Sono riportati di seguito i più importanti problemi irrisolti della fisica. La maggior parte è di carattere teorico: ciò significa che le teorie esistenti oggi sembrano incapaci di spiegare un determinato fenomeno osservato o un dato sperimentale. Gli altri problemi invece sono sperimentali, ovvero riguardano le varie difficoltà nel creare un esperimento per verificare la validità di una teoria proposta o investigare un fenomeno più dettagliatamente.

Ci sono ancora alcune carenze nel Modello standard, ad esempio l'origine della massa, il problema della CP forte, la masse e le oscillazioni del neutrino, l'asimmetria tra materia e antimateria, e la natura della materia oscura e dell'energia oscura. Un altro problema riguarda la struttura matematica del Modello standard stesso che risulta incoerente con quello della relatività generale, fino al punto che una o entrambe le teorie in certe condizioni non riescono a determinare cosa accade (come ad esempio all'interno delle singolarità gravitazionali come il Big Bang e il centro di un buco nero oltre l'orizzonte degli eventi).

Problemi irrisolti nei vari ambiti Questa è una lista di problemi irrisolti suddivisi in base ai diversi ambiti in cui può essere suddivisa la fisica:

Fisica generale/fisica quantistica

Teoria del tutto: C'è una teoria che possa spiegare i valori di tutte le costanti fisiche fondamentali? Esiste una teoria che spiega perché i gruppi di gauge del Modello standard sono così come sono, e perché lo spaziotempo osservato ha tre dimensioni spaziali e una temporale? Le "costanti fondamentali" sono davvero fondamentali o variano nel tempo? È possibile che le particelle del Modello standard siano composte da particelle più piccole legate in modo tanto forte da non poter essere osservate con le tecnologie attuali? Quali sarebbero le proprietà di queste particelle? Ci sono interazioni fondamentali non ancora osservate? Freccia del tempo (per esempio la freccia del tempo dovuta all'entropia): Perché il tempo ha una direzione? Perché l'universo aveva una bassa entropia nel passato e man mano che il tempo è trascorso c'è stato un aumento dell'entropia in tutto l'universo come previsto dalla seconda legge della termodinamica? Perché sono state osservate delle violazioni della simmetria CP in determinate circostanze sotto l'azione del decadimento dovuto alle forze deboli, ma non altrove? Sono le violazioni di CP in qualche modo un prodotto della seconda legge della termodinamica o vanno considerati come una distinta freccia del tempo? Ci sono eccezioni al principio di casualità? C'è un solo possibile passato? Il presente è un momento fisicamente distinto dal passato e dal futuro o è solo una proprietà della coscienza? Cosa lega la freccia del tempo quantistica alla freccia del tempo termodinamica? Interpretazione della meccanica quantistica: Come può la descrizione quantistica della realtà che include elementi come la sovrapposizione degli stati e il collasso della funzione d'onda dare origine alla realtà che percepiamo? In altre parole, si tratta del problema della misura: cosa costituisce una "misura" che apparentemente provoca il collasso della funzione d'onda in uno stato definito? A differenza dei processi della fisica classica, alcuni processi quantistici (come il teletrasporto quantistico derivato dall'entanglement quantistico) non possono essere simultaneamente "locali", "causali" e "reali", ma non è ovvio quale di queste proprietà vada sacrificata, o se un tentativo di descrivere i processi quantistici in questo senso è un errore di categoria nel senso che una comprensione adeguata della meccanica quantistica renderebbe questa domanda senza significato. Può un multiverso dare la risposta? Teoria di Yang-Mills: dato un arbitrario gruppo di gauge compatto, esiste una teoria quantistica non banale di Yang-Mills con gap di massa finito? (Questo problema è anche uno dei problemi per il millennio.) Confinamento di colore: in cromodinamica quantistica (QCD) per la congettura del confinamento di colore si intende che le particelle cariche di colore (come i quark e i gluoni) non possono essere separati dai loro adroni genitori senza produrre nuovi adroni. Non c'è ancora una dimostrazione analitica del confinamento di colore in nessuna teoria di gauge non abeliana. Informazione fisica: ci sono fenomeni fisici, come il collasso della funzione d'onda o i buchi neri, che distruggono irrevocabilmente informazioni circa i loro stati precedenti? Come è immagazzinata l'informazione quantistica in qualità di stato di un sistema quantistico? Costanti fisiche adimensionate: attualmente, i valori delle costanti fisiche adimensionate non possono essere calcolati, sono determinati esclusivamente da misurazioni sperimentali. Qual è il numero minimo di costanti adimensionate dalle quali discendono tutte le altre? Le costanti fisiche dimensionate sono proprio necessarie? Universo finemente regolato: il valore delle costanti fisiche fondamentali deve mantenersi in una gamma ristretta di valori per supportare la nostra vita basata sui processi chimici che riguardano il carbonio. È perché esistono altri universi con diverse costanti, o perché le costanti del nostro universo sono dovute al caso o a qualche altro fattore o processo? Teoria quantistica dei campi: è possibile costruire, nella cornice matematicamente rigorosa della teoria quantistica dei campi algebrica, una teoria nello spaziotempo quadridimensionale che includa le interazioni e non ricorra ai metodi della teoria perturbativa?

