Нерешённые проблемы современной физики

• Стрела времени: Почему у времени есть направление? Чем время отличается от пространства? Почему у Вселенной была такая низкая энтропия в прошлом, и почему время соотносится с универсальным (а не локальным) увеличением энтропии из прошлого в будущее согласно второму закону термодинамики?[2] Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются при некоторых распадах слабого взаимодействия и нигде более? Являются ли нарушения CP-инвариантности каким-то образом производными второго закона термодинамики, или же они — отдельная стрела времени? Существуют ли исключения из принципа причинности? Возможно только одно-единственное прошлое? Различается ли физически настоящее время от прошлого и будущего, или это просто состояние сознания? Что соединяет квантовую стрелу времени с термодинамической? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом?

Распад метастабильного вакуума

Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?

Квантовая гравитация

Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?[3] Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?:Дело в том, что современная стандартная модель описывает только 3 вида фундамента́льных взаимоде́йствий (слабое, сильное и электромагнитное) из 4, гравитационное взаимодействие может быть описано введением ещё одного калибровочного бозона, гравитон, но экспериментально его обнаружить не удалось, так как гравитационное взаимодействие считается самым слабым, и воздействие на субатомные частицы крайне незначительно.

Также попытки внедрения гравитона в стандартную модель сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий, тем не менее ОТО описывает гравитацию, как проявление геометрии пространства-времени. _{Открытие гравитационных волн.}

Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга

Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчёта Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется?[4][5]. Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры?[6] Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется[7]. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы чёрных дыр[8]. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению чёрной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом[9]. Неизвестно доказательство в общем случае «теоремы об отсутствии волос» у чёрной дыры[10].

Модель чёрной дыры (в центре), наложенная на изображение Большого Магелланова Облака. Обратите внимание на эффект гравитационного линзирования, которое производят два увеличенных и сильно искажённых участка Облака. В верхней части рисунка диск Млечного Пути также имеет дугообразное искажение.

Размерность пространства-времени

Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх?[1] Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?[11]

Инфляционная модель Вселенной

Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?

Мультивселенная

Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантовомеханические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения?[12] Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических проблем?

Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии

Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно?[13] В последнее время появились факты[14] в пользу несостоятельности гипотезы космической цензуры, а значит, голые сингулярности должны встречаться гораздо чаще, чем только лишь как экстремальные решения уравнений Керра — Ньюмена, тем не менее неоспоримых доказательств этому представлено ещё не было. Аналогично, будут ли замкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении), исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?

Локальность

Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой запутанностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?

Будущее Вселенной[15]

Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?

Моделирование процесса обнаружения бозонов Хиггса на детекторе КМС в CERN

Нерешённые вопросы физики элементарных частиц делятся на два класса. Первый — из чего всё состоит и почему оно построено так, как построено, а также поиск возможных новых частиц и взаимодействий. Второй — как из уже известных частиц образуются уже известные явления[16].

Механизм Хиггса[16]

Сколько бозонов Хиггса существует? Описываются ли они в рамках Стандартной модели?[17]

Проблема иерархии

Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10¹⁹ ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?

Магнитный монополь

Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда[18])[19]

Распад протона и Великое объединение

Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?

Суперсимметрия[16]

Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?

Поколения материи

Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?

Фундаментальная симметрия и нейтрино

Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества?[20] Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?

Квантовая теория поля

• Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?[21]
• Не проведена программа построения квантовой теории поля на основе введения с самого начала реальных взаимодействующих частиц, а не использования искусственного представления о фиктивных свободных полях (элементарные частицы постоянно взаимодействуют с вакуумом, как со своего рода физической «средой», в которой они движутся).[22]

Безмассовые частицы

Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?[23]

Квантовая хромодинамика

Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?

Атомное ядро и ядерная астрофизика

Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?

Остров стабильности

Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?[24]

• Не создана последовательная квантовая гидродинамическая теория сверхтекучей жидкости, объединяющая двухжидкостную теорию Ландау и теорию, учитывающую градиенты макроскопической волновой функции[25].
• Макроскопическая теория сверхтекучести не учитывает взаимодействие между наблюдателем и квантовой системой. Существенно ли оно для сверхтекучести?[26]
• Не решена задача учёта взаимодействия частиц при квантовом подходе[27].
• Можно ли наблюдать релятивистские эффекты в сверхтекучих системах?[28]
• Существующая формулировка квантовой механики не позволяет получить описание сверхтекучей системы из первых принципов. Масса сверхтекучих систем велика, а длина волны де Бройля сравнима с размерами измерительного прибора. Приведёт ли явление сверхтекучести к новому пониманию старого парадокса квантовой механики о редукции волнового пакета в процессе измерения?[29]

Туннельный эффект — квантовая механика показывает, что электроны могут преодолеть потенциальный барьер, что подтверждается результатами экспериментов.
Классическая механика, наоборот, предсказывает, что это невозможно.

Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом)

Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?

Физическая информация

Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?

Теория всего («Теории Великого объединения»)

Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант?[30] Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?

Калибровочная инвариантность

Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?

CP-симметрия

Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?[1]

Физика полупроводников

Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника[31].

