Ниже приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

После появления Стандартной модели в 1973 году фундаментальная физика пребывает в состоянии стагнации . Её основными нерешёнными проблемами являются построение теории квантовой гравитации, проблема измерения, а также объяснение тёмной материи и тёмной энергии. Отсутствие достаточных экспериментальных данных по этим вопросам делает прогресс невозможнымХотя математический аппарат физики с 1973 года в целом не изменился, были достигнуты отдельные прорывы: открытие осцилляций нейтрино, введение космологической постоянной и развитие квантовых технологий (см. напр. квантовый компьютер, квантовая телепортация, состояние ГХЦ, проверка неравенств Белла и )..

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? 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?

Теоретические проблемы Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности Квантовая гравитация Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)? 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, гравитона, 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?. Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры? Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы чёрных дыр. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению чёрной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом. Неизвестно доказательство в общем случае «теоремы об отсутствии волос» у чёрной дыры.

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

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

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.

Механизм Хиггса Сколько бозонов Хиггса существует? Описываются ли они в рамках Стандартной модели? 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? 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? 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? 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). Безмассовые частицы Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?

Ядерная физика 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?

Сверхтекучесть Не создана последовательная квантовая гидродинамическая теория сверхтекучей жидкости, объединяющая двухжидкостную теорию Ландау и теорию, учитывающую градиенты макроскопической волновой функции. Макроскопическая теория сверхтекучести не учитывает взаимодействие между наблюдателем и квантовой системой. Существенно ли оно для сверхтекучести? Не решена задача учёта взаимодействия частиц при квантовом подходе. Можно ли наблюдать релятивистские эффекты в сверхтекучих системах? 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?

Другие проблемы

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 переходить 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?