Cosmologia e relatività generale

Asse del male: alcune grandi caratteristiche del cielo a microonde a distanze di oltre 13 miliardi di anni luce sembrano essere allineate sia con il movimento che con l'orientamento del sistema solare. Ciò è dovuto a errori sistematici di elaborazione, contaminazione dei risultati da effetti locali o violazione inspiegabile del principio copernicano? Asimmetria barionica: Perché c'è molta più materia che antimateria nell'universo osservabile? (Questo può essere risolto a causa dell'apparente asimmetria nelle oscillazioni neutrino-antineutrino.) Inflazione cosmica: La teoria dell'inflazione cosmica nell'universo primordiale è corretta e, in caso affermativo, quali sono i dettagli di quest'epoca? Qual è l'ipotetico campo scalare inflazione che ha dato origine a questa inflazione cosmica? Se l'inflazione è avvenuta a un certo punto, si auto-sostiene attraverso l'inflazione delle fluttuazioni quantomeccaniche, e quindi in corso in qualche luogo estremamente lontano? Problema della costante cosmologica: Perché l'energia di punto zero (ZPE) del vuoto non causa una grande costante cosmologica? Cosa lo cancella?

Energia oscura: Qual è la causa dell'espansione accelerata osservata (fase di de Sitter) dell'universo? Perché la densità energetica della componente dell'energia oscura è della stessa grandezza della densità della materia attualmente, quando i due si evolvono in modo abbastanza diverso nel tempo; potrebbe essere semplicemente che stiamo osservando esattamente al momento giusto? L'energia oscura è una pura costante cosmologica o sono applicabili modelli di quintessenza come l'energia fantasma? Flusso oscuro: un'attrazione gravitazionale non sferica simmetrica dall'esterno dell'universo osservabile è responsabile di parte del movimento osservato di oggetti di grandi dimensioni come gli ammassi galattici nell'universo? Materia oscura: Qual è l'identità della materia oscura? La materia oscura è una particella? La materia oscura è il superpartner più leggero (LSP)? Oppure, i fenomeni attribuiti alla materia oscura non puntano a una qualche forma di materia ma in realtà a un'estensione della gravità? Dimensioni aggiuntive: La natura ha più di quattro dimensioni spazio-temporali? Se sì, qual è la loro dimensione? Le dimensioni sono una proprietà fondamentale dell'universo o un risultato emergente di altre leggi fisiche? Possiamo osservare sperimentalmente prove di dimensioni spaziali più elevate? Problema dell'orizzonte: Perché l'universo distante è così omogeneo quando la teoria del Big Bang sembra prevedere anisotropie misurabili del cielo notturno più grandi di quelle osservate? L'inflazione cosmologica è generalmente accettata come soluzione, ma sono più appropriate altre possibili spiegazioni come una velocità variabile della luce? Le strutture più grandi dell'universo sono più grandi del previsto. Gli attuali modelli cosmologici affermano che dovrebbe esserci pochissima struttura su scale maggiori di poche centinaia di milioni di anni luce, a causa dell'espansione dell'universo che supera l'effetto della gravitàStephen Battersby (21 June 2011). "Largest cosmic