Следи списак значајних нерешених проблема груписаних у шире области физике.
Неки од главних нерешених проблема у физици су теоријске природе, што значи да постојеће теорије тренутно не могу да објасне одређене уочене појаве или експерименталне резултате. Други су експериментални, укључујући изазове у осмишљавању експеримената за тестирање предложених теорија или за детаљније истраживање специфичних феномена.
Бројна важна питања остају отворена у области физике изван Стандардног модела, као што су јак CP проблем, одређивање апсолутне масе неутрина, разумевање асиметрије материје и антиматерије и идентификовање природе тамне материје и тамне енергије.
Други значајан проблем лежи у математичком оквиру самог Стандардног модела, који остаје некомпатибилан са општом релативношћу. Ова некомпатибилност узрокује да се обе теорије распадају у екстремним условима, као што су унутар познатих гравитационих сингуларитета простор-времена попут оних при Великом праску и у центрима црних рупа изван њихових хоризоната догађаја.
Историјски проблеми и листе Исак Њутн је у својој књизи Opticks (прво издање 1704) објавио списак од 31 упита о светлости.
Године 1900, Лорд Келвин је у једном говору идентификовао два главна проблема у класичној физици која су представљала „два облака” за физику 20. века: недостатак доказа за постојање луминоферног етра и неуспеси теореме еквипартиције у предвиђању топлотног капацитета чврстих тела. Оба проблема су решена у року од деценије развојем специјалне релативности и квантне механике.
Године 1982, Роџер Пенроуз је предложио листу проблема математичке физике повезаних са општом релативношћу, а око 14 проблема остало је нерешено до 2017. године. Сличну листу од 53 проблема направио је Роберт Бартник 1988. године.
Године 1984, математички физичар Бари Сајмон предложио је листу од 15 отворених проблема о квантним операторима (око 5 је већ решено 2000. године). Друга листа од 15 Сајмонових проблема објављена је 2000. године (најмање 3 проблема су решена).
Нобеловац Виталиј Гинзбург познат је по томе што је од 1971. до 2005. године састављао листу отворених проблема у физици „на прагу 21. века”, а коначна листа укључује 30 проблема. Гинзбург је такође укључио три „велика проблема”: проблем стреле времена, интерпретације квантне механике и настанак живота из физике саме по себи.
Током конференције Strings 2000. године, њени чланови су предложили листу од 10 миленијумских проблема у теоријској физици, а ниједан није коначно решен до 2025. године.
Математичке листе Неки проблеми математичке физике укључени су у запажене спискове нерешених проблема у математици, а они укључују: Шести проблем са списка Хилбертових проблема из 1900. године о аксиоматизацији физике; проблем је или лоше дефинисан или делимично решен. Проблеми постојања и глаткоће Навје-Стоксових решења и Јанг-Милсов проблем постојања и масеног процепа са списка Миленијумских наградних проблема; оба остају нерешена. Глаткоћа Навје-Стоксових решења је такође 15. Смејлов проблем из 1998. године. DARPA из Сједињених Држава издала је 23 математичка изазова 2008. године. Проблеми из физике укључивали су: унапређење техника у моделовању динамике флуида и меке материје, развој математике за квантно рачунарство, примену квантне теорије поља и акционих принципа у биологији и проналажење везе између програма геометријског Лангландса и квантне физике.
Листа по темама
Општа физика Теорија свега: Да ли постоји јединствен, свеобухватан, кохерентан теоријски оквир физике који у потпуности објашњава и повезује све физичке аспекте универзума?"The Unknown Universe: The Origin of the Universe, Quantum Gravity, Wormholes, and Other Things Science Still Can't Explain." Proceedings of the Royal Society of London, Series A, 1 May 2008. Бездимензионе физичке константе: Тренутно се вредности разних бездимензионих физичких константи не могу израчунати; могу се одредити само физичким мерењем. Који је минимални број бездимензионих физичких константи из којих се могу извести све остале бездимензионе физичке константе? Да ли су димензионе физичке константе уопште неопходне?Alcohol constrains physical constant in the early universe." Science, 13 December 2012.
