Lista de problemas no resueltos en física

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La siguiente es una lista de problemas notables sin resolver agrupados en amplias áreas de la física.

Algunos de los principales problemas no resueltos de la física son teóricos, lo que significa que las teorías existentes parecen incapaces de explicar un determinado fenómeno observado o resultado experimental. Los otros son experimentales, lo que significa que existe una dificultad para crear un experimento para probar una teoría propuesta o investigar un fenómeno con mayor detalle.

Todavía quedan algunas preguntas más allá del modelo estándar de la física, como el problema de la CP fuerte, la masa de los neutrinos, la asimetría entre la materia y la antimateria y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. Otro problema radica en el marco matemático del propio Modelo Estándar: el Modelo Estándar es inconsistente con el de la relatividad general, hasta el punto de que una o ambas teorías fallan bajo ciertas condiciones (por ejemplo, dentro de singularidades espaciotemporales conocidas como el Big Bang y el centros de agujeros negros más allá del horizonte de sucesos).

Física general

Teoría de todo: ¿Hay un marco teórico singular, completo y coherente de la física que explica y vincula plenamente todos los aspectos físicos del universo?

Constantes físicas sin dimensión: En la actualidad, no se pueden calcular los valores de las diversas constantes físicas indimensionales; sólo pueden determinarse mediante la medición física. ¿Cuál es el número mínimo de constantes físicas sin dimensiones de las cuales se pueden derivar todas las otras constantes físicas sin dimensión? ¿Son necesarias las constantes físicas dimensionales?

Gravedad cuántica

Gravedad cuántica: ¿Se puede realizar la mecánica cuántica y la relatividad general como una teoría totalmente consistente (tal vez como una teoría de campo cuántica)? ¿Es el tiempo espacial fundamentalmente continuo o discreto? ¿Una teoría consistente implicaría una fuerza mediada por un gravitón hipotético, o sería un producto de una estructura discreta del tiempo espacial mismo (como en la gravedad cuántica del lazo)? ¿Hay desviaciones de las predicciones de la relatividad general a escalas muy pequeñas o muy grandes o en otras circunstancias extremas que fluyen de un mecanismo de gravedad cuántica?
Una catástrofe de vacío: ¿Por qué la masa predicha del vacío cuántico tiene poco efecto en la expansión del universo?
Agujeros negros, paradoja de información de agujero negro y radiación de agujero negro: ¿Los agujeros negros producen radiación térmica, como se espera en terrenos teóricos? ¿Esta radiación contiene información sobre su estructura interna, como sugiere la dualidad de calibre-gravedad, o no, como lo implica el cálculo original de Hawking? Si no, y los agujeros negros pueden evaporarse, ¿qué sucede con la información almacenada en ellos (ya que la mecánica cuántica no proporciona para la destrucción de la información)? ¿O la radiación se detiene en algún momento dejando restos de agujeros negros? ¿Hay otra manera de probar su estructura interna de alguna manera, si tal estructura existe?
La hipótesis de censura cósmica y la conjetura de protección cronológica: ¿Pueden surgir singularidades no ocultas detrás de un horizonte de eventos, conocidas como " singularidades desnudas", de condiciones iniciales realistas, o es posible probar alguna versión de la "hipótesis de censura cósmica" de Roger Penrose que propone que esto es imposible? Del mismo modo, ¿se descartarán las curvas cerradas de tiempo que surgen en algunas soluciones a las ecuaciones de la relatividad general (y que implican la posibilidad de un viaje atrasado) por una teoría de la gravedad cuántica que une la relatividad general con la mecánica cuántica, como sugiere la "conjetura de protección cronológica" de Stephen Hawking?
Principio holográfico: ¿Es cierto que la gravedad cuántica admite una descripción de menor dimensión que no contiene gravedad? Un ejemplo bien entendido de la holografía es la correspondencia AdS/CFT en la teoría de cuerdas. Del mismo modo, ¿puede entenderse la gravedad cuántica en un espacio de Sitter usando la correspondencia dS/CFT? ¿Puede la correspondencia AdS/CFT ser ampliamente generalizada a la dualidad de calibre-gravedad para los antecedentes espaciales arbitrarios? ¿Hay otras teorías de la gravedad cuántica aparte de la teoría de cuerdas que admiten una descripción holográfica?
Problema del tiempo: En la mecánica cuántica, el tiempo es un parámetro de fondo clásico y el flujo del tiempo es universal y absoluto. En general, el tiempo de relatividad es un componente de la hora espacial cuadrienal, y el flujo de tiempo cambia dependiendo de la curvatura de la hora espacial y la trayectoria espacial del observador. ¿Cómo se pueden reconciliar estos dos conceptos de tiempo?

Física cuántica

Teoría Yang-Mills: Dado un grupo de calibre compacto arbitrario, ¿existe una teoría cuántica no-trivial Yang-Mills con una brecha de masa finita? (Este problema también se enumera como uno de los problemas del Premio del Milenio en las matemáticas.)
Teoría del campo cuántico: (esta es una generalización del problema anterior) ¿Es posible construir, de manera matemáticamente rigurosa, una teoría de campo cuántica en tiempo espacial de 4 dimensiones que incluya interacciones y no recurra a métodos perturbadores?
mente cuántica: ¿Los fenómenos mecánicos cuánticos, como el enredo y la superposición, desempeñan una parte importante en la función del cerebro y pueden explicar aspectos críticos de la conciencia?