Квантовая физика

Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов[32].

При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим[33].

Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s¹-электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.

Статистическая физика

Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса[34][35][36][37].

Квантовая электродинамика

Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля?[38]

Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице[39].

Можно ли сопоставить нулевой энергии электромагнитного поля какую-нибудь наблюдаемую физическую величину?[40]

Биофизика

Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов[41].

Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах[42].

Сверхпроводимость

Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры[43]. Возможно ли получить в стабильном состоянии материал-сверхпроводник при комнатной температуре?[44]

Физика твёрдого тела

Невозможно даже приближённо рассчитать намагниченность, теплоёмкость, электропроводность и другие макроскопические величины, исходя из известного строения кристалла, электронных оболочек атомов в кристалле и других параметров микромира для сильно магнитных веществ (ферромагнетиков, антиферромагнетиков и ферримагнетиков)[45].

Отсутствует количественная микроскопическая теория ацентрических твердых тел, учитывающая тип, концентрацию и характер распределения примесей и дефектов структуры[46].

Существование Вселенной

Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?

Барионная асимметрия Вселенной

Почему в наблюдаемой Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии?[24]

Проблема космологической постоянной

Почему нулевая энергия вакуума не приводит к большому значению космологической постоянной? Что отменяет эту зависимость?

Оценочное распределение тёмной материи и тёмной энергии во вселенной. 74 % — тёмная энергия, 22 % тёмная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4 % — наблюдаемые звезды.

Тёмная энергия[1]

Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?

Тёмная материя[1]

Что такое тёмная материя?[47][24] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?

Логарифмические графики показывают плотность тёмной энергии ${\displaystyle \rho _{*}}$ и плотность тёмной материи ${\displaystyle \rho _{m}}$ по горизонтали отложен временной фактор ${\displaystyle a}$. Две прямые линии пересекаются в текущей эпохе[48].

Тёмный поток

Что является причиной согласованного движения большой группы скоплений галактик к одной точке Вселенной?[49]

Энтропия (направление времени)

Почему Вселенная имела такую низкую энтропию в прошлом, приведшую в результате к различию между прошлым и будущим и второму закону термодинамики?[50]

Проблема горизонта[20]

Почему удалённая от нас часть Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.

Изотропия реликтового излучения

Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?

Форма Вселенной

Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?

Термодинамика Вселенной

Почему в наблюдаемой части Вселенной в настоящее время отсутствует термодинамическое равновесие?[51]

Планетология

Почему с 1930-х годов уменьшается размер Большого красного пятна на Юпитере?[52]

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия

Каков механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, дающий массу W и Z бозонам? Является ли он простым механизмом Хиггса Стандартной модели[53] или же природа использует сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?

Формула Коидэ и масса лептонов

Случайно ли совпадение соотношения масс заряженных лептонов в формуле Коидэ с экспериментальными данными? Выполняется ли формула для незаряженных лептонов и для всех лептонов вместе взятых?

Масса нейтрино

Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это и есть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?[54]

Кварки

Почему ровно три цвета?[1] Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Откуда берётся такой разброс в массах кварков? Из чего состоят кварки?[24] Как кварки складываются в адроны?[16]

Отношение инерциальная масса/гравитационная масса для элементарных частиц

В соответствии с принципом эквивалентности общей теории относительности, отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равно единице. Однако, экспериментального подтверждения этого закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, каков будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.

Кризис спина протона

По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12 % от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?

Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме

Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?

Удержание цвета[1]

Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?

Сильная CP-проблема и аксионы

Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Квинн решением этой проблемы?

Гипотетические частицы

Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?

Теория Редже

Почему все наблюдаемые в эксперименте траектории Редже являются прямолинейными и имеют приближенно равные наклоны?[55][56]

Радиус протона

Радиус протона, определённый в экспериментах по измерению лэмбовского сдвига в атоме водорода с заменой электрона на мюон (0,8409 фм), оказался меньше радиуса протона, определённого в экспериментах по рассеянию электронов на протонах (0,879 фм)[57].

Магнитный момент мюона

Экспериментальное значение магнитного момента мюона не соответствует теоретическому[57][58].

Электрический дипольный момент нейтрона

Был бы точно равен нулю, если бы имела место инвариантность всех взаимодействий, в которых участвует нейтрон, относительно операции отражения времени. Слабые взаимодействия неинвариантны относительно операции отражения времени. Вследствие этого нейтрон должен был бы обладать электрическим дипольным моментом. Причина отсутствия этого момента у нейтрона неизвестна[59].

Спин

Почему сохраняется ненулевой момент количества движения в низшем энергетическом состоянии? Почему спины электронов и нуклонов полуцелые?[60]

Мюон и электрон

Почему мюон и электрон различаются только массой и столь похожи во всех остальных отношениях?[61]

Фундаментальная длина

Существует ли она в микромире и если да, то какова она по величине?[62]

Закон планетарных расстояний

предложенный ещё И. Д. Тициусом и И. Э. Боде − до сих пор неизвестно, является ли это правило случайным совпадением, или существуют физические причины для закономерности расстояний до планет.

Планетная система

Отсутствует законченная теория, объясняющая происхождение Солнечной системы[63] и Земли[64] в частности и планетарных систем и экзопланет в целом.

Солнечная цикличность

Какова природа циклов солнечной активности; каков механизм обращений магнитного поля Солнца, Земли?

Проблема нагрева солнечной короны

Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?

Скорость вращения Сатурна

Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?[65]

Струи аккреционных дисков

Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси?[66] Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?

Гамма-всплески

Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?[67]

Сверхмассивные чёрные дыры

Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?[68]

Наблюдаемые аномалии

Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?

Пролётная аномалия: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?

Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?

Сверхновые

Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?

Космические лучи сверхвысоких энергий[47]

Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?[69][70]

Замедление времени квазара

Почему кривые блеска квазаров в отличие от кривых блеска сверхновых[71] не демонстрируют эффекта замедления времени на больших космологических расстояниях?[72]

Аморфные тела

Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла?[73][74]

Холодный ядерный синтез

Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?[75][76][77]

Криогенная электронная эмиссия

Почему в отсутствие света увеличивается эмиссия электронов фотоэлектронного умножителя при уменьшении его температуры?[78][79]

Высокотемпературная сверхпроводимость

Каков механизм, вызывающий у некоторых материалов проявление сверхпроводимости при температурах намного выше 50 кельвинов?[80]

Сонолюминесценция

Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?[81]

Турбулентность

Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?[82] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье — Стокса?

Квазидвухлетний цикл

Какова природа колебаний с периодом порядка 26 месяцев, зарождающихся в экваториальной стратосфере?

Полугодовой цикл

Какова природа колебаний с полугодовым периодом, проявляющихся, в частности, в виде загадочного эффекта «бабьего лета»?[83]

Равновесный градиент температуры

Существующая теория турбулентного переноса тепла в атмосфере дает значение вертикального градиента температуры −9.8 К/км, в то время как наблюдения дают значение абсолютной величины этого градиента почти на 40 % меньшее.

Отрицательная вязкость

Каков физический механизм явлений с отрицательной вязкостью?[84]

Шаровая молния

Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Молния

Почему лишь малая часть кучевого облака перед грозой электрически заряжена?[85] Почему ступенчатый лидер молнии перемещается с паузами?[85] Чем объясняется чередование фаз сильного и слабого тока в процессе образования молний?[85]

Синаптическая пластичность

Она необходима для вычислительной и физической моделей мозга, но чем это обусловлено и какую роль она играет в процессах более высокого порядка вне гиппокампа и зрительной коры?

Аксональное наведение

Как аксоны, исходящие из нейронов, находят свои цели? Этот процесс имеет решающее значение для развития нервной системы, в частности, в вопросе формирования структуры соединений в мозге.

Случайность и устойчивость к шуму при экспрессии генов

Как гены управляют нашим телом, выдерживая различные внешние воздействия и внутреннюю стохастичность? Существуют различные модели генетических процессов, но мы далеки от понимания всей картины, в частности, в морфогенезе, в котором экспрессия генов должна жёстко регулироваться.

Количественное исследование иммунной системы

Каковы количественные свойства иммунных реакций? Каковы основные строительные блоки иммунной системы? Какую роль играет стохастичность?

Определение трёхмерной структуры любого белка исходя из известной последовательности составляющих его аминокислот. Частично решена в 2020 году для белков, пригодных к рентгеноструктурному анализу, но не в общем случае[86].

Физика биополимеров

Отсутствует теория, которая объясняет экспериментальные данные при конформационных и конфигурационных изменениях биополимеров[87].

• В случае полярных решёток опыт даёт значительное расхождение с теоретической зависимостью подвижности носителей заряда от температуры[31].
• В большинстве полупроводников величина и температурная зависимость термоэлектродвижущей силы на опыте расходятся с предсказаниями теории[31].

• Отсутствует законченная теория, объясняющая происхождение и эволюцию магнитного поля Земли[88].
• Отсутствует объяснение явления антисимметрии в расположении материков и океанических впадин на поверхности Земли (наличие океанического и материкового полушария Земли, Антарктический материк противостоит океанической впадине Северного Ледовитого океана)[89].

• Незатухающие токи в обычных проводниках, помещенных в магнитное поле, на один-два порядка больше предсказываемых теорией[90].

• Создание гравитационно-волновой астрономии[91][92].
• Проверка закона всемирного тяготения Ньютона на расстояниях, меньших 55 мкм, с целью проверки гипотезы о существовании добавочных пространственных измерений[93].
• Осуществление генерации и детектирования гравитационных волн в лабораторных условиях[94]
• Выявление квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции[95]

• Обнаружение распада протона и определение времени жизни протона[96][97].
• Обнаружение новых элементарных частиц, предсказываемых теориями суперсимметрии и супергравитации[98].

• Обнаружение космических струн, предсказываемых теорией струн[99].

• Создание эталона массы с приемлемой точностью на основе измерений фундаментальных физических констант масс различных элементарных частиц (протона, электрона и т. д.)[100].