A seguir, uma lista de notáveis problemas não resolvidos agrupados em grandes áreas da física.
Alguns dos principais problemas não resolvidos na física são teóricos, o que significa que as teorias existentes são atualmente incapazes de explicar certos fenômenos observados ou resultados experimentais. Outros são experimentais, envolvendo desafios na criação de experimentos para testar teorias propostas ou para investigar fenômenos específicos com maior detalhe.
Diversas questões importantes permanecem em aberto na área da física além do Modelo Padrão, como o problema CP forte, a determinação da massa absoluta dos neutrinos, a compreensão da assimetria matéria-antimatéria e a identificação da natureza da matéria escura e da energia escura.
Outro problema significativo reside na própria estrutura matemática do Modelo Padrão, que permanece inconsistente com a relatividade geral. Essa incompatibilidade faz com que ambas as teorias falhem sob condições extremas, como em singularidades gravitacionais conhecidas do espaço-tempo, como as do Big Bang e nos centros de buracos negros além de seus horizontes de eventos.
Problemas e listas históricas Isaac Newton, em seu livro Opticks (primeira edição de 1704), publicou uma lista de 31 questões sobre a luz.
Em 1900, Lord Kelvin, em um discurso, identificou duas questões principais na física clássica que representavam "duas nuvens" para a física do século XX: a falta de evidências da existência do éter luminífero e as falhas do teorema da equipartição na previsão da capacidade térmica dos sólidos. Ambos os problemas foram resolvidos em uma década com o desenvolvimento da relatividade especial e da mecânica quântica, respectivamente.
Em 1984, o físico matemático Barry Simon propôs uma lista de quinze problemas em aberto sobre operadores quânticos (cerca de 5 já resolvidos em 2000). Uma segunda lista de quinze problemas de Simon foi divulgada em 2000 (pelo menos três problemas resolvidos).
O laureado com o Nobel Vitaly Ginzburg é conhecido por ter compilado, de 1971 a 2005, uma lista de problemas em aberto na física "à beira do século XXI", a lista final inclui trinta problemas. Ginzburg também incluiu três "grandes problemas": o problema da flecha do tempo, as interpretações da mecânica quântica e a vida que surge apenas da física.
Durante a conferência Strings 2000, uma lista de dez problemas do milênio na física teórica foi proposta por seus membros, nenhum dos quais foi resolvido conclusivamente até 2025.
Listas matemáticas Alguns problemas de física matemática estão incluídos em listas notáveis de problemas não resolvidos em matemática, entre elas:
O sexto problema dos problemas de Hilbert de 1900 sobre a axiomatização da física, o problema é mal definido ou parcialmente resolvido. Os problemas de existência e suavidade de Navier-Stokes e de existência e lacuna de massa de Yang-Mills dos Problemas do Prêmio do Milênio permanecem sem solução.
Física geral Teoria de tudo: Existe uma estrutura teórica singular, abrangente e coerente da física que explique e ligue completamente todos os aspectos físicos do universo?"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. Constantes físicas adimensionais: Atualmente, os valores de várias constantes físicas adimensionais não podem ser calculados; eles só podem ser determinados por medição física. Qual é o número mínimo de constantes físicas adimensionais a partir das quais todas as outras constantes físicas adimensionais podem ser derivadas? As constantes físicas dimensionais são realmente necessárias?Alcohol constrains physical constant in the early universe." Science, 13 de dezembro de 2012.
Gravidade quântica Gravidade quântica: A mecânica quântica e a relatividade geral podem ser realizadas como uma teoria totalmente consistente (talvez como uma teoria quântica de campos)? O espaço-tempo é fundamentalmente contínuo ou discreto? Uma teoria consistente envolveria uma força mediada por um hipotético gráviton, ou seria um produto de uma estrutura discreta do próprio espaço-tempo (como na gravidade quântica em loop)? Existem desvios das previsões da relatividade geral em escalas muito pequenas ou muito grandes, ou em outras circunstâncias extremas, que decorrem de um mecanismo de gravidade quântica? Buracos negros, paradoxo da informação dos buracos negros e radiação de buracos negros: Os buracos negros produzem radiação térmica, como previsto teoricamente? Essa radiação contém informações sobre sua estrutura interna, como sugerido pela dualidade gauge-gravidade, ou não, como implica o cálculo original de Hawking? Se não, e os buracos negros podem evaporar, o que acontece com a informação armazenada neles (já que a mecânica quântica não prevê a destruição da informação)? Ou a radiação cessa em algum ponto, deixando remanescentes de buracos negros? Existe outra maneira de sondar sua estrutura interna, se é que tal estrutura existe? A hipótese da censura cósmica e a conjectura da proteção da cronologia : podem singularidades não ocultas atrás de um horizonte de eventos, conhecidas como "singularidades nuas", surgir de condições iniciais realistas, ou é possível provar alguma versão da "hipótese da censura cósmica" de Roger Penrose que propõe que isso é impossível? Da mesma forma, as curvas temporais fechadas que surgem em algumas soluções das equações da relatividade geral (e que implicam a possibilidade de viagem no tempo para trás) serão descartadas por uma teoria da gravidade quântica que une a relatividade geral com a mecânica quântica, como sugerido pela "conjectura da proteção da cronologia" de Stephen Hawking? Princípio holográfico: É verdade que a gravidade quântica admite uma descrição em dimensões inferiores que não contém gravidade? Um exemplo bem compreendido de holografia é a correspondência AdS/CFT na teoria das cordas. De forma semelhante, a gravidade quântica em um espaço de Sitter pode ser compreendida usando a correspondência dS/CFT? A correspondência AdS/CFT pode ser amplamente generalizada para a dualidade gauge-gravidade para espaços-tempos assintóticos arbitrários? Existem outras teorias da gravidade quântica, além da teoria das cordas, que admitem uma descrição holográfica? Espaço-tempo quântico ou a emergência do espaço-tempo: A natureza do espaço-tempo na escala de Planck é muito diferente do espaço-tempo dinâmico clássico contínuo que existe na relatividade geral? Na gravidade quântica em loop, postula-se que o espaço-tempo seja discreto desde o início. Na teoria das cordas, embora originalmente o espaço-tempo fosse considerado exatamente como na relatividade geral (com a única diferença sendo a supersimetria), pesquisas recentes baseadas na conjectura de Ryu-Takayanagi demonstraram que o espaço-tempo na teoria das cordas é emergente, utilizando conceitos da teoria da informação quântica, como a entropia de emaranhamento na correspondência AdS/CFT. No entanto, ainda não se compreende bem como exatamente o espaço-tempo clássico familiar emerge dentro da teoria das cordas ou da correspondência AdS/CFT. Problema do tempo: Na mecânica quântica, o tempo é um parâmetro clássico de fundo, e o fluxo do tempo é universal e absoluto. Na relatividade geral, o tempo é um componente do espaço-tempo quadridimensional, e o fluxo do tempo muda dependendo da curvatura do espaço-tempo e da trajetória espaço-temporal do observador. Como esses dois conceitos de tempo podem ser reconciliados?