Cosmología y relatividad general

Eje del mal: Algunas grandes características del cielo de microondas a distancias de más de 13 mil millones de años luz parecen estar alineadas con el movimiento y la orientación del sistema solar. ¿Esto se debe a errores sistemáticos en el procesamiento, la contaminación de los resultados por efectos locales, o a una violación inexplicable del principio del Copérnico?
Universo bien afinado: Los valores de las constantes físicas fundamentales están en un rango estrecho necesario para apoyar la vida basada en el carbono. ¿Es esto porque existen otros universos con diferentes constantes, o son las constantes de nuestro universo el resultado de la casualidad, o algún otro factor o proceso? (Ver también el Principio Antrópico.)
inflación cósmica: ¿Es correcta la teoría de la inflación cósmica en el universo temprano, y, si es así, cuáles son los detalles de esta época? ¿Cuál es el hipotético campo de escalar inflado que dio lugar a esta inflación cósmica? Si la inflación ocurrió en un momento, ¿es autosuficiente a través de la inflación de las fluctuaciones cuánticas-mecánicas, y por lo tanto en un lugar extremadamente distante?
Problema horizontal: ¿Por qué el universo distante es tan homogéneo cuando la teoría del Big Bang parece predecir anisotropías más grandes del cielo nocturno que los observados? La inflación cosmológica generalmente se acepta como solución, pero son otras posibles explicaciones como una velocidad variable de la luz más apropiada?
Origen y futuro del universo: ¿Cómo surgieron las condiciones para que algo existiera? ¿El universo se dirige hacia un Big Freeze, un Big Rip, un Big Crunch o un Big Bounce? ¿O es parte de un modelo cíclico infinitamente recurrente?
Tamaño del universo: El diámetro del universo observable es de unos 93 mil millones de años luz, pero ¿cuál es el tamaño de todo el universo?
Asimetría Baryon: ¿Por qué hay mucho más materia que antimateria en el universo observable? (Esto puede ser resuelto debido a la asimetría aparente en las oscilaciones neutrino-antineutrino.)
Principio cosmológico: ¿El universo es homogéneo e isotrópico a grandes escalas, como lo afirma el principio cosmológico y lo asume todos los modelos que utilizan la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, incluyendo la versión actual del modelo ≥CDM, o es el universo inhomogéneo o anisotrópico? ¿Es la dipole CMB puramente cinemática, o indica la anisotropía del universo, dando lugar a la ruptura del principio métrico y cosmológico de FLRW? ¿La tensión Hubble evidencia que el principio cosmológico es falso? Incluso si el principio cosmológico es correcto, ¿el Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker métrica la métrica correcta para utilizar para nuestro universo? ¿Las observaciones generalmente se interpretan como la aceleración de la expansión del universo correctamente interpretadas, o son en cambio pruebas de que el principio cosmológico es falso?
- Principio de Copérnico: ¿Son observaciones cosmológicas hechas de la Tierra representativas de observaciones de la posición promedio en el universo?
Problema constante cosmológico: ¿Por qué la energía de cero puntos del vacío no causa una gran constante cosmológica? ¿Qué lo cancela?

Distribución estimada de materia oscura y energía oscura en el universo

La materia oscura: ¿Cuál es la identidad de la materia oscura? ¿Es una partícula? Si es así, ¿es un WIMP, axión, el superpartner más ligero (LSP), o alguna otra partícula? O, ¿los fenómenos atribuidos a la materia oscura apuntan no a alguna forma de materia pero en realidad a una extensión de gravedad?
Energía oscura: ¿Cuál es la causa de la expansión acelerante observada del universo (la fase de Sitter)? ¿Se interpretan correctamente las observaciones como la aceleración de la expansión del universo, o son pruebas de que el principio cosmológico es falso? ¿Por qué la densidad energética del componente de energía oscura de la misma magnitud que la densidad de la materia en la actualidad cuando los dos evolucionan de forma muy diferente con el tiempo? ¿Podría ser simplemente que estamos observando exactamente en el momento adecuado? ¿Es la energía oscura una constante cosmológica pura o son modelos de quintaesencia como la energía fantasma aplicable?
Flujo oscuro: ¿Es una atracción gravitacional no esférica simétrica desde fuera del universo observable responsable de algunos de los movimientos observados de objetos grandes como los racimos galácticos en el universo?
Forma del universo: ¿Cuál es el triple de comoving Space, es decir, de una sección espacial comoving del universo, llamada informalmente la "forma" del universo? Ni la curvatura ni la topología se conocen actualmente, aunque se sabe que la curvatura es "cerca" a cero en escalas observables. La hipótesis de inflación cósmica sugiere que la forma del universo puede ser inconmensurable, pero, desde 2003, Jean-Pierre Luminet, et al., y otros grupos han sugerido que la forma del universo puede ser el espacio dodecedral Poincaré. ¿La forma es inconmensurable; el espacio Poincaré; u otro 3-manifold?
Las estructuras más grandes del universo son más grandes de lo esperado. Los modelos cosmológicos actuales dicen que debe haber muy poca estructura en escalas superiores a unos pocos cientos de millones de años luz a través, debido a la expansión del universo que supera el efecto de la gravedad. Pero la Gran Muralla Sloan es de 1,38 mil millones de años luz de longitud. Y la estructura más grande que se conoce actualmente, el Hercules-Corona Borealis Great Wall, tiene hasta 10 mil millones de años luz de longitud. ¿Son estas estructuras reales o fluctuaciones de densidad aleatoria? Si son estructuras reales, contradicen la hipótesis 'End of Greatness' que afirma que a una escala de 300 millones de años luz, las estructuras vistas en encuestas más pequeñas se aleatorizan en la medida en que la distribución lisa del universo es visualmente evidente.
Dimensiones adicionales: ¿La naturaleza tiene más de cuatro dimensiones espaciales? Si es así, ¿cuál es su tamaño? ¿Son dimensiones una propiedad fundamental del universo o un resultado emergente de otras leyes físicas? ¿Podemos observar experimentalmente evidencia de dimensiones espaciales superiores?