Квантна гравитација Квантна гравитација: Могу ли се квантна механика и општа релативност реализовати као потпуно конзистентна теорија (можда као квантна теорија поља)? Да ли је простор-време фундаментално континуирано или дискретно? Да ли би конзистентна теорија укључивала силу посредовану хипотетичким гравитоном, или је производ дискретне структуре самог простор-времена (као у квантној гравитацији петљи)? Да ли постоје одступања од предвиђања опште релативности на веома малим или веома великим скалама или у другим екстремним околностима која произилазе из механизма квантне гравитације? Црне рупе, информациони парадокс црне рупе и зрачење црне рупе: Да ли црне рупе производе топлотно зрачење, како се очекује на основу теорије? Да ли ово зрачење садржи информације о њиховој унутрашњој структури, како сугерише гејџ-гравитацијска дуалност, или не, како произлази из Хокинговог првобитног прорачуна? Ако не, и црне рупе могу да испаре, шта се дешава са информацијама ускладиштеним у њима (пошто квантна механика не предвиђа уништавање информација)? Или зрачење престаје у неком тренутку, остављајући остатке црних рупа? Да ли постоји други начин да се испита њихова унутрашња структура, ако таква структура уопште постоји? Хипотеза космичке цензуре и конјектура о заштити хронологије: Да ли сингуларитети који нису скривени иза хоризонта догађаја, познати као „голи сингуларитети”, могу настати из реалних почетних услова, или је могуће доказати неку верзију „хипотезе космичке цензуре” Роџера Пенроуза која тврди да је то немогуће? Слично томе, да ли ће затворене временолике криве које се јављају у неким решењима једначина опште релативности (и које имплицирају могућност путовања кроз време уназад) бити искључене теоријом квантне гравитације која уједињује општу релативност са квантном механиком, како сугерише „конјектура о заштити хронологије” Стивена Хокинга? Холографски принцип: Да ли је тачно да квантна гравитација допушта опис ниже димензије који не садржи гравитацију? Добро познат пример холографије је AdS/CFT кореспонденција у теорији струна. Слично томе, може ли се квантна гравитација у Де Ситеровом простору разумети помоћу dS/CFT кореспонденције? Може ли се AdS/CFT кореспонденција знатно генерализовати на гејџ-гравитацијску дуалност за произвољне асимптотске позадине простор-времена? Да ли постоје друге теорије квантне гравитације осим теорије струна које допуштају холографски опис? Квантно простор-време или настанак простор-времена: Да ли је природа простор-времена на Планковој скали веома различита од континуираног класичног динамичког простор-времена које постоји у општој релативности? У квантној гравитацији петљи, простор-време се од почетка постулира као дискретно. У теорији струна, иако се првобитно сматрало да је простор-време исто као у општој релативности (са једином разликом што постоји суперсиметрија), недавна истраживања заснована на Рју-Такајанаги конјектури показала су да простор-време у теорији струна настаје из квантноинформационих концепата, попут ентропије заплетености у AdS/CFT кореспонденцији. Међутим, још увек није добро схваћено како тачно познато класично простор-време настаје унутар теорије струна или AdS/CFT кореспонденције. Проблем времена: У квантној механици, време је класични позадински параметар, а ток времена је универзалан и апсолутан. У општој релативности, време је једна компонента четвородимензионалног простор-времена, а ток времена се мења у зависности од закривљености простор-времена и просторно-временске путање посматрача. Како се ова два концепта времена могу помирити?
Квантна физика Јанг-Милсова теорија: За дату произвољну компактну гејџ групу, да ли постоји нетривијална квантна Јанг-Милсова теорија са коначним масеним процепом? (Овај проблем је такође наведен као један од Миленијумских наградних проблема у математици.) Квантна теорија поља (ово је генерализација претходног проблема): Да ли је могуће конструисати, на математички ригорозан начин, квантну теорију поља у 4-димензионалном простор-времену која укључује интеракције и не прибегава пертурбативним методама?
Космологија и општа релативност Космичка инфлација: Да ли је теорија космичке инфлације у раном свемиру тачна, и ако јесте, који су детаљи ове епохе? Које је хипотетичко инфлатонско скаларно поље одговорно за ову космичку инфлацију? Ако се инфлација догодила у једном тренутку, да ли је самоодржива кроз инфлацију квантно-механичких флуктуација, и стога у току на неком изузетно удаљеном месту? Проблем космичке коинциденције: густине енергије тамне енергије и тамне материје су истог реда величине у свемиру. Густина енергије тамне материје се смањивала током еволуције универзума, тако да је у прошлости морала бити веома велика. Да ли постоји нека веза између ове две густине енергије? Проблем хоризонта: Зашто је удаљени свемир тако хомоген када се чини да теорија Великог праска предвиђа веће мерљиве анизотропије ноћног неба од оних које се примећују? Космолошка инфлација је генерално прихваћена као решење, али да ли су друга могућа објашњења, као што је променљива брзина светлости, прикладнија? Порекло и будућност универзума: Како су настали услови да било шта постоји? Да ли универзум иде ка великом замрзавању, Великом цепању, Великом сажимању или Великом одскоку? Величина универзума: Пречник видљивог свемира је око 93 милијарде светлосних година (или еквивалентно радијус од око 14 Gpc), али колика је величина целог универзума? Да ли је универзум бесконачан? Асиметрија материје и антиматерије Теоријски модели сугеришу да је рани универзум требало да произведе једнаке количине материје и антиматерије. Међутим, посматрања не указују на значајну примордијалну антиматерију. Разумевање механизама који су довели до ове асиметрије је главни нерешен проблем у физици. Космолошки принцип: Да ли је универзум хомоген и изотропан на довољно великим скалама, како тврди космолошки принцип и претпостављају сви модели који користе Фридман-Леметр-Робертсон-Вокерову метрику, укључујући тренутну верзију ΛCDM модела, или је универзум нехомоген или анизотропан? Да ли је CMB дипол чисто кинематички, или сигнализира анизотропију универзума, што резултира сломом FLRW метрике и космолошког принципа? Да ли је Хаблова тензија доказ да је космолошки принцип нетачан? Чак и ако је космолошки принцип тачан, да ли је Фридман-Леметр-Робертсон-Вокерова метрика права метрика за наш универзум? Да ли су опсервације које се обично тумаче као убрзано ширење универзума исправно протумачене, или су оне доказ да је космолошки принцип нетачан? Проблем космолошке константе: Зашто енергија нулте тачке вакуума не изазива велику космолошку константу? Шта је поништава? мини|десно|upright=1.1|Процењена дистрибуција тамне материје и тамне енергије у универзуму Тамна материја: Шта је идентитет тамне материје? Да ли је то честица? Ако јесте, да ли је то WIMP, аксион, најлакши суперпартнер (LSP) или нека друга честица? Или су феномени који се приписују тамној материји резултат алтернативне теорије гравитације одвојене од опште релативности? Упркос опсежном истраживању, тачан састав тамне материје остаје непознат. Закључује се на основу гравитационих ефеката на видљиву материју, зрачење и велику структуру универзума. Разумевање њених својстава је кључно за свеобухватно разумевање универзума.