structures 'too big' for theories". New Scientist. Retrieved 5 July 2019. Ma la Grande Muraglia di Sloan è lunga 1,38 miliardi di anni luce. E la più grande struttura attualmente conosciuta, la Grande Muraglia Hercules-Corona Borealis, è lunga fino a 10 miliardi di anni luce. Sono queste strutture reali o fluttuazioni casuali della densità? Se sono strutture reali, contraddicono la " Fine della Grandezza"' ipotesi che asserisce che su una scala di 300 milioni di anni luce le strutture viste in sondaggi più piccoli sono casuali nella misura in cui la distribuzione regolare dell'universo è visivamente apparente. Problema del tempo: nella meccanica quantistica il tempo è un parametro di fondo classico e il flusso del tempo è universale e assoluto. Nella relatività generale il tempo è una componente dello spaziotempo quadridimensionale e il flusso del tempo cambia a seconda della curvatura dello spaziotempo e della traiettoria dello spaziotempo dell'osservatore. Come si conciliano questi due concetti di tempo? Forma dell'universo : Qual è la 3- varietà dello spazio comovente , cioè di una sezione spaziale comovente dell'universo, chiamata informalmente la "forma" dell'universo? Né la curvatura né la topologia sono attualmente note, sebbene si sappia che la curvatura è "vicina" allo zero su scale osservabili. L'ipotesi dell'inflazione cosmica suggerisce che la forma dell'universo potrebbe essere non misurabile, ma, dal 2003, Jean-Pierre Luminet, et al., e altri gruppi hanno suggerito che la forma dell'universo potrebbe essere lo spazio dodecaedrico di Poincaré . La forma non è misurabile; lo spazio di Poincaré; o un altro 3-varietà? Dimensioni dell'universo: Il diametro dell'universo osservabile è di circa 93 miliardi di anni luce, ma qual è la dimensione dell'intero universo? Perché c'è qualcosa piuttosto che niente? Origine e futuro dell'universo: Come si sono create le condizioni per l'esistenza di qualcosa? L'universo si sta dirigendo verso un Big Freeze, un Big Rip, un Big Crunch, un Big Bounce o fa parte di un modello ciclico infinitamente ricorrente ?

Gravità quantistica

I buchi neri, paradosso dell'informazione del buco nero, e le radiazioni buco nero: I buchi neri producono radiazione termica, come previsto in teoria? Questa radiazione contiene informazioni sulla loro struttura interna, come suggerito dalla dualità gauge-gravità, o no, come conseguenza dal calcolo originale di Hawking? Se no, e i buchi neri possono evaporare, cosa succede alle informazioni in essi immagazzinate (dato che la meccanica quantistica non prevede la distruzione delle informazioni)? O la radiazione si ferma ad un certo punto lasciando resti di buchi neri? C'è un altro modo per sondare in qualche modo la loro struttura interna, se una tale struttura esiste? L'ipotesi della censura cosmica e la congettura della protezione della cronologia: Le singolarità non nascoste dietro un orizzonte degli eventi, note come " nude singolarità ", possono nascere da condizioni iniziali realistiche, o è possibile provare una qualche versione dell'"ipotesi della censura cosmica" di Roger Penrose che propone che ciò sia impossibile?