Física de altas energías/física de partículas

Problema de la Jerarquía: ¿Por qué la gravedad es una fuerza tan débil? Se vuelve fuerte para las partículas sólo en la escala Planck, alrededor de 10¹⁹GeV, mucho por encima de la escala de electroweak (100 GeV, la escala de energía dominando la física a bajas energías). ¿Por qué estas escalas son tan diferentes entre sí? ¿Qué impide que las cantidades en la escala de electroweak, como la masa boson Higgs, obtengan correcciones cuánticas en el orden de la escala Planck? ¿La solución es supersimetría, dimensiones extras, o simplemente un ajuste antropo?
Los monopolios magnéticos: ¿Existen partículas que llevan "cargo magnético" en alguna época pasada, de mayor energía? Si es así, ¿alguien queda hoy? (Paul Dirac mostró la existencia de algunos tipos de monopolios magnéticos explicaría la cuantificación de carga).
Rompecabezas de la vida de Neutron: Mientras que la vida de neutrones ha sido estudiada durante décadas, existe actualmente una falta de consiliencia en su valor exacto, debido a diferentes resultados de dos métodos experimentales ("botella" versus "beam").
Decaimiento de protones y crisis de giro: ¿Es el protón fundamentalmente estable? ¿O decae con una vida finita como predijo por algunas extensiones al modelo estándar? ¿Cómo llevan los quarks y los gluones la vuelta de los protones?
Supersimetría: ¿Es la supersimetría espacial realizada a escala TeV? Si es así, ¿cuál es el mecanismo de ruptura de la supersimetría? ¿La supersimetría estabiliza la escala de electroweak, evitando altas correcciones cuánticas? ¿La partícula supersimétrica más ligera (LSP) comprende materia oscura?
Confinamiento de color: La conjetura de confinamiento de color de cromodinámicas cuánticas (QCD) es que las partículas cargadas de color (como quarks y gluones) no pueden separarse de su hadrón padre sin producir nuevos hadrones. ¿Es posible proporcionar una prueba analítica del confinamiento de color en cualquier teoría de calibre no abeliana?
Generaciones de materia: ¿Por qué hay tres generaciones de quarks y leptons? ¿Hay una teoría que pueda explicar las masas de quarks y leptones en particular generaciones de principios (una teoría de acoplamientos de Yukawa)?
Masa de Neutrino: ¿Cuál es la masa de neutrinos, si siguen las estadísticas Dirac o Majorana? ¿La jerarquía de masas es normal o invertida? ¿La CP viola la fase igual a 0?
Reactor antineutrino anomalía: Hay una anomalía en el cuerpo existente de datos sobre el flujo antineutrino de reactores nucleares de todo el mundo. Los valores medidos de este flujo parecen ser sólo el 94% del valor esperado de la teoría. Se desconoce si esto se debe a la física desconocida (como neutrinos estériles), error experimental en las mediciones o errores en los cálculos de flujo teórico.
Problema de CP fuerte y axiones: ¿Por qué la fuerte interacción nuclear invariable a la paridad y la conjugación? ¿Es la teoría Peccei-Quinn la solución a este problema? ¿Podrían las axiones ser el componente principal de la materia oscura?
Anomalous magnético dipole moment: ¿Por qué el valor experimentalmente medido del momento anómalo del dipolo magnético del muón ("muón) $g$ − 2") significativamente diferente del valor teóricamente predicho de esa constante física?
Proton radius puzzle: ¿Cuál es el radio de carga eléctrica del protón? ¿Cómo difiere de una carga gluónica?
Pentaquarks y otros hadrones exóticos: ¿Qué combinaciones de quarks son posibles? ¿Por qué eran tan difíciles de descubrir los pentaquarks? ¿Son un sistema de cinco partículas elementales, o un emparejamiento más débil de un baryon y un meson?
Mu problem: Un problema en teorías supersimétricas, preocupada por entender las razones de los valores de parámetro de la teoría.
Fórmula Koide: Un aspecto del problema de las generaciones de partículas. La suma de las masas de los tres leptones cargados, dividida por la plaza de la suma de las raíces de estas masas, dentro de una desviación estándar de las observaciones, es ${textstyle Q={frac { 2 }{3}}.}$ Se desconoce cómo se produce un valor tan simple, y por qué es el promedio aritmético exacto de los posibles valores extremos de 1/3 (las mismas masas) y 1 (una masa domina).