Física quântica Teoria de Yang-Mills: Dado um grupo de gauge compacto arbitrário, existe uma teoria quântica de Yang-Mills não trivial com um gap de massa finito? (Este problema também está listado como um dos Problemas do Milênio em matemática.) Teoria quântica de campos (esta é uma generalização do problema anterior): É possível construir, de forma matematicamente rigorosa, uma teoria quântica de campos no espaço-tempo quadridimensional que inclua interações e não recorra a métodos perturbativos?
Cosmologia e relatividade geral Inflação cósmica: A teoria da inflação cósmica no universo primordial está correta e, em caso afirmativo, quais são os detalhes dessa época? Qual é o hipotético campo escalar que deu origem a essa inflação cósmica? Se a inflação ocorreu em algum ponto, ela é autossustentável por meio da inflação de flutuações mecânicas quânticas e, portanto, continua em algum lugar extremamente distante? Problema do horizonte : Por que o universo distante é tão homogêneo quando a teoria do Big Bang parece prever anisotropias mensuráveis maiores no céu noturno do que as observadas? A inflação cosmológica é geralmente aceita como a solução, mas outras explicações possíveis, como uma velocidade da luz variável, são mais apropriadas? Origem e futuro do universo: Como surgiram as condições para a existência de qualquer coisa? O universo está caminhando para um Grande Congelamento, um Grande Rasgo, um Grande Colapso ou um Grande Rebote? Tamanho do universo: O diâmetro do universo observável é de aproximadamente 93 bilhões de anos-luz (ou, equivalentemente, um raio de cerca de 14 Gpc), mas qual é o tamanho de todo o universo? O universo é infinito? Assimetria matéria-antimatéria. Modelos teóricos sugerem que o universo primordial deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria. No entanto, as observações indicam que não havia antimatéria primordial significativa. Compreender os mecanismos que levaram a essa assimetria é um dos principais problemas não resolvidos da física. Princípio cosmológico: O universo é homogêneo e isotrópico em escalas suficientemente grandes, como afirma o princípio cosmológico e assumido por todos os modelos que usam a métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, incluindo a versão atual do modelo ΛCDM, ou o universo é heterogêneo ou anisotrópico? O dipolo da CMB é puramente cinemático ou sinaliza anisotropia do universo, resultando na quebra da métrica FLRW e do princípio cosmológico? A tensão de Hubble é evidência de que o princípio cosmológico é falso? Mesmo que o princípio cosmológico esteja correto, a métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker é a métrica correta para usar em nosso universo? As observações geralmente interpretadas como a expansão acelerada do universo são interpretadas corretamente ou são, em vez disso, evidência de que o princípio cosmológico é falso? Problema da constante cosmológica: Por que a energia do ponto zero do vácuo não causa uma grande constante cosmológica? O que a cancela?
direita|miniaturadaimagem|Distribuição estimada de matéria escura e energia escura no universo
Matéria escura: Qual é a identidade da matéria escura? É uma partícula? Se sim, é um WIMP, um áxion, o superparceiro mais leve (LSP) ou alguma outra partícula? Ou os fenômenos atribuídos à matéria escura são o resultado de uma teoria alternativa da gravidade, completamente distinta da relatividade geral? Apesar de extensas pesquisas, a composição exata da matéria escura permanece desconhecida. Ela é inferida a partir dos efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, a radiação e a estrutura em larga escala do universo. Compreender suas propriedades é crucial para uma compreensão abrangente do universo. Energia escura: Qual é a causa da expansão acelerada observada do universo (a fase de de Sitter)? As observações são interpretadas corretamente como a expansão acelerada do universo, ou são evidências de que o princípio cosmológico é falso? Por que a densidade de energia do componente de energia escura tem a mesma magnitude que a densidade da matéria atualmente, quando as duas evoluem de forma bastante diferente ao longo do tempo? Poderia ser simplesmente que estamos observando exatamente no momento certo? A energia escura é uma constante cosmológica pura ou modelos de quintessência, como a energia fantasma, são aplicáveis?