitäten in der Natur machen. Glaubst Du, dass in der Natur Punkte (im mathematischen Sinne mit null Ausdehnung) existieren?

    Ob die CDT dual ist, lässt sich derzeit schwierig beurteilen. Siehe Stringtheorien: Dort hat es Jahrzehnte gedauert, bis man sich über die Dualitäten klar wurde.

    Beste Grüße,
    Andreas

  22. #22 x
    11/21/2012

    Zu 4.
    Wieso soll es unmöglich sein Quarks und antiquarks zu trennen, wenn sich Protonen und Elektronen trennen lassen?
    Es ist womöglich nur eine differenzierte Energeform/aufwand nötig…

  23. #23 x
    11/21/2012

    Die gesamte Quarktheorie baut auf einem extrem schwammigen Fundament, wodurch diese eigentlich keine Richtigkeit besitzt.
    Jeder kann eine Theorie aufstellen, die genauso richtig erscheinen würde,.. Denn die einzigen ansatzweise objektiv nachweisbaren Elemente, die diese Theorie enthält sind die Masselosigkeit eines Quarks -> warum sollte die Masse eines
    Nukleon nicht teilweise aus der Masse von “Quarks” bestehen?,der Fakt, dass die drei “Ladungsfarben” die 3 Elementarfarben sind mit denen man jede Farbe erzeugen kann und die Tatsache, dass Nukleonen möglicherweise aus ihnen ähnlichen Untereinheiten bestehen …

  24. #24 x
    11/21/2012

    Das kommt beim Lesen etwas widersprüchlich über…
    Mit den Gegenargumenten wollte ich nur zeigen, dass selbst diese Aspekte der Theorie nahezu haltlos sind… 😉