Astronomía y astrofísica

Ciclo solar: ¿Cómo genera el Sol su revertir periódicamente el campo magnético a gran escala? ¿Cómo generan otras estrellas de tipo solar sus campos magnéticos, y cuáles son las similitudes y diferencias entre ciclos de actividad estelar y el del Sol? ¿Qué causó el Maunder Mínimo y otros grandes minima, y cómo se recupera el ciclo solar de un estado de minima?
Problema de calefacción coronal: ¿Por qué la corona del Sol (capa de atmósfera) es mucho más caliente que la superficie del Sol? ¿Por qué el efecto de reconexión magnética muchas órdenes de magnitud más rápido de lo previsto por modelos estándar?
jet astrofísico: ¿Por qué sólo ciertos discos de acreción que rodean ciertos objetos astronómicos emiten jets relativistas a lo largo de sus ejes polares? ¿Por qué hay oscilaciones cuasi-periodicas en muchos discos de acreción? ¿Por qué el período de estas oscilaciones escala como el inverso de la masa del objeto central? ¿Por qué a veces hay matices excesivos, y por qué estos aparecen en diferentes ratios de frecuencia en diferentes objetos?
Diffuse interstellar bands: ¿Qué es responsable de las numerosas líneas de absorción interestelar detectadas en espectros astronómicos? ¿Son de origen molecular, y si es así qué moléculas son responsables de ellas? ¿Cómo se forman?
Agujeros negros supermasivos: ¿Cuál es el origen de la relación M-sigma entre masa de agujero negro supermasiva y dispersión de velocidad de galaxia? ¿Cómo crecieron los quasares más distantes sus agujeros negros supermasivos hasta 10¹⁰ ¿Las masas solares tan temprano en la historia del universo?

Curva de rotación de una galaxia espiral típica: predicho (A) y observado (B). ¿Se puede atribuir la discrepancia entre las curvas a la materia oscura?

Kuiper acantilado: ¿Por qué el número de objetos en el Cinturón Kuiper del Sistema Solar cae rápidamente e inesperadamente más allá de un radio de 50 unidades astronómicas?
Una anomalía de Flyby: ¿Por qué la energía observada de los satélites volando por cuerpos planetarios a veces diferente por un minuto del valor predicho por la teoría?
Problema de rotación Galaxy: ¿Es la materia oscura responsable de las diferencias en la velocidad observada y teórica de las estrellas girando alrededor del centro de las galaxias, o es algo más?
Supernovae: ¿Cuál es el mecanismo exacto por el cual una implosión de una estrella moribunda se convierte en una explosión?
p-nuclei: ¿Qué proceso astrofísico es responsable de la nucleógenis de estos isótopos raros?
Rayo cósmico ultra-alta-energía: ¿Por qué algunos rayos cósmicos parecen poseer energías que son imposiblemente altas, dado que no hay fuentes de rayos cósmicos suficientemente energéticas cerca de la Tierra? ¿Por qué (aparentemente) algunos rayos cósmicos emitidos por fuentes distantes tienen energías por encima del límite Greisen–Zatsepin–Kuzmin?
Tasa de rotación de Saturno: ¿Por qué la magnetosfera de Saturno exhibe una periodicidad (slowly changing) cercana a la que giran las nubes del planeta? ¿Cuál es la verdadera tasa de rotación del interior profundo de Saturno?
Origen del campo magnético magnetar: ¿Cuál es el origen del campo magnético magnetar?
Anisotropía a gran escala: ¿Es el universo a grandes escalas anisotrópico, haciendo del principio cosmológico una suposición inválida? El número cuenta e intensidad dipole anisotropy en la radio, el catálogo NRAO VLA Sky Survey (NVSS) es inconsistente con el movimiento local derivado del fondo cósmico de microondas e indica un intrínseco dipole anisotropy. Los mismos datos de radio NVSS también muestran un dipolo intrínseco en densidad de polarización y grado de polarización en la misma dirección que en número de cuenta e intensidad. Hay varias otras observaciones que revelan una anisotropía a gran escala. La polarización óptica de los quasars muestra alineación de polarización sobre una escala muy grande de Gpc. Los datos cósmico-microwave-background muestran varias características de la anisotropía, que no son consistentes con el modelo Big Bang.
Relación de edad-metallicidad en el disco Galáctico: ¿Hay una relación universal de edad-metallicidad (AMR) en el disco Galáctico (tanto "thin" como "thick" partes del disco)? Aunque en el disco local (principalmente delgado) de la Vía Láctea no hay evidencia de una fuerte AMR, se ha utilizado una muestra de 229 estrellas cercanas del disco "tick" para investigar la existencia de una relación edad-metalicidad en el disco grueso Galáctico, e indicar que hay una relación edad-metallicidad presente en el disco grueso. Las edades estelares de la asteroseísmo confirman la falta de una fuerte relación edad-metalicidad en el disco Galáctico.
El problema del litio: ¿Por qué hay una discrepancia entre la cantidad de litio-7 predicho a ser producido en la nucleosíntesis Big Bang y la cantidad observada en estrellas muy antiguas?
Fuentes de rayos X ultralumíneas (ULXs): ¿Qué potencias Fuentes de rayos X que no están asociadas con núcleos galácticos activos sino que exceden el límite de Eddington de una estrella de neutrones o un agujero negro estelar? ¿Se deben a agujeros negros de masa intermedia? Algunos ULX son periódicos, lo que sugiere una emisión no isótrópica de una estrella de neutrones. ¿Esto se aplica a todos los ULX? ¿Cómo podría un sistema así y mantenerse estable?
Rrupciones de radio rápidas (FRB): ¿Qué causa estos pulsos de radio transitorios de galaxias distantes, que duran sólo unos pocos milisegundos cada uno? ¿Por qué algunos FRB repiten a intervalos impredecibles, pero la mayoría no? Se han propuesto docenas de modelos, pero ninguno ha sido ampliamente aceptado.
¿Hay vacíos en el espacio vacío o consisten en materia transparente?

