Die Antwort "weil wir nicht mehr brauchen" von @rubenvb ist in Ordnung.

Wenn Sie Physik studieren, müssen Sie erkennen, dass die Physik keine grundlegenden "Warum" -Fragen beantwortet.Die Physik verwendet mathematische Werkzeuge, um Messungen zu modellieren, und diese Modelle müssen neue Daten anpassen, d. H. Vorhersagbar sein.Solange die Modelle nicht gefälscht sind, gelten sie als gültig und nützlich.Einmal gefälscht, werden Modifikationen oder sogar drastische neue Modelle gesucht.Paradebeispiel Quantenmechanik, als die klassische Mechanik ungültig wurde: Schwarzkörperstrahlung, photoelektrischer Effekt und Atomspektren verfälschten die Bemühungen der klassischen Modellierung.

Die Physik unter Verwendung der entsprechenden Modelle zeigt, wie man von Daten zu Vorhersagen für neue experimentelle Daten übergeht.Wenn man in den Modellen nach dem "Warum" sucht, geht man die Mathematik hoch oder runter und gelangt zu der Antwort "weil das gemessen wurde"

Weil wir nicht mehr brauchen.

Nun, wir haben keine Beweise für andere gefunden. Und bis dahin besteht keine Notwendigkeit. Zugegeben, einige Experimente könnten Hinweise auf etwas anderes zeigen, das die Überarbeitung des Standardmodells vorantreibt.

Auf der mathematischen Seite kann dies durch Symmetrie erklärt werden: Das Standardmodell Lagrange folgt einer bestimmten Reihe von Symmetrieoperationen, die Physiker für gültig halten. Aus diesem Lagrange können unter Verwendung des Formalismus der Quantenfeldtheorie die getrennten "fundamentalen Wechselwirkungen" abgeleitet werden. Aus Wikipedia (Hervorhebung von mir):

Die globale Poincaré-Symmetrie wird für alle relativistischen Quantenfeldtheorien postuliert. Es besteht aus der bekannten Translationssymmetrie, Rotationssymmetrie und der Trägheitsreferenzrahmeninvarianz, die für die Theorie der speziellen Relativitätstheorie von zentraler Bedeutung ist. Die lokale Symmetrie SU (3) × SU (2) × U (1) ist eine interne Symmetrie, die im Wesentlichen das Standardmodell definiert. Rly, die drei Faktoren der Eichsymmetrie führen zu den drei grundlegenden Wechselwirkungen. Die Felder fallen in verschiedene Darstellungen der verschiedenen Symmetriegruppen des Standardmodells (siehe Tabelle).

Die drei hier erwähnten Wechselwirkungen sind leicht unterschiedliche Kategorisierungen Ihrer vier grundlegenden Wechselwirkungen, aber im Wesentlichen gleich (außer vielleicht dem Brout-Englert-Higgs-Teil). Die vierte, die Gravitation, hängt vermutlich etwas mit dem Higgs-Teil des Standardmodells zusammen und passt noch nicht ganz in den Rest des Standardmodells.

Weil dies die kleinste Anzahl von Gesetzen ist, die wir herausfinden konnten, um zu erklären, was wir so gut wie möglich beobachten.

Alternative: Physiker arbeiten seit mehr als einem Jahrhundert daran, die Anzahl der Grundgesetze, vorzugsweise auf eins, zu reduzieren. Bisher haben sie sie auf vier reduziert.

Gibt es eine Antwort auf die Frage, warum es nur vier grundlegende Wechselwirkungen der Natur gibt?

Nein, und es wird nie einen geben

Wir haben überhaupt keine Wissenschaft, die jede bedeutungsvolle "Warum" -Frage über die Struktur des Universums beantworten kann, insbesondere nicht darüber, warum Dinge, die wir nicht beobachten, fehlen .

Das Beste, was wir uns einfallen lassen können, ist, eine Reihe von Merkmalen zu beobachten und etwas passende mathematisch-physikalische Theorien darüber zu finden, wie sie miteinander zusammenhängen könnten. Und wir verstehen das die ganze Zeit falsch.

Mein Wort "bedeutungsvoll" dort oben bedeutet, zur "niedrigsten Schildkröte" zu gehen, wenn ich etwas erkläre; d.h. nicht einfach eine Antwort, die sich aus Theorien ergibt, die zu unserem gegenwärtigen Verständnis der Natur zu passen scheinen.

Zum Beispiel: Wir wissen, dass nichts schneller gehen kann als c , vor allem, weil laut Einstein unendlich viel Energie erforderlich wäre, um etwas mit Masse bis zu c zu erhalten Code>, ganz zu schweigen von schneller. Dies ist jedoch im Sinne dieser Antwort keine Antwort auf die Frage "Warum kann nichts schneller gehen als c ?". Ich interpretiere diese Frage als "Warum ist unser Universum so strukturiert, dass Sie unendlich viel Energie benötigen, um zu c zu gelangen?".

Tatsächlich könnte an einem bestimmten Tag jemand einen Fehler in unseren Theorien finden und einen Weg finden, sich schneller als c zu bewegen, Zeitreisen zu unternehmen oder zu finden eine 5. grundlegende Interaktion. Da wir mit absoluter, grundlegender Sicherheit nicht einmal etwas über das Universum wissen können, können wir sicherlich keine "Warum" -Antwort beantworten.

Ein sehr schönes Video dazu: Richard Feynman. Warum.

Ich kann Ihnen also keine Antwort auf die Frage geben, warum sich Magnete gegenseitig anziehen. außer dir zu sagen, dass sie es tun, und dir zu sagen, dass dies eine der [...] verschiedenen Arten von Kräften ist, [...] [... und eine Erklärung in schwierigeren Begriffen zu geben ...]

Dies ist nicht genau das, worüber wir hier sprechen, sollte aber den Geist zeigen, wenn wir "Warum" -Fragen beantworten.

Ausblick

Dies ist ein faszinierendes Thema, und Sie könnten es noch schlimmer machen, als das antrophische Prinzip und den dahinter verborgenen Wassergraben philosophischer Themen zu untersuchen. Dieses Prinzip gibt es in zwei Versionen:

• Das starke antrophische Prinzip besagt im Grunde (mein Wortlaut), dass das Universum "nur so" abgestimmt wurde, um intelligentes Leben (uns!) Zu ermöglichen, d. H. Mit Absicht.
• Die schwache Version sagt: "Wenn das Universum nicht in der Lage wäre, das Leben wie das unsere aufrechtzuerhalten, wären wir nicht hier, um die Frage zu stellen."

Die starke Version geht direkt in Richtung Glauben und Religion, und obwohl sie für viele Menschen gültig sein mag, ist sie hier auf Physics.SE sicherlich nicht wirklich anwendbar (und obwohl es unter Physikern Gläubige gibt, tut sie dies sicherlich keine neuen Informationen geben).

Die schwache Version ist offensichtlich wahr und führt zu einer Tendenz darüber, welche Eigenschaften unser Universum haben muss. Es beantwortet aber auch keine tiefe, substanzielle "Warum" -Frage.

Ich denke, es ist falsch zu sagen, dass "Warum" -Fragen außerhalb des Bereichs der Physik liegen oder dass es niemals eine Antwort auf diese Frage geben kann. Sehr oft kann die Physik erklären, warum etwas in Bezug auf grundlegendere Prinzipien wahr ist. Manchmal kann das Warum dieser grundlegenderen Prinzipien mit noch grundlegenderen Prinzipien erklärt werden. Es gibt jedoch immer eine niedrigste derzeit verstandene Schicht, über die man nur sagen kann: "Dies ist das Modell, das am besten zu unseren Beobachtungen passt."

Als Kepler zum Beispiel seine Orbitalgesetze ausarbeitete, waren sie nur grundlegende Tatsachen der Natur. Wenn Sie fragen würden, warum sie das getan haben, wäre die Antwort "es ist das, was gemessen wurde", um die Antwort von anna v zu zitieren.

Aber dann fand Newton einen Grund, warum Keplers Gesetze wahr waren: Das Prinzip der universellen Gravitation. Und jetzt können wir sagen, dass das inverse Quadratgesetz der Gravitationsanziehung aufgrund der Art und Weise, wie die Masse die Raumzeit krümmt, ungefähr wahr ist. Aber an diesem Punkt müssen wir aufhören. Wir kennen keinen tieferen Grund, warum die Masse dies für die Raumzeit tun sollte. Es ist genau das, was wir beobachten.

Dies ist der Stand der Dinge mit den vier Kräften. Zu den besten Modellen, die wir haben, gehören sie, und das ist der einzige Grund, den wir jetzt nennen können. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass wir keine tiefere Theorie entdecken werden, die die Existenz von vier statt drei oder fünf Kräften als Folge eines grundlegenderen Prinzips erklären kann. Aber in gewissem Sinne wären wir dann wieder da, wo wir angefangen haben, weil dieses Prinzip keinen Grund hätte, warum es wahr ist.

Aus einem etwas anderen Blickwinkel auf die Frage ist die Antwort "Wir brauchen nicht mehr" definitiv richtig, aber außerdem würde ich sagen, wir brauchen nicht mehr und je weniger desto besser .

Um zu beantworten, warum dies so ist, müssen wir über ein Problem Bescheid wissen, das manchmal als Überanpassung bezeichnet wird. Die Idee hinter der Überanpassung ist diese; Angenommen, ich entwerfe ein Vorhersagemodell, zum Beispiel möchte ich eine Beziehung zwischen den Eigenschaften von Eichensaft und dem Alter einer Eiche erhalten. Ich lerne das Alter von 100 Eichen aus Aufzeichnungen über ihre Pflanzung und messe die Viskosität ihres Saftes, die Farbe, die Dichte, den Wassergehalt und 46 weitere Observable. Ich beginne mit einem Blick auf die Beziehung zwischen Viskosität und Alter. Möglicherweise mit einem quadratischen Modell mit 3 Parametern. Es ist eine ziemlich starke Beziehung, und ich kann innerhalb von etwa 20 Jahren nach dem Alter jedes Baumes nur die Viskosität des Saftes erreichen. Aber es gibt noch 49 weitere Variablen! Also konstruiere ich ein komplexes Modell für das Alter eines Baumes, das vorhersagt, wie sich das Alter auf alle 50 Variablen auswirken soll, und passe dann die 150 Parameter dieses Modells an. Durch die Abstimmung des komplexen Modells kann ich das Alter aller 100 Bäume innerhalb eines Tages vorhersagen, wie wunderbar. Dann zeigt mir jemand eine andere Eiche und sagt: "Ich weiß, wie alt diese Eiche ist. Lassen Sie uns damit Ihr Modell testen." Das einfache Modell nur mit Viskosität und das komplexe Modell geben sehr unterschiedliche Antworten. Das einfache Modell kann das Alter des neuen Baums viel genauer vorhersagen. Warum? Da das komplexe Modell das Alter der 100 Bäume überhaupt nicht wirklich lernte, lernte es, die 100 Bäume anhand von Rauschen in den Daten zu identifizieren, die nicht mit ihrem Alter zusammenhängen, und dann hatte ich die Parameter so eingestellt, dass sie mir geben würden das richtige Gewicht für jeden Baum. Für das einfache Modell war dies nicht möglich, da mir nicht genügend Parameter zum Einstellen zur Verfügung standen. Daher musste das einfache Modell eine echte Korrelation finden, wenn eine gefunden werden musste. Das komplexe Modell ist überpassend.

Je komplexer ein Modell ist, desto größer ist die Tendenz zur Überanpassung.Wenn ein Modell überpasst, verliert es seine Vorhersagekraft.Ich bin ziemlich zuversichtlich, dass jemand mit genügend Zeit und Geduld ein Modell ableiten kann, das 5 Kräfte enthält.Möglicherweise finden sie sogar ein Modell, das intuitiver oder rechnerisch einfacher zu bearbeiten ist.Es ist jedoch weniger wahrscheinlich, dass dieses komplexere Modell zu neuen unsichtbaren Ergebnissen passt, da seine Komplexität auf die Ergebnisse abgestimmt ist, die wir gesehen haben. Verwenden Sie daher das Rauschen, um die Daten zu identifizieren und uns die Antwort zu geben, die wir versucht haben, anzupassen.Dieses Rauschen wollten wir nicht anpassen, und bei einem einfacheren Modell ist es weniger wahrscheinlich, dass es überhaupt in der Lage ist, Rauschen anzupassen.

Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass only vier sein sollte. Vier ist die höchste Anzahl grundlegender Wechselwirkungen, die wir bisher gesehen haben, aber es kann andere, extrem schwache * Kräfte geben, die wir einfach noch nicht beobachtet haben. Es gibt viele Experimentatoren, die noch heute nach neuen makroskopischen Grundkräften suchen. Tatsächlich habe ich als Student den größten Teil meiner Forschung damit verbracht, genau das zu tun!

Es gibt auch Grund zu der Annahme, dass es mehr als vier fundamentale Kräfte geben könnte. Das Hauptpapier, das wir zur Rechtfertigung unserer speziellen Forschungsmarke verwendeten, leitete 16 Austauschpotentiale aus nichtrelativistischer QFT ab, von denen nur eines tatsächlich dem bekannten skalaren $ 1 / r $ -Potential entsprach, das der Schwerkraft und dem Elektromagnetismus gemeinsam ist ( https: // arxiv. org / pdf / hep-ph / 0605342.pdf). Es gibt viele, viele andere Arbeiten, die die Existenz zusätzlicher fundamentaler Kräfte auf unterschiedliche Weise vorhersagen. Dies ist also ein fruchtbares experimentelles Forschungsfeld.

* Nun, entweder extrem schwach oder auf andere Weise dunkle Ecken des Phasenraums besetzend (wie eine Kraft, die im Maßstab von Mikrometern am stärksten ist oder die eine bestimmte Kombination aus Spinpolarisation und Translationsgeschwindigkeit erfordert, die nicht oft getestet wird Experiment).

Die Suche nach einer einheitlichen Feldtheorie setzt voraus, dass es ein grundlegendes Feld gibt. Es wird erwartet, dass alle vier Kräfte auf der Planck-Skala vereinheitlicht werden, die viele Größenordnungen außerhalb der aktuellen experimentellen Reichweite liegt, obwohl Gravitationsobservatorien und kosmologische Modelle möglicherweise Erkenntnisse liefern.

Drei der vier fundamentalen Kräfte wurden in die Quantenfeldtheorie (QFT) integriert, sowie Masse und spezielle Relativitätstheorie. Damit bleibt nur die Schwerkraft übrig, deren Hauptversuche die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation sind. Es sollte beachtet werden, dass dies den Umgang mit der Art und dem Entstehen von Zeit beinhalten muss, die nicht in QFT enthalten sind.

Es wurde gezeigt, dass die drei miteinander verbundenen fundamentalen Kräfte aus drei fundamentalen Symmetrien und den damit verbundenen Erhaltungsprinzipien in der Zeit (Energie), im Raum Translation und Rotation ( Impuls) und interne Symmetrie (Teilchenidentität und Quantenzahlen). Diese Überlegungen führen dazu, Teilchenfamilien als lokale Symmetriegruppen mit Eichensymmetrie zu verstehen, die den Austausch von Bosonen und virtuellen Teilchen zu den sogenannten fundamentalen Kräften oder Feldern verbinden. Wir haben das Higgs-Boson, von dem die Masse stammt, aber es gibt keine Beweise für das Graviton, von dem erwartet wird, dass es es vermittelt.

Es zeigt sich also, dass die fundamentalen Kräfte mit den Eigenschaften der topologischen Eigenschaften unseres Universums zusammenhängen. Die Stringtheorie bietet einen größeren Bereich von Möglichkeiten für physikalische Gesetze. Wir stellen fest, dass signifikante Eigenschaften, die zu Komplexität in unserem Universum führen, das Ergebnis einer Feinabstimmung zu sein scheinen, und wir leben in einem Feinabstimmungsuniversum, das gegen die von uns getroffenen Annahmen zu verstoßen scheint über ' Natürlichkeit'. Es scheint unvermeidlich, dass es eine Art Wahrscheinlichkeitsraum gibt, in dem diese fundamentalen Konstanten unterschiedlich sind, was typischerweise als Multiversum bezeichnet wird, was das Problem der Feinabstimmung zu einem Problem macht, unser eigenes Universum darin zu lokalisieren.

Die allgemeinen Antworten auf diese Fragen lauten: Bestreiten der Feinabstimmung (insbesondere als subjektiver Anthropozentrismus), Kritik durch mangelnde Vorstellungskraft (unsere Unfähigkeit, 11-dimensionale Topologien zu untersuchen, gibt uns nur sehr wenig Vorstellung von den anderen Optionen) und Anthropisches Prinzip (viele Varianten, einschließlich der Simulationshypothese).

Ich behaupte nicht, ein Experte in diesem Bereich zu sein oder sogar sehr gut informiert zu sein. Es schien mir nur, dass dieser Grund nicht in anderen Antworten behandelt wurde. Ich sehe ein hohes Maß an Skepsis und Zurückhaltung gegenüber diesen Themen, obwohl sie selbstverständliche Ergebnisse und offene Probleme der modernen Physik sind. Ich würde es lieben, wenn jemand mich mit Referenzen und wenn möglich durch umstrittene Aussagen in meinen Referenzen korrigiert.

Physik (und Wissenschaft im Allgemeinen) zielt darauf ab, die Frage von zu beantworten. "Welche Regeln scheint dies zu befolgen?" .

Wir sind Menschen, also hoffen wir auf tiefere Einsichten und Fragen wie "Warum?" inspirieren uns kraftvoll und wir stellen diese Fragen oft. Die harte wissenschaftliche Forschung konzentriert sich jedoch darauf, Regeln zu beobachten und zu testen, denen die Dinge zu folgen scheinen, auch wenn wir als Menschen von umfassenderen Idealen geleitet werden und ihre Erkenntnisse mit einer tieferen Bedeutung erfüllen.

In der Physik fragen wir also, welchen Regeln das physikalische Universum zu folgen scheint. In der Biologie fragen wir, welchen physikalischen Regeln lebende Systeme (einschließlich verbundener Systeme wie Ökosphären) zu folgen scheinen und so weiter.

Um eine Analogie zu ziehen, gibt es ein Kinderspiel, bei dem eine Person bestimmte Autos auf der Straße auswählt (sagt) und die andere Person Fragen stellen muss, um zu erraten, welche Regel verwendet wird. Es ist ein bisschen so.

Dies bedeutet, dass die Idee von 4 fundamentalen Kräften nicht die Funktionsweise des Universums ist. Nun, es könnte sein , aber es ist wahrscheinlich nicht so, und philosophisch ist es sowieso anders:

• Das Universum könnte nach irgendwelchen oder keinen Prinzipien arbeiten, einschließlich solchen, die wir uns nicht vorstellen können, oder solchen, die wir als irrational betrachten würden. Wenn es so funktioniert, dann funktioniert es so und wir bleiben dabei. (Natürlich mag es nicht sein, aber der Punkt ist, wenn es so wäre, könnten wir es nicht von Hand wegwinken)
• Wir verfügen nur über begrenzte Kenntnisse (im Grunde genommen über alles, was wir derzeit wissen, testen oder finden), sodass wir durch unsere Toolbox begrenzt sind, was wir daraus schließen können. Wenn unsere Methoden noch nicht die erforderlichen Tools enthalten, können wir nicht die richtigen Antworten erhalten.

Ab 2018 hat das beste "Welche Regeln scheint es zu befolgen", das wir uns ausgedacht haben, 4 Kräfte.Das Beste von morgen könnte 5, 15 oder 1 haben oder überhaupt keine Vorstellung von "fundamentalen Kräften" haben, und der Tag danach könnte wieder anders sein.

Und deshalb sagen wir wirklich, dass es 4 fundamentale Kräfte gibt.Nicht weil es welche gibt, sondern weil unsere derzeitige beste Vermutung, "welchen Regeln es zu folgen scheint", eine Reihe von Regeln ist, die auf einem Konzept von Quantenfeldern / Wechselwirkungen / Kräften basieren und 4 davon umfassen.Wir testen es auf vielfältige Weise und es scheint wirklich die Regeln zu reflektieren, denen das Universum folgt.Morgen neue Beobachtungen und neue Vermutungen - wer kann das sagen?

Es gibt keine Theorien, die die Anzahl grundlegender Wechselwirkungen in der Natur vorhersagen können, und sie werden niemals existieren. Im Laufe der Zeit hat die Physik die Bereiche größerer Energieskalen dominiert. In der antiken griechischen Zeit oder wahrscheinlich sogar früher erkannten Naturphilosophen Schwerkraft, Elektrizität und Magnetismus, da ihre Auswirkungen auf den Energieskalen spürbar sind, die wir Menschen sensorisch erleben können. Bei dem Versuch, tiefer in die Struktur der Materie einzudringen (niedrigere räumliche Skalen = höhere Energieskalen), stellten die Physiker fest, dass es zwei weitere Arten von Wechselwirkungen gibt, die wir bei einer täglichen Erfahrung nicht bemerken können, wenn wir mit dem Mantel vom Fahrrad oder Teppich fallen oder mit Magneten spielen .

Vielleicht könnten wir tiefer graben und eine andere Art der Interaktion finden, vielleicht auch nicht. Die Antwort auf diese Frage ist also etwas überflüssig. Ich habe andere Antworten wie "Warum wir mehr brauchen" usw. gesehen. Wenn wir uns nur an diese Idee halten, dann sind wir faul und mit einem enormen Mangel an Begeisterung, da sich die Physik im Laufe der Jahre entsprechend unserer Herangehensweise erneuert hat die Naturgesetze.