Top Banner
Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problem ´ ow Ja ¸ drowych Kraków, 23.10.2009 K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 1/25
65

Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Mar 01, 2019

Download

Documents

phamquynh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Some open questions in physics

Krzysztof A. MeissnerInstytut Fizyki Teoretycznej UWInstytut Problemow Jadrowych

Kraków, 23.10.2009

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 1/25

Page 2: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Content

• Quantum Mechanics• Standard Model• dark matter and dark energy• quantum gravity• summary

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 2/25

Page 3: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

The most incomprehensible fact about theUniverse is that it is comprehensible

A. Einstein

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 3/25

Page 4: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• (part of) reality can be described by numbers• there are correlations among these numbers

– physical laws• with proper idealization these laws seem to

be universal and rigorous

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 4/25

Page 5: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• (part of) reality can be described by numbers• there are correlations among these numbers

– physical laws• with proper idealization these laws seem to

be universal and rigorous• we have no idea why these statements hold

the answer belongs to meta-physics ratherthan physics...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 4/25

Page 6: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• use of mathematics is the source oftremendous success of physics

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 5/25

Page 7: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• use of mathematics is the source oftremendous success of physics

• but mathematics gives us also a rigorousproof that cognition has its limits:

Gödel theorem + finite resources⇓

“Theory of Everything” is impossible

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 5/25

Page 8: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• in any physical phenomenon we distinguish“accidental” properties (depending on theinitial conditions)and “inevitable” properties (following from thelaws of physics)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 6/25

Page 9: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• in any physical phenomenon we distinguish“accidental” properties (depending on theinitial conditions)and “inevitable” properties (following from thelaws of physics)

• the fact that there are 8 (formerly 9) planetsseems to be “accidental” but once we have aplanet a3 ∼ T 2 is “inevitable”

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 6/25

Page 10: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• in any physical phenomenon we distinguish“accidental” properties (depending on theinitial conditions)and “inevitable” properties (following from thelaws of physics)

• the fact that there are 8 (formerly 9) planetsseems to be “accidental” but once we have aplanet a3 ∼ T 2 is “inevitable”

• explanation in physics means converting“accidental” into “inevitable”

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 6/25

Page 11: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Introduction

• in any physical phenomenon we distinguish“accidental” properties (depending on theinitial conditions)and “inevitable” properties (following from thelaws of physics)

• the fact that there are 8 (formerly 9) planetsseems to be “accidental” but once we have aplanet a3 ∼ T 2 is “inevitable”

• explanation in physics means converting“accidental” into “inevitable”

• how far can we go?

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 6/25

Page 12: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Cube of theoriesFundamental dimensionful constants: 1/c, ~, G

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 7/25

Page 13: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Mechanics

• the most fundamental and extremelysuccessful in our description of the physicalworld but...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 8/25

Page 14: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Mechanics

• the most fundamental and extremelysuccessful in our description of the physicalworld but...

• conceptual foundations (and limits) of locality,causality, Heisenberg relations unclear

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 8/25

Page 15: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Mechanics

• the most fundamental and extremelysuccessful in our description of the physicalworld but...

• conceptual foundations (and limits) of locality,causality, Heisenberg relations unclear

• problem of measurement (Copenhagen,Everett, Bohm, Penrose, ...) totally unclear...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 8/25

Page 16: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Particles of the Standard Model• Leptons (spin 1/2, qν = 0, qe = −1):

νe

e

L

νµ

µ

L

ντ

τ

L

eR, νeRµR, νµR τR, ντR

• Quarks (3 colors, spin 1/2, qu = 2/3, qd = −1/3):

u

d

L

c

s

L

t

b

L

uR, dR cR, sR tR, bR

• Spin 1: 8 gluons g (SU(3)),

W± and Z0, photon γ (SU(2) × U(1))

• Spin 0: Higgs H

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 9/25

Page 17: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• extremely successful theory

• no single experimental deviation• verified to unbelievable precision

but it cannot be the ultimate theory...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 10/25

Page 18: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• extremely successful theory

• no single experimental deviation• verified to unbelievable precision

but it cannot be the ultimate theory...• no gauge anomalies ⇒

# of leptons = # of quarksbut why 3 generations???

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 10/25

Page 19: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• extremely successful theory

• no single experimental deviation• verified to unbelievable precision

but it cannot be the ultimate theory...• no gauge anomalies ⇒

# of leptons = # of quarksbut why 3 generations???

• why the observed values of masses andcoupling constants???any change ⇒ we are not here...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 10/25

Page 20: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• extremely successful theory

• no single experimental deviation• verified to unbelievable precision

but it cannot be the ultimate theory...• no gauge anomalies ⇒

# of leptons = # of quarksbut why 3 generations???

• why the observed values of masses andcoupling constants???any change ⇒ we are not here...

• why CP violation (and why not enough)???

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 10/25

Page 21: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• why spontaneous symmetry breaking〈H〉 = v 6= 0???

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 11/25

Page 22: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• why spontaneous symmetry breaking〈H〉 = v 6= 0???

• why such huge differences in masses???

mt

v≈ 1,

me

v≈ 3 · 10−6,

(mν

v≈ 10−12

)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 11/25

Page 23: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• why spontaneous symmetry breaking〈H〉 = v 6= 0???

• why such huge differences in masses???

mt

v≈ 1,

me

v≈ 3 · 10−6,

(mν

v≈ 10−12

)

• why proton mass ≈ 1 GeV???(main source of luminous mass)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 11/25

Page 24: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Standard Model• why spontaneous symmetry breaking〈H〉 = v 6= 0???

• why such huge differences in masses???

mt

v≈ 1,

me

v≈ 3 · 10−6,

(mν

v≈ 10−12

)

• why proton mass ≈ 1 GeV???(main source of luminous mass)

• hierarchy problemv

MP≈ 10−16

(supersymmetry, conformal symmetry)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 11/25

Page 25: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Present content of the Universe

radiation p ≈ ρ3

negligibleluminous matter p ≈ 0 4 %

(stars 0.5%interstellar gas 0.5%intergalactic gas 3%)

dark matter p ≈ 0 23 %dark energy p ≈ −ρ 73 %

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 12/25

Page 26: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Nucleosynthesis abundances

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 13/25

Page 27: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

WMAP

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 14/25

Page 28: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Dark Matter and Dark Energy

• what is dark matter (supersymmetricneutralino, axion, ...)?

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 15/25

Page 29: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Dark Matter and Dark Energy

• what is dark matter (supersymmetricneutralino, axion, ...)?

• the answer probably within conventional QFT

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 15/25

Page 30: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Dark Matter and Dark Energy

• what is dark matter (supersymmetricneutralino, axion, ...)?

• the answer probably within conventional QFT• what is dark energy (cosm. constant?)???

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 15/25

Page 31: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Dark Matter and Dark Energy

• what is dark matter (supersymmetricneutralino, axion, ...)?

• the answer probably within conventional QFT• what is dark energy (cosm. constant?)???• why

ρDM

M 4

P

≈ 10−120,ρDM

M 4

W

≈ 10−54

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 15/25

Page 32: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Dark Matter and Dark Energy

• what is dark matter (supersymmetricneutralino, axion, ...)?

• the answer probably within conventional QFT• what is dark energy (cosm. constant?)???• why

ρDM

M 4

P

≈ 10−120,ρDM

M 4

W

≈ 10−54

• the answer probably requires new (not QFTlike) physics – quantum gravity?

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 15/25

Page 33: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Galaxy collision

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 16/25

Page 34: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Gravity• gravitational interaction between elementary

particles is extremely weak – why???

αG =Gm2

p

~c≈ 10−38

(for EM interactions α = e2/(4πǫ0~c) ≈ 1/137)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 17/25

Page 35: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Gravity• gravitational interaction between elementary

particles is extremely weak – why???

αG =Gm2

p

~c≈ 10−38

(for EM interactions α = e2/(4πǫ0~c) ≈ 1/137)• αG is so small ⇒ stars are so large

MC ≈ mp

α3/2G

≈ 1030kg

(Chandrasekhar limit)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 17/25

Page 36: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity• when gravity ≈ EM? (G. Stoney, 1881)

Gm2

S

r2=

e2

4πǫ0 r2⇒ mS ≈ 1.86 · 10−9 kg

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 18/25

Page 37: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity• when gravity ≈ EM? (G. Stoney, 1881)

Gm2

S

r2=

e2

4πǫ0 r2⇒ mS ≈ 1.86 · 10−9 kg

• Planck (1899) introduced (mP =√

αmS)

mP =√

~cG ≈ 2.176 · 10−8 kg

we expect that QG sets in when E → mP c2

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 18/25

Page 38: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity• when gravity ≈ EM? (G. Stoney, 1881)

Gm2

S

r2=

e2

4πǫ0 r2⇒ mS ≈ 1.86 · 10−9 kg

• Planck (1899) introduced (mP =√

αmS)

mP =√

~cG ≈ 2.176 · 10−8 kg

we expect that QG sets in when E → mP c2

• QG – “fluctuating space-time” (???)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 18/25

Page 39: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity• when gravity ≈ EM? (G. Stoney, 1881)

Gm2

S

r2=

e2

4πǫ0 r2⇒ mS ≈ 1.86 · 10−9 kg

• Planck (1899) introduced (mP =√

αmS)

mP =√

~cG ≈ 2.176 · 10−8 kg

we expect that QG sets in when E → mP c2

• QG – “fluctuating space-time” (???)• black hole entropy may be the key issue

pointing to QG (as black body radiation did)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 18/25

Page 40: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Cube of theoriesFundamental dimensionful constants: 1/c, , ~, G

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 19/25

Page 41: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum gravity – proposals• very interesting results from the (Lorentzian)

path-integral approach (DynamicalTriangulations)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 20/25

Page 42: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum gravity – proposals• very interesting results from the (Lorentzian)

path-integral approach (DynamicalTriangulations)

• String Theory• Loop Quantum Gravity

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 20/25

Page 43: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum gravity – proposals• very interesting results from the (Lorentzian)

path-integral approach (DynamicalTriangulations)

• String Theory• Loop Quantum Gravity

• both claim solving BH entropy problem• neither solved the CC problem• nor the initial singularity and initial

conditions problems ...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 20/25

Page 44: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• Quantum description of gauge theories andgravity

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 21/25

Page 45: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• Quantum description of gauge theories andgravity

• UV finite (?) – modular symmetry (not provenbeyond two loops)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 21/25

Page 46: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• Quantum description of gauge theories andgravity

• UV finite (?) – modular symmetry (not provenbeyond two loops)

• extremely beautiful mathematically

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 21/25

Page 47: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• Quantum description of gauge theories andgravity

• UV finite (?) – modular symmetry (not provenbeyond two loops)

• extremely beautiful mathematically• but...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 21/25

Page 48: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 49: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle• only first quantized formulation with unknown

equations of motion

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 50: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle• only first quantized formulation with unknown

equations of motion• theory contains higher-dimensional objects

(branes) – no consistent quantum description

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 51: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle• only first quantized formulation with unknown

equations of motion• theory contains higher-dimensional objects

(branes) – no consistent quantum description

• > 10500 admissible (?) vacua (landscape)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 52: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle• only first quantized formulation with unknown

equations of motion• theory contains higher-dimensional objects

(branes) – no consistent quantum description

• > 10500 admissible (?) vacua (landscape)• no mechanism to break supersymmetry to

leave QFT on almost flat space

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 53: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

String theory

• lack of underlying principle• only first quantized formulation with unknown

equations of motion• theory contains higher-dimensional objects

(branes) – no consistent quantum description

• > 10500 admissible (?) vacua (landscape)• no mechanism to break supersymmetry to

leave QFT on almost flat space• no single new result relevant for “low energy”

particle physics or cosmology

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 22/25

Page 54: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Loop Quantum Gravity

• defined quantum mechanically

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 23/25

Page 55: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Loop Quantum Gravity

• defined quantum mechanically• diffeomorphism invariance (background

independence) built in and onlydiffeomorphism invariant operators allowed(volume, area...)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 23/25

Page 56: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Loop Quantum Gravity

• defined quantum mechanically• diffeomorphism invariance (background

independence) built in and onlydiffeomorphism invariant operators allowed(volume, area...)

• but no connection (yet?) to usual gravity

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 23/25

Page 57: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Loop Quantum Gravity

• defined quantum mechanically• diffeomorphism invariance (background

independence) built in and onlydiffeomorphism invariant operators allowed(volume, area...)

• but no connection (yet?) to usual gravity• no dynamics• mathematically very difficult (inseparable

Hilbert spaces, forbiddingly complicatedhamiltonian etc.)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 23/25

Page 58: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Loop Quantum Gravity

• defined quantum mechanically• diffeomorphism invariance (background

independence) built in and onlydiffeomorphism invariant operators allowed(volume, area...)

• but no connection (yet?) to usual gravity• no dynamics• mathematically very difficult (inseparable

Hilbert spaces, forbiddingly complicatedhamiltonian etc.)

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 23/25

Page 59: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity

• no sign of convergence of differentapproaches

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 24/25

Page 60: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity

• no sign of convergence of differentapproaches

• problems of initial singularity, existence (oremergence) of time and space at distances∼ lP , interpretation of the “wave function ofthe Universe” etc. totally unclear

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 24/25

Page 61: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Quantum Gravity

• no sign of convergence of differentapproaches

• problems of initial singularity, existence (oremergence) of time and space at distances∼ lP , interpretation of the “wave function ofthe Universe” etc. totally unclear

• we are still very far away from understandingquantum gravity

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 24/25

Page 62: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Summary

• list of unsolved problems doesn’t getshorter...

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 25/25

Page 63: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Summary

• list of unsolved problems doesn’t get shorter...• probably the biggest challenges in physics

(that we know of!)• measurement problem in QM• explanation of values of physical constants• cosmological constant and quantum gravity

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 25/25

Page 64: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Summary

• list of unsolved problems doesn’t get shorter...• probably the biggest challenges in physics

(that we know of!)• measurement problem in QM• explanation of values of physical constants• cosmological constant and quantum gravity

• the biggest (meta-physical) mystery:why anything is subject to any law at all?

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 25/25

Page 65: Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW ... · Some open questions in physics Krzysztof A. Meissner Instytut Fizyki Teoretycznej UW Instytut Problemow Ja¸drowych´

Summary

• list of unsolved problems doesn’t get shorter...• probably the biggest challenges in physics

(that we know of!)• measurement problem in QM• explanation of values of physical constants• cosmological constant and quantum gravity

• the biggest (meta-physical) mystery:why anything is subject to any law at all?

• Socrates’ statement invariably true:“I neither know nor think that I know”

K.A. Meissner, Unsolved problems – p. 25/25