Física nuclear

La "isla de estabilidad" en el protón vs. neutrón número parcela para núcleos pesados

Cromodinámica Cuántica: ¿Cuáles son las fases de la materia fuertemente interactuando, y qué roles juegan en la evolución del cosmos? ¿Cuál es la estructura partónica detallada de los núcleos? ¿Qué predice QCD para las propiedades de la materia fuertemente interactuando? ¿Qué determina las características clave de QCD, y cuál es su relación con la naturaleza de la gravedad y la hora espacial? ¿Existen bolas de pegamento? ¿Los gluones adquieren masa dinámicamente a pesar de tener una masa de reposo cero, dentro de los hadrones? ¿Acaso QCD realmente carece de violaciones del CP?
plasma Quark-gluon: Dónde está el inicio de la desconfinamiento: 1) como función de temperatura y potencial químico? 2) como función de la energía de colisión relativista de iones pesados y tamaño del sistema? ¿Cuál es el mecanismo de la energía y la parada baryon-número que conduce a la creación de plasma quark-gluón en colisiones relativistas de iones pesados? ¿Por qué la hadronización súbita y el modelo estadístico-hadronización son una descripción casi perfecta de la producción de hadron de plasma quark-gluon? ¿El sabor del quark se conserva en plasma de quark-gluon? ¿Son extraños y encantos en equilibrio químico en plasma quark-gluon? ¿Es extraño en el flujo de plasma de quark-gluón a la misma velocidad que los sabores de quark arriba y abajo? ¿Por qué la materia deconfinada muestra el flujo ideal?
Extraños: ¿Existe la materia extraña del quark (Strangelet) como estado estable?
Modelos específicos de formación de plasma quark-gluon: ¿Los gluones saturan cuando su número de ocupación es grande? ¿Los gluones forman un sistema denso llamado condensado de cristal de color? ¿Cuáles son las firmas y pruebas de las ecuaciones de evolución de Balitsky–Fadin–Kuarev–Lipatov, Balitsky–Kovchegov, Catani–Ciafaloni–Fiorani–Marchesini?
Nuclei y astrofísica nuclear: ¿Por qué hay falta de convergencia en las estimaciones de la vida media de un neutrón libre basado en dos métodos experimentales separados y cada vez más precisos? ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza nuclear que une protones y neutrones en núcleos estables y isótopos raros? ¿Cuál es la explicación para el efecto EMC? ¿Cuál es la naturaleza de las excitaciones exóticas en los núcleos en las fronteras de la estabilidad y su papel en los procesos estelares? ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones y la materia nuclear densa? ¿Cuál es el origen de los elementos del cosmos? ¿Cuáles son las reacciones nucleares que impulsan estrellas y explosiones estelares? ¿Cuál es el elemento químico más pesado posible?

Física atómica, molecular y óptica

Condenación de Bose-Einstein: ¿Cómo demostramos rigurosamente la existencia de condensados Bose-Einstein para sistemas de interacción general?
Alambramiento de bloques de Gauge: ¿Cuál es el mecanismo que permite que los bloques de medidor estén juntos?
Efecto Scharnhorst: ¿Pueden viajar señales de luz un poco más rápido que c entre dos placas de conducción cuidadosamente espaciadas, explotando el efecto Casimir?

Dinámica de fluidos

¿En qué condiciones existen soluciones lisas para las ecuaciones Navier-Stokes, que son las ecuaciones que describen el flujo de un fluido viscoso? Este problema, por un fluido incompresible en tres dimensiones, es también uno de los problemas del Premio del Milenio en las matemáticas.
Flujo turbulento: ¿Es posible hacer un modelo teórico para describir las estadísticas de un flujo turbulento (en particular, sus estructuras internas)?
Contaminación aguas arriba: Al vertido de agua de un recipiente superior a uno inferior, las partículas flotantes en este último pueden subir río arriba en el recipiente superior. Todavía falta una explicación definitiva de este fenómeno.
Convección granular: ¿por qué un material granular sometido a agitación o vibración exhibe patrones de circulación similares a tipos de convección de fluidos? ¿Por qué las partículas más grandes terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de diverso tamaño cuando se somete a una vibración/agitación?

Física de la materia condensada

Una muestra de un superconductor de tazas (específicamente BSCCO). Se desconoce el mecanismo de superconductividad de estos materiales.

Superconductores de alta temperatura: ¿Cuál es el mecanismo que hace que ciertos materiales exhiban superconductividad a temperaturas mucho más altas que alrededor de 25 kelvins? ¿Es posible hacer un material que sea un superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica?
sólidos amorfos: ¿Cuál es la naturaleza de la transición de vidrio entre un fluido o un sólido regular y una fase cristalina? ¿Cuáles son los procesos físicos que dan lugar a las propiedades generales de las gafas y la transición de vidrio?
Emisión de electrones criogénicos: ¿Por qué la emisión de electrones en ausencia de luz aumenta a medida que disminuye la temperatura de un fotomultirio?
Sonoluminiscencia: ¿Qué causa la emisión de breves ráfagas de luz de burbujas implorantes en un líquido cuando se excita por el sonido?
Orden topológico: ¿Es estable el orden topológico a temperatura no cero? Equivalentemente, ¿es posible tener memoria cuántica corregida tridimensionalmente?

Magnetoresistancia en un u = 8/5 Cuántico fraccional Estado del pabellón

Fraccional Efecto Hall: ¿Qué mecanismo explica la existencia de la u = 5/2 estado en el cuántico fraccional ¿Efecto de la sala? ¿Describe cuasiparticles con estadísticas fraccionarias no abelianas?
Cristales líquidos: ¿Se puede caracterizar la transición de fase nemática a smectic (A) en estados de cristal líquido como una transición de fase universal?
nanocristales semiconductores: ¿Cuál es la causa de la no parabolibilidad de la dependencia del tamaño energético para la transición de absorción óptica más baja de puntos cuánticos?
El silbido de metal: En dispositivos eléctricos, algunas superficies metálicas pueden crecer espontáneamente silbidos metálicos finos, lo que puede conducir a fallas de equipo. Aunque se sabe que el estrés mecánico es compresivo para fomentar la formación de silbidos, todavía no se ha determinado el mecanismo de crecimiento.
Transición superflua en helio-4: Explicar la discrepancia entre las determinaciones experimentales y teóricas del exponente crítico de capacidad de calor $α$ .

Física del plasma

Física de plasma y potencia de fusión: La energía de fusión puede potencialmente proporcionar energía de un recurso abundante (por ejemplo, hidrógeno) sin el tipo de desechos radiactivos que la energía de fisión produce actualmente. Sin embargo, ¿pueden limitarse los gases ionizados (plasma) lo suficientemente largo y a una temperatura suficientemente alta para crear energía de fusión? ¿Cuál es el origen físico de H-mode?
El problema de la inyección: Se cree que la aceleración de Fermi es el mecanismo primario que acelera las partículas astrofísicas a la alta energía. Sin embargo, no está claro qué mecanismo hace que esas partículas inicialmente tengan energías suficientemente altas para que la aceleración de Fermi funcione sobre ellas.
Turbulencia alfvénica: En el viento solar y la turbulencia en bengalas solares, las eyecciónes de masa coronal y las subtormentas magnetosféricas son grandes problemas sin resolver en la física espacial del plasma.

Biofísica

Stochasticidad y robustez para el ruido en expresión de genes: ¿Cómo rigen los genes nuestro cuerpo, soportando diferentes presiones externas y estocástica interna? Ciertos modelos existen para los procesos genéticos, pero estamos lejos de entender todo el cuadro, en particular en el desarrollo donde la expresión génica debe estar estrictamente regulada.
Estudio cuantitativo del sistema inmunitario: ¿Cuáles son las propiedades cuantitativas de las respuestas inmunitarias? ¿Cuáles son los componentes básicos de las redes del sistema inmunitario?
Homochirality: ¿Cuál es el origen de la preponderancia de los enantiómeros específicos en sistemas bioquímicos?
Magnetoreception: ¿Cómo perciben los animales (por ejemplo, aves migratorias) el campo magnético de la Tierra?
Predicción de la estructura de proteínas: ¿Cómo es la estructura tridimensional de proteínas determinada por la secuencia de aminoácidos unidimensional? ¿Cómo pueden las proteínas doblar en microsegundo a segundas escalas de tiempo cuando el número de posibles conformaciones es las transiciones astronómicas y conformacionales ocurren en el picosegundo a microsegundo? ¿Pueden escribir algoritmos para predecir la estructura tridimensional de una proteína de su secuencia? ¿Las estructuras nativas de la mayoría de las proteínas naturales coinciden con el mínimo global de la energía libre en el espacio conformacional? ¿O son la mayoría de las conformaciones nativas termodinámicamente inestables, pero kinetically atrapados en estados metástasis? ¿Qué mantiene la alta densidad de proteínas presentes dentro de las células de precipitación?
Biología cuántica: ¿Puede mantenerse la coherencia en los sistemas biológicos en los plazos lo suficientemente largos para ser funcionalmente importantes? ¿Existen aspectos no triviales de la biología o la bioquímica que sólo pueden explicarse por la persistencia de la coherencia como mecanismo?

Filosofía de la física

Interpretación de la mecánica cuántica: ¿Cómo la descripción cuántica de la realidad, que incluye elementos como la superposición de estados y el colapso de la función de onda o la decoherencia cuántica, da lugar a la realidad que percibimos? Otra forma de formular esta pregunta se refiere al problema de medición: ¿Qué constituye una "medida" que aparentemente hace que la función de onda colapse en un estado definido? A diferencia de los procesos físicos clásicos, algunos procesos mecánicos cuánticos (como la teleportación cuántica derivada del enredo cuántico) no pueden ser simultáneamente "local", "causal", y "real", pero no es obvio cuál de estas propiedades debe ser sacrificada, o si un intento de describir procesos mecánicos cuánticos en estos sentidos es un error de categoría tal que una comprensión adecuada de la mecánica cuántica haría la pregunta sin sentido. ¿Puede un multiverso resolverlo?
Flecha del tiempo (por ejemplo, flecha del tiempo de la entropía): ¿Por qué el tiempo tiene una dirección? ¿Por qué el universo tenía una entropía tan baja en el pasado, y el tiempo correlacionó con el aumento universal (pero no local) de la entropía, del pasado y del futuro, según la segunda ley de la termodinámica? ¿Por qué se observan violaciones del PC en ciertas decaimientos débiles de la fuerza, pero no en otros lugares? ¿Son violaciones del CP de alguna manera un producto de la segunda ley de la termodinámica, o son una flecha separada del tiempo? ¿Existen excepciones al principio de causalidad? ¿Hay un solo pasado posible? ¿Es el momento presente físicamente distinto del pasado y del futuro, o es simplemente una propiedad emergente de la conciencia? ¿Qué vincula la flecha cuántica del tiempo a la flecha termodinámica?
Localidad: ¿Hay fenómenos no locales en la física cuántica? Si existen, ¿son fenómenos no locales limitados al enredamiento revelado en las violaciones de las desigualdades de Bell, o pueden la información y las cantidades conservadas también moverse de forma no local? ¿En qué circunstancias se observan fenómenos no locales? ¿Qué implica la existencia o ausencia de fenómenos no locales acerca de la estructura fundamental del tiempo espacial? ¿Cómo se diluye esta interpretación adecuada de la naturaleza fundamental de la física cuántica?

Problemas resueltos desde la década de 1990

Física general/física cuántica

Realizar un agujero libre Experimento de prueba de Bell (1970–2015): En octubre de 2015, científicos del Instituto Kavli de Nanociencia informaron que el fracaso de la hipótesis local oculto-variable se apoya en el nivel de confianza del 96% basado en un estudio de "prueba de Bell libre de agujeros". Estos resultados fueron confirmados por dos estudios con significación estadística sobre 5 desviaciones estándar publicadas en diciembre de 2015.
Create Bose–Einstein condensate (1924–1995): Bosons compuestos en forma de vapores atómicos diluidos fueron enfriados a la degeneración cuántica utilizando las técnicas de enfriamiento láser y enfriamiento evaporativo.

Cosmología y relatividad general

Existencia de ondas gravitacionales (1916–2016): El 11 de febrero de 2016, el equipo avanzado de LIGO anunció que habían detectado directamente ondas gravitacionales de un par de agujeros negros fusionados, que también fue la primera detección de un agujero negro binario estelar.
Solución numérica para agujero negro binario (1960s–2005): La solución numérica del problema de dos cuerpos en la relatividad general se logró después de cuatro décadas de investigación. Tres grupos idearon las técnicas de avance en 2005 (annus mirabilis de relatividad numérica).
Problema de edad cósmica (1920-1990): La edad estimada del universo era de alrededor de 3 a 8 billones de años más joven que las estimaciones de las edades de las estrellas más antiguas de la Vía Láctea. Mejores estimaciones para las distancias a las estrellas, y el reconocimiento de la aceleración expansión del universo, conciliaron las estimaciones de edad.

Física de altas energías/física de partículas

Existencia de pentaquarks (1964–2015): En julio de 2015, la colaboración de LHCb en CERN identificó pentaquarks en los ▪⁰
_b→J/introducK⁻p canal, que representa la decadencia de la lambda baryon inferior (continuación)⁰
_b) en un mesón J/ (J/versión), un kaon (K⁻
) y un protón (p). Los resultados mostraron que a veces, en lugar de desintegrarse directamente en mesons y baryons, los ▪⁰
_b decaído a través de estados intermedios pentaquark. Los dos estados, nombrados P⁺
_c(4380) y P⁺
_c(4450), tenía significados estadísticos individuales de 9 σ y 12 σ, respectivamente, y una significación combinada de 15 σ—para reclamar un descubrimiento formal. Los dos estados pentaquark fueron observados decayendo fuertemente J/introducp, por lo tanto debe tener un contenido de valence quark de dos quarks arriba, un quark abajo, un quark encanto, y un quark anti-charm (
u

u

d

c

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Haciéndolos encantadores-pentaquarks.
Existencia de plasma quark-gluon, se descubrió una nueva fase de la materia y se confirmó en experimentos en CERN-SPS (2000), BNL-RHIC (2005) y CERN-LHC (2010).
Higgs boson and electroweak symmetry breaking (1963–2012): El mecanismo responsable de romper la simetría del medidor de electroweak, dando masa a los bosones W y Z, fue resuelto con el descubrimiento del bosón Higgs del Modelo Estándar, con los acoplamientos esperados a los bosones débiles. No se ha observado ninguna evidencia de una solución dinámica fuerte, propuesta por technicolor.
Origen de la masa de la mayoría de las partículas elementales: Resuelto con el descubrimiento del bosón Higgs, que implica la existencia del campo Higgs dando masa a estas partículas.

Astronomía y astrofísica

Origen de la explosión corta de rayos gamma (1993–2017): De la fusión de estrellas binarias de neutrones, producir una explosión kilonova y la explosión de rayos gamma cortos GRB 170817A se detectó tanto en ondas electromagnéticas como en onda gravitacional GW170817.
Problema de baryon perdido (1998–2017): proclamado resuelto en octubre de 2017, con los baryones desaparecidos ubicados en gas intergaláctico caliente.
Estallidos de rayos gamma de larga duración (1993–2003): Las ráfagas de larga duración se asocian a las muertes de estrellas masivas en un tipo específico de evento como supernova comúnmente conocido como un colapso. Sin embargo, también hay GRB de larga duración que muestran evidencia contra una supernova asociada, como el evento Swift GRB 060614.
Problema neutrino solar (1968–2001): Resuelto por una nueva comprensión de la física neutrino, que requiere una modificación del Modelo Estándar de la física de partículas, específicamente, oscilación neutrino.
Naturaleza de los quasars (1950-1980s): La naturaleza de los quasars no se entendía durante décadas. Ahora son aceptados como un tipo de galaxia activa donde la enorme producción de energía resulta de la materia cayendo en un agujero negro masivo en el centro de la galaxia. Quasars produce jets dentro del núcleo, los expulsa en los polos opuestos, y luego los jets se colisionan por la radiación del disco de acreción circundante por el efecto de carga hueco.
La columna central de Saturno se determinó desde su campo gravitacional.

Física nuclear

Existencia de plasma quark-gluon, se descubrió una nueva fase de la materia y se confirmó en experimentos en CERN-SPS (2000), BNL-RHIC (2005) y CERN-LHC (2010).
Temperatura hagedorna reconocida como temperatura de transformación de fase entre fase confinada y fase deconfinada de la materia.

Problemas resueltos rápidamente

Existencia de cristales de tiempo (2012–2016): La idea de un cristal de tiempo cuantificado fue teorizada por primera vez en 2012 por Frank Wilczek. En 2016, Khemani et al. y Else et al. independientemente del otro sugirió que los sistemas de giro cuántico impulsados periódicamente podrían mostrar comportamiento similar. También en 2016, Norman Yao en Berkeley y colegas propusieron una manera diferente de crear cristales de tiempo discretos en sistemas de giro. Esto fue utilizado entonces por dos equipos, un grupo liderado por Christopher Monroe en la Universidad de Maryland y un grupo liderado por Mikhail Lukin en la Universidad de Harvard, que ambos pudieron mostrar evidencia para cristales de tiempo en el entorno de laboratorio, mostrando que durante corto tiempo los sistemas exhibieron la dinámica similar al predicho.
Crisis de subproducción de fotones (2014–2015): Este problema fue resuelto por Khaire y Srianand. Muestran que un factor 2 a 5 veces mayor tasa de fotoionización metagaláctica se puede obtener fácilmente utilizando observaciones cuásares y galaxias actualizadas. Las observaciones recientes de los cuásares indican que la contribución del cuásar a los fotones ultravioleta es un factor de 2 mayores que las estimaciones anteriores. La contribución de galaxia revisada es un factor de 3 más grande. Estos juntos resuelven la crisis.
Hipparcos anomalía (1997–2012): El satélite de recogida de parásitos de alta precisión (Hipparcos) midió el paralax de las Pléyades y determinó una distancia de 385 años luz. Esto fue significativamente diferente de otras mediciones realizadas por medio de medición de brillo real a aparente o magnitud absoluta. La anomalía se debió al uso de una media ponderada cuando hay una correlación entre distancias y errores de distancia para estrellas en racimos. Se resuelve utilizando un medio sin peso. No hay sesgo sistemático en los datos de Hipparcos cuando se trata de grupos estelares.
Anomalia neutrino más rápida (2011–2012): En 2011, el experimento OPERA observó erróneamente neutrinos apareciendo para viajar más rápido que la luz. El 12 de julio de 2012 OPERA actualizó su documento incluyendo las nuevas fuentes de errores en sus cálculos. Encontraron acuerdo de velocidad neutrino con la velocidad de la luz.
Pioneer anomaly (1980–2012): Hubo una desviación en las aceleraciones predichas de la nave espacial Pioneer 10 y 11 a medida que dejaron el Sistema Solar. Se cree que esto es un resultado de la fuerza de retroceso térmica no contabilizada anteriormente.

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