Lista de problemas sin resolver en física

Algunos problemas de física matemática se incluyen en listas destacadas de problemas sin resolver en matemáticas , entre ellos:

• El sexto problema de los problemas de Hilbert de 1900 sobre la axiomatización de la física, el problema está mal definido o parcialmente resuelto. ^{[ 16 ]}
• Los problemas de existencia y suavidad de Navier-Stokes y de existencia y brecha de masa de Yang-Mills de los Problemas del Premio del Milenio , siguen sin resolverse. ^{[ 17 ]}
• La suavidad de Navier-Stokes es también el problema número 15 de Smale de 1998. ^{[ 18 ]}
• En 2008, la DARPA de Estados Unidos lanzó 23 desafíos matemáticos. Los problemas de física incluían: técnicas avanzadas para modelar la dinámica de fluidos y la materia blanda , el desarrollo de matemáticas para la computación cuántica , la aplicación de la teoría cuántica de campos y los principios de acción a la biología, y la búsqueda de una relación entre el programa geométrico de Langlands y la física cuántica. ^{[ 8 ] [ 19 ] [ 20 ]}

• Teoría del todo : ¿Existe un marco teórico de la física singular, abarcador y coherente que explique y vincule completamente todos los aspectos físicos del universo ? ^{[ 21 ]}
• Constantes físicas adimensionales : Actualmente, los valores de diversas constantes físicas adimensionales no se pueden calcular; solo se pueden determinar mediante medición física. ^{[ 22 ] [ 23 ]} ¿Cuál es el número mínimo de constantes físicas adimensionales a partir del cual se pueden derivar todas las demás constantes físicas adimensionales? ¿Son necesarias las constantes físicas dimensionales? ^{[ 24 ]}

• Gravedad cuántica : ¿Pueden la mecánica cuántica y la relatividad general realizarse como una teoría completamente consistente (quizás como una teoría cuántica de campos )? ^{[ 25 ]} ¿Es el espaciotiempo fundamentalmente continuo o discreto? ¿Una teoría consistente implicaría una fuerza mediada por un hipotético gravitón , o sería producto de una estructura discreta del propio espaciotiempo (como en la gravedad cuántica de bucles )? ¿Existen desviaciones de las predicciones de la relatividad general a escalas muy pequeñas o muy grandes, o en otras circunstancias extremas, que se deriven de un mecanismo de gravedad cuántica?
• Agujeros negros , paradoja de la información de los agujeros negros y radiación de agujeros negros : ¿Producen los agujeros negros radiación térmica, como se espera desde un punto de vista teórico? ^{[ 26 ]} ¿Contiene esta radiación información sobre su estructura interna, como sugiere la dualidad gauge-gravedad , o no, como implica el cálculo original de Hawking ? Si no, y los agujeros negros pueden evaporarse, ¿qué sucede con la información almacenada en ellos (ya que la mecánica cuántica no prevé la destrucción de la información)? ¿O la radiación se detiene en algún punto, dejando remanentes de agujeros negros? ¿Existe alguna otra forma de sondear su estructura interna, si es que tal estructura existe ?
• La hipótesis de la censura cósmica y la conjetura de la protección cronológica : ¿Pueden surgir singularidades no ocultas tras un horizonte de sucesos, conocidas como " singularidades desnudas ", a partir de condiciones iniciales realistas, o es posible demostrar alguna versión de la "hipótesis de la censura cósmica" de Roger Penrose, que propone que esto es imposible? ^{[ 27 ]} De manera similar, ¿serán descartadas las curvas temporales cerradas que surgen en algunas soluciones de las ecuaciones de la relatividad general (y que implican la posibilidad de viajar en el tiempo hacia atrás) por una teoría de la gravedad cuántica que une la relatividad general con la mecánica cuántica, como sugiere la "conjetura de la protección cronológica" de Stephen Hawking ?
• Principio holográfico : ¿Es cierto que la gravedad cuántica admite una descripción de menor dimensión que no contiene gravedad? Un ejemplo bien conocido de holografía es la correspondencia AdS/CFT en la teoría de cuerdas . De manera similar, ¿puede entenderse la gravedad cuántica en un espacio de De Sitter utilizando la correspondencia dS/CFT ? ¿Puede generalizarse ampliamente la correspondencia AdS/CFT a la dualidad gauge-gravedad para fondos espaciotemporales asintóticos arbitrarios? ¿Existen otras teorías de la gravedad cuántica, además de la teoría de cuerdas, que admitan una descripción holográfica?
• Espaciotiempo cuántico o la emergencia del espaciotiempo: ¿Es la naturaleza del espaciotiempo a escala de Planck muy diferente del espaciotiempo dinámico clásico continuo que existe en la relatividad general? En la gravedad cuántica de bucles, se postula que el espaciotiempo es discreto desde el principio. En la teoría de cuerdas, aunque originalmente el espaciotiempo se consideró igual que en la relatividad general (con la única diferencia de la supersimetría ), investigaciones recientes basadas en la conjetura de Ryu-Takayanagi han enseñado que el espaciotiempo en la teoría de cuerdas es emergente mediante el uso de conceptos de la teoría de la información cuántica, como la entropía de entrelazamiento en la correspondencia AdS/CFT. ^{[ 28 ]} Sin embargo, aún no se comprende bien cómo emerge exactamente el familiar espaciotiempo clásico dentro de la teoría de cuerdas o la correspondencia AdS/CFT.
• Problema del tiempo : En mecánica cuántica, el tiempo es un parámetro clásico fundamental, y su flujo es universal y absoluto. En relatividad general, el tiempo es un componente del espaciotiempo tetradimensional , y su flujo varía según la curvatura del espaciotiempo y la trayectoria espaciotemporal del observador. ¿Cómo se pueden conciliar estos dos conceptos de tiempo? ^{[ 29 ]}

• Teoría de Yang-Mills : Dado un grupo de gauge compacto arbitrario , ¿existe una teoría cuántica de Yang-Mills no trivial con una brecha de masa finita ? (Este problema también figura como uno de los Problemas del Premio del Milenio en matemáticas). ^{[ 30 ]}
• Teoría cuántica de campos (esta es una generalización del problema anterior): ¿Es posible construir, de manera matemáticamente rigurosa, una teoría cuántica de campos en un espaciotiempo de 4 dimensiones que incluya interacciones y no recurra a métodos perturbativos ?

• Inflación cósmica : ¿Es correcta la teoría de la inflación cósmica en el universo primitivo? Y, de ser así, ¿cuáles son los detalles de esta época? ¿Cuál es el hipotético campo escalar inflatón que dio origen a esta inflación cósmica? Si la inflación ocurrió en algún punto, ¿se autosostenía mediante la inflación de fluctuaciones cuántico-mecánicas y, por lo tanto, continuaba en algún lugar extremadamente distante? ^{[ 31 ]}
• Problema de coincidencia cósmica : las densidades de energía de la energía oscura y la materia oscura son del mismo orden de magnitud en el Universo. La densidad de energía de la materia oscura disminuyó durante la evolución del universo, por lo que debió haber sido muy grande en el pasado. ¿Existe alguna relación entre las dos densidades de energía? ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• Problema del horizonte : ¿Por qué el universo distante es tan homogéneo cuando la teoría del Big Bang parece predecir anisotropías medibles del cielo nocturno mayores que las observadas? La inflación cosmológica se acepta generalmente como la solución, pero ¿son otras posibles explicaciones, como una velocidad de la luz variable, más apropiadas? ^{[ 34 ]}
• Origen y futuro del universo : ¿Cómo surgieron las condiciones para que algo existiera? ¿ El universo se dirige hacia una Gran Congelación , un Gran Desgarro , un Gran Colapso o un Gran Rebote ?
• Tamaño del universo : El diámetro del universo observable es de unos 93  mil millones de años luz (o, equivalentemente, un radio de unos 14 Gpc), pero ¿cuál es el tamaño del universo entero? ¿Es el universo infinito?
• Asimetría materia-antimateria. Los modelos teóricos sugieren que el universo primitivo debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, las observaciones indican la ausencia de antimateria primordial significativa. Comprender los mecanismos que dieron lugar a esta asimetría es un importante problema sin resolver en física. ^{[ 35 ] : 22.3.6}
• Principio cosmológico : ¿Es el universo homogéneo e isotrópico a escalas suficientemente grandes, como afirma el principio cosmológico y asumen todos los modelos que utilizan la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , incluida la versión actual del modelo ΛCDM , o es el universo inhomogéneo o anisotrópico? ^{[ 36 ]} ¿ Es el dipolo CMB puramente cinemático, o señala la anisotropía del universo, lo que resulta en la ruptura de la métrica FLRW y el principio cosmológico? ^{[ 36 ]} ¿Es la tensión de Hubble evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^{[ 36 ]} Incluso si el principio cosmológico es correcto, ¿es la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker la métrica correcta para usar en nuestro universo? ^{[ 37 ] [ 36 ]} ¿Son correctas las observaciones que se suelen interpretar como la expansión acelerada del universo , o son en cambio evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• Problema de la constante cosmológica : ¿Por qué la energía del punto cero del vacío no produce una constante cosmológica grande ? ¿Qué la cancela? ^{[ 40 ] [ 41 ]}

• Materia oscura : ¿Cuál es la identidad de la materia oscura? ^{[ 34 ]} ¿Es una partícula ? Si es así, ¿es una WIMP , un axión , la supercompañera más ligera (LSP) u otra partícula? ¿O acaso los fenómenos atribuidos a la materia oscura son el resultado de una teoría de la gravedad alternativa, completamente distinta de la relatividad general ? A pesar de las extensas investigaciones, la composición exacta de la materia oscura sigue siendo desconocida. Se infiere a partir de los efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura a gran escala del universo. Comprender sus propiedades es crucial para una comprensión integral del universo.
• Energía oscura : ¿Cuál es la causa de la expansión acelerada observada del universo (la fase de De Sitter )? ¿Se interpretan correctamente las observaciones como la expansión acelerada del universo , o son evidencia de que el principio cosmológico es falso? ^{[ 38 ] [ 39 ]} ¿Por qué la densidad de energía del componente de energía oscura es de la misma magnitud que la densidad de materia en la actualidad, cuando ambas evolucionan de manera muy diferente a lo largo del tiempo? ¿Podría ser simplemente que estamos observando en el momento preciso ? ¿Es la energía oscura una constante cosmológica pura o son aplicables modelos de quintaesencia como la energía fantasma ?
• Flujo oscuro : ¿Es una atracción gravitatoria no esféricamente simétrica proveniente del exterior del universo observable la responsable de parte del movimiento observado de grandes objetos como los cúmulos galácticos en el universo?
• Forma del universo : ¿Qué es la 3- variedad del espacio comóvil , es decir, de una sección espacial comóvil del universo, denominada informalmente la "forma" del universo? Ni la curvatura ni la topología se conocen actualmente, aunque se sabe que la curvatura es "cercana" a cero en escalas observables. ¿Es la forma inmensurable; el espacio de Poincaré; u otra 3-variedad?
• Dimensiones adicionales : ¿Tiene la naturaleza más de cuatro dimensiones espaciotemporales ? De ser así, ¿cuál es su tamaño? ¿Son las dimensiones una propiedad fundamental del universo o un resultado emergente de otras leyes físicas? ¿Podemos observar experimentalmente evidencia de dimensiones espaciales superiores?
• Tensión de Hubble : El valor de H₀ _, que codifica la tasa de expansión actual del universo, tiene dos valores: uno proveniente de mediciones cercanas al universo y otro de mediciones del fondo cósmico de microondas combinado con el modelo Lambda-CDM . Estos dos valores discrepan con un alto grado de confianza estadística (5,7σ). ¿Existen errores de medición sistemáticos? ¿Un problema en el modelo, por lo demás, ampliamente exitoso? ^{[ 42 ]}

• Problema de jerarquía : La relación entre la fuerza fuerte y la gravedad es del orden de10 ⁻²⁰ . ¿Por qué la gravedad es mucho más débil que la fuerza fuerte ? ^{[ 43 ]}
• Monopolos magnéticos : ¿Existieron partículas portadoras de "carga magnética" en alguna época pasada de mayor energía? De ser así, ¿quedan algunas hoy en día? ( Paul Dirac demostró que la existencia de algunos tipos de monopolos magnéticos explicaría la cuantización de la carga ). ^{[ 44 ]}
• El enigma de la vida media del neutrón : Si bien la vida media del neutrón se ha estudiado durante décadas, actualmente existe una falta de consenso sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados de dos métodos experimentales ("botella" frente a "haz"). ^{[ 45 ]}
• Desintegración del protón y crisis de espín : ¿Es el protón fundamentalmente estable? ¿O se desintegra con una vida útil finita como predicen algunas extensiones del modelo estándar? ^{[ 46 ]} ¿Cómo transportan los quarks y los gluones el espín de los protones? ^{[ 47 ]}
• Gran Unificación: ¿Son las fuerzas electromagnéticas y nucleares aspectos diferentes de una Teoría de Gran Unificación ? Si es así, ¿qué simetría rige esta fuerza y ​​su comportamiento? ^{[ 48 ]}
• Supersimetría : ¿Se realiza la supersimetría del espaciotiempo a escala de TeV ? De ser así, ¿cuál es el mecanismo de ruptura de la supersimetría? ¿Estabiliza la supersimetría la escala electrodébil, evitando correcciones cuánticas elevadas? ¿La partícula supersimétrica más ligera ( LSP ) constituye materia oscura ?
• Confinamiento de color : La conjetura de confinamiento de color de la cromodinámica cuántica (QCD) plantea que las partículas con carga de color (como los quarks y los gluones) no pueden separarse de su hadrón progenitor sin producir nuevos hadrones. ^{[ 49 ]} ¿Es posible proporcionar una prueba analítica del confinamiento de color en alguna teoría de gauge no abeliana ?

• El vacío de la QCD : Muchas de las ecuaciones de la QCD no perturbativa aún no se han resuelto. Estas energías son suficientes para la formación y descripción de los núcleos atómicos . ¿Cómo es posible, entonces, que la QCD de baja energía/no perturbativa dé lugar a la formación de núcleos complejos y constituyentes nucleares?
• Generaciones de materia : ¿Por qué existen tres generaciones de quarks y leptones ? ¿Existe alguna teoría que pueda explicar las masas de quarks y leptones específicos en generaciones particulares a partir de primeros principios (una teoría de acoplamientos de Yukawa )? ^{[ 50 ]}
• Masa del neutrino : ¿Cuál es la masa absoluta de los neutrinos? ¿Son fermiones de Dirac o de Majorana ? ¿La jerarquía de masas es normal o invertida? ¿La fase de violación de CP es igual a 0? ^{[ 51 ] [ 52 ]}
• Anomalía de antineutrinos en reactores: Existe una anomalía en los datos disponibles sobre el flujo de antineutrinos de los reactores nucleares de todo el mundo. Los valores medidos de este flujo representan solo el 94 % del valor esperado según la teoría. ^{[ 53 ]} Se desconoce si esto se debe a fenómenos físicos desconocidos (como neutrinos estériles ), a errores experimentales en las mediciones o a errores en los cálculos teóricos del flujo. ^{[ 54 ]}
• Problema de CP fuerte y axiones : ¿Por qué la interacción nuclear fuerte es invariante a la paridad y la conjugación de carga ? ¿Es la teoría de Peccei-Quinn la solución a este problema? ¿Podrían los axiones ser el componente principal de la materia oscura ?
• Momento dipolar magnético anómalo : ¿Por qué el valor medido experimentalmente del momento dipolar magnético anómalo del muón ("muon g − 2 ") es significativamente diferente del valor predicho teóricamente de esa constante física? ^{[ 55 ]}
• Pentaquarks y otros hadrones exóticos : ¿Qué combinaciones de quarks son posibles? ^{[ 56 ]} ¿Son un sistema fuertemente ligado de cinco partículas elementales, o un emparejamiento más débilmente ligado de un barión y un mesón ? ^{[ 57 ]}
• Problema Mu : Un problema en las teorías supersimétricas , relacionado con la comprensión de las razones de los valores de los parámetros de la teoría.
• Fórmula de Koide : Un aspecto del problema de la generación de partículas . La suma de las masas de los tres leptones cargados , dividida por el cuadrado de la suma de las raíces cuadradas de estas masas, con una desviación estándar respecto a las observaciones, es Q = 2/3 . Se desconoce cómo se obtiene un valor tan simple y por qué es el promedio aritmético exacto de los posibles valores extremos de 1/3 ( masas iguales ) y 1 (una masa predomina) .
• Materia extraña : ¿Existe la materia extraña? ¿Es estable? ¿Puede formar estrellas extrañas ? ¿Es estable la materia extraña a presión cero (es decir, en el vacío)?
• Bolas de pegamento : ¿Existen en la naturaleza?
• Anomalía del galio : Las mediciones de la tasa de captura de neutrinos por corriente cargada en Ga provenientes de fuentes radiactivas fuertes han arrojado resultados inferiores a los esperados, basados ​​en la fuerza conocida de la transición principal complementada por la teoría. ^{[ 58 ]}

• Ciclo solar : ¿Cómo genera el Sol su campo magnético a gran escala que se invierte periódicamente? ¿Cómo generan sus campos magnéticos otras estrellas similares al Sol, y cuáles son las similitudes y diferencias entre los ciclos de actividad estelar y el del Sol? ^{[ 59 ]} ¿Qué causó el Mínimo de Maunder y otros grandes mínimos, y cómo se recupera el ciclo solar de un estado de mínimo?
• Problema del calentamiento coronal : ¿Por qué la corona solar (capa atmosférica) es mucho más caliente que la superficie del Sol? ¿Por qué el efecto de reconexión magnética es varios órdenes de magnitud más rápido de lo que predicen los modelos estándar?
• Chorro astrofísico : ¿Por qué solo ciertos discos de acreción que rodean ciertos objetos astronómicos emiten chorros relativistas a lo largo de sus ejes polares? ¿Por qué existen oscilaciones cuasiperiódicas en muchos discos de acreción? ^{[ 60 ]} ¿Por qué el período de estas oscilaciones es inversamente proporcional a la masa del objeto central? ^{[ 61 ]} ¿Por qué a veces se presentan armónicos, y por qué estos aparecen con diferentes relaciones de frecuencia en distintos objetos? ^{[ 62 ]}
• Bandas interestelares difusas : ¿Qué causa las numerosas líneas de absorción interestelar detectadas en los espectros astronómicos? ¿Son de origen molecular? Y, de ser así, ¿qué moléculas las generan? ¿Cómo se forman? ^{[ 63 ] [ 64 ]}
• Agujeros negros supermasivos : ¿Cuál es el origen de la relación M–sigma entre la masa de un agujero negro supermasivo y la dispersión de velocidad de la galaxia? ^{[ 65 ]} ¿Cómo es que los cuásares más distantes hicieron crecer sus agujeros negros supermasivos hasta 10 ¹⁰ masas solares tan temprano en la historia del universo?
• Acantilado de Kuiper : ¿Por qué el número de objetos en el cinturón de Kuiper del Sistema Solar disminuye de forma rápida e inesperada más allá de un radio de 50 unidades astronómicas?
• Anomalía de sobrevuelo : ¿Por qué la energía observada de los satélites que sobrevuelan cuerpos planetarios a veces difiere mínimamente del valor predicho por la teoría?
• Problema de la rotación galáctica : ¿Es la materia oscura la responsable de las diferencias entre la velocidad observada y la teórica de las estrellas que giran alrededor del centro de las galaxias, o se trata de otra cosa?

  

• Supernovas : ¿Cuál es el mecanismo exacto por el cual la implosión de una estrella moribunda se convierte en una explosión?
• Núcleos p : ¿Qué proceso astrofísico es responsable de la nucleogénesis de estos isótopos raros?
• Rayos cósmicos de ultra alta energía : ^{[ 34 ]} ¿Por qué algunos rayos cósmicos parecen poseer energías imposiblemente altas, dado que no hay fuentes de rayos cósmicos suficientemente energéticas cerca de la Tierra? ¿Por qué (aparentemente) algunos rayos cósmicos emitidos por fuentes distantes tienen energías superiores al límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ? ^{[ 66 ] [ 34 ]}
• Velocidad de rotación de Saturno : ¿Por qué la magnetosfera de Saturno presenta una periodicidad (que cambia lentamente) cercana a la de la rotación de las nubes del planeta? ¿Cuál es la verdadera velocidad de rotación del interior profundo de Saturno? ^{[ 67 ]}
• Origen del campo magnético de los magnetares : ¿Cuál es el origen de los campos magnéticos de los magnetares ?
• Anisotropía a gran escala : ¿Es el universo a escalas muy grandes anisotrópico , lo que invalida el principio cosmológico ? La anisotropía del dipolo de número e intensidad en radio, catálogo NRAO VLA Sky Survey (NVSS) ^{[ 68 ]} es inconsistente con el movimiento local derivado del fondo cósmico de microondas ^{[ 69 ] [ 70 ]} e indica una anisotropía de dipolo intrínseca. Los mismos datos de radio NVSS también muestran un dipolo intrínseco en la densidad de polarización y grado de polarización ^{[ 71 ]} en la misma dirección que en el número e intensidad. Hay varias otras observaciones que revelan anisotropía a gran escala. La polarización óptica de los cuásares muestra alineación de polarización en una escala muy grande de Gpc. ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]} Los datos del fondo de microondas cósmicas muestran varias características de anisotropía, ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]} que no son consistentes con el modelo del Big Bang .
• Relación edad-metalicidad en el disco galáctico: ¿Existe una relación edad-metalicidad (REM) universal en el disco galáctico (tanto en las partes "delgadas" como "gruesas" del disco)? Aunque en el disco local (principalmente delgado) de la Vía Láctea no hay evidencia de una REM fuerte, ^{[ 79 ]} se ha utilizado una muestra de 229 estrellas cercanas del disco "grueso" para investigar la existencia de una relación edad-metalicidad en el disco grueso galáctico, e indican que hay una relación edad-metalicidad presente en el disco grueso. ^{[ 80 ] [ 81 ]} Las edades estelares de la astrosismología confirman la falta de cualquier relación edad-metalicidad fuerte en el disco galáctico. ^{[ 82 ]}
• El problema del litio : ¿Por qué existe una discrepancia entre la cantidad de litio-7 que se predice que se produjo en la nucleosíntesis del Big Bang y la cantidad observada en estrellas muy antiguas? ^{[ 83 ]}
• Fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX): ¿Qué alimenta las fuentes de rayos X que no están asociadas con núcleos galácticos activos , pero que superan el límite de Eddington de una estrella de neutrones o un agujero negro estelar ? ¿Se deben a agujeros negros de masa intermedia ? Algunas ULX son periódicas, lo que sugiere una emisión no isotrópica de una estrella de neutrones. ¿Esto se aplica a todas las ULX? ¿Cómo podría formarse y mantenerse estable un sistema de este tipo?
• Ráfagas de radio rápidas (FRB): ¿Qué causa estos pulsos de radio transitorios provenientes de galaxias distantes, que duran solo unos pocos milisegundos cada uno? ¿Por qué algunas FRB se repiten a intervalos impredecibles, mientras que la mayoría no? Se han propuesto docenas de modelos, pero ninguno ha sido ampliamente aceptado. ^{[ 84 ]}
• Origen de los campos magnéticos cósmicos: Las observaciones revelan que existen campos magnéticos en todo el universo, desde galaxias hasta cúmulos de galaxias. Sin embargo, los mecanismos que generan estos campos magnéticos cósmicos a gran escala aún no están claros. Comprender su origen es un problema importante sin resolver en astrofísica. ^{[ 85 ]}

• Cromodinámica cuántica : ¿Cuáles son las fases de la materia con interacción fuerte y qué papel desempeñan en la evolución del cosmos ? ¿Cuál es la estructura partónica detallada de los nucleones ? ¿Qué predice la QCD sobre las propiedades de la materia con interacción fuerte? ¿Qué determina las características clave de la QCD y cuál es su relación con la naturaleza de la gravedad y el espacio-tiempo ? ¿Acaso la QCD carece realmente de violaciones de CP ?
• Plasma de quarks y gluones : ¿Dónde comienza el desconfinamiento ?: 1) ¿En función de la temperatura y los potenciales químicos? 2) ¿En función de la energía de colisión de iones pesados ​​relativistas y el tamaño del sistema? ¿Cuál es el mecanismo de parada de energía y número bariónico que conduce a la creación de plasma de quarks y gluones en colisiones de iones pesados ​​relativistas? ¿Por qué la hadronización repentina y el modelo de hadronización estadística son una descripción casi perfecta de la producción de hadrones a partir de plasma de quarks y gluones? ¿Se conserva el sabor de los quarks en el plasma de quarks y gluones? ¿Están la extrañeza y el encanto en equilibrio químico en el plasma de quarks y gluones? ¿Fluye la extrañeza en el plasma de quarks y gluones a la misma velocidad que los sabores de quarks arriba y abajo? ¿Por qué la materia desconfinada muestra un flujo ideal ?
• Modelos específicos de formación de plasma de quarks y gluones: ¿Se saturan los gluones cuando su número de ocupación es grande? ¿Forman los gluones un sistema denso llamado condensado de vidrio de color ? ¿Cuáles son las características y evidencias de las ecuaciones de evolución de Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL), Balitsky-Kovchegov (BK) y Catani-Ciafaloni-Fiorani-Marchesini (CCFM)?
• Núcleos y astrofísica nuclear : ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza nuclear que une protones y neutrones en núcleos estables e isótopos raros? ¿Cuál es la explicación del efecto EMC ? ¿Cuál es la naturaleza de las excitaciones exóticas en los núcleos en las fronteras de la estabilidad y su papel en los procesos estelares? ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones y la materia nuclear densa ? ¿Cuál es el origen de los elementos en el cosmos ? ¿Cuáles son las reacciones nucleares que impulsan las estrellas y las explosiones estelares? ¿Cuál es el elemento químico más pesado posible ?

• ¿Bajo qué condiciones existen soluciones suaves para las ecuaciones de Navier-Stokes , que son las ecuaciones que describen el flujo de un fluido viscoso ? Este problema, para un fluido incompresible en tres dimensiones, es también uno de los Problemas del Premio del Milenio en matemáticas. ^{[ 86 ]}
• Flujo turbulento : ¿Es posible crear un modelo teórico para describir las estadísticas de un flujo turbulento (en particular, sus estructuras internas)? ^{[ 66 ]}
• Convección granular : ¿Por qué un material granular sometido a agitación o vibración presenta patrones de circulación similares a los de la convección de fluidos ? ¿Por qué las partículas más grandes terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de distintos tamaños cuando se somete a vibración o agitación? ^{[ 87 ]}

• Superconductividad a alta temperatura : ¿Cuál es el mecanismo que hace que ciertos materiales presenten superconductividad a temperaturas mucho más altas que los 25 kelvin ? ¿Es posible fabricar un material superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica ? ^{[ 66 ]}
• Sólidos amorfos : ¿Cuál es la naturaleza de la transición vítrea entre un fluido o un sólido regular y una fase vítrea ? ¿Cuáles son los procesos físicos que dan lugar a las propiedades generales de los vidrios y a la transición vítrea? ^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}
• Universalidad de los sólidos amorfos de baja temperatura : ¿por qué la pequeña relación adimensional de la longitud de onda del fonón a su camino libre medio es casi la misma para una familia muy grande de sólidos desordenados? ^{[ 91 ] [ 92 ]} Esta pequeña relación se observa para un rango muy grande de frecuencias de fonones.
• Emisión criogénica de electrones: ¿Por qué aumenta la emisión de electrones en ausencia de luz a medida que disminuye la temperatura de un fotomultiplicador ? ^{[ 93 ] [ 94 ]}
• Sonoluminiscencia : ¿Qué causa la emisión de breves destellos de luz de burbujas que implosionan en un líquido cuando son excitadas por el sonido? ^{[ 95 ] [ 96 ]}
• Orden topológico : ¿Es estable el orden topológico a temperatura distinta de cero ? Equivalentemente, ¿es posible tener memoria cuántica autocorrectiva tridimensional ? ^{[ 97 ]}
• Retorcido de bloques patrón : ¿Qué mecanismo permite retorcer los bloques patrón entre sí?

• Efecto Hall fraccional : ¿Qué mecanismo explica la existencia del estado u = 5/2 en el efecto Hall cuántico fraccional ? ¿Describe cuasipartículas con estadísticas fraccionales no abelianas ? ^{[ 98 ]}
• Cristales líquidos : ¿Puede caracterizarse la transición de fase nemática a esméctica (A) en estados de cristal líquido como una transición de fase universal ? ^{[ 99 ] [ 100 ]}
• Nanocristales semiconductores : ¿Cuál es la causa de la no parabolicidad de la dependencia energía-tamaño para la transición de absorción óptica más baja de los puntos cuánticos ? ^{[ 101 ]}
• Formación de filamentos metálicos : En dispositivos eléctricos, algunas superficies metálicas pueden desarrollar espontáneamente finos filamentos metálicos, lo que puede provocar fallos en los equipos. Si bien se sabe que la tensión mecánica compresiva favorece la formación de filamentos, aún no se ha determinado el mecanismo de crecimiento.
• Transición superfluida en helio-4 : Explique la discrepancia entre las determinaciones experimentales ^{[ 102 ]} y teóricas ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]} del exponente crítico de la capacidad calorífica α . ^{[ 106 ]}
• Efecto Scharnhorst : ¿Pueden las señales luminosas viajar ligeramente más rápido que c entre dos placas conductoras muy próximas, aprovechando el efecto Casimir ? ^{[ 107 ]}

• Problema del umbral : ¿Podemos ir más allá de la ruidosa era cuántica de escala intermedia ? ¿Pueden las computadoras cuánticas alcanzar la tolerancia a fallos ? ¿Es posible tener suficiente escalabilidad de cúbits para implementar la corrección de errores cuánticos ? ¿Cuáles son las plataformas candidatas más prometedoras para implementar físicamente los cúbits? ^{[ 108 ]}
• Qubits topológicos: Las computadoras cuánticas topológicas son prometedoras, pero ¿se pueden construir? ¿Podemos demostrar de forma concluyente los modos cero de Majorana ? ^{[ 109 ]}
• Temperatura: ¿Se puede realizar computación cuántica a temperaturas no criogénicas? ¿Podemos construir computadoras cuánticas a temperatura ambiente? ^{[ 110 ]}
• Problemas de clases de complejidad: ¿Cuál es la relación entre BQP y BPP ? ¿Cuál es la relación entre BQP y NP ? ¿Puede la computación en teorías físicas plausibles (algoritmos cuánticos) ir más allá de BQP? ^{[ 108 ]}
• Criptografía postcuántica : ¿Podemos demostrar que algunos protocolos criptográficos son seguros frente a las computadoras cuánticas? ^{[ 108 ]}
• Capacidad cuántica : En general, no se conoce la capacidad de un canal cuántico. ^{[ 111 ]}

• Física del plasma y energía de fusión : La energía de fusión podría proporcionar energía a partir de un recurso abundante (por ejemplo, hidrógeno) sin el tipo de residuos radiactivos que produce actualmente la energía de fisión. Sin embargo, ¿se pueden confinar los gases ionizados (plasma) durante el tiempo suficiente y a una temperatura lo suficientemente alta como para generar energía de fusión? ¿Cuál es el origen físico del modo H ? ^{[ 112 ]}
• El problema de la inyección : Se cree que la aceleración de Fermi es el mecanismo principal que acelera las partículas astrofísicas a altas energías. Sin embargo, no está claro qué mecanismo hace que esas partículas tengan inicialmente energías lo suficientemente altas como para que la aceleración de Fermi funcione sobre ellas. ^{[ 113 ]}
• Turbulencia alfvénica : En el viento solar y la turbulencia en las erupciones solares , las eyecciones de masa coronal y las subtormentas magnetosféricas son problemas importantes sin resolver en la física del plasma espacial. ^{[ 114 ]}
• Rayo globular : la naturaleza física exacta de este misterio en la electricidad atmosférica. ^{[ 115 ]}

• Abiogénesis : ¿puede crearse la vida únicamente a partir de procesos físicos? ^{[ 14 ]}
• Estocasticidad y robustez frente al ruido en la expresión génica : ¿Cómo gobiernan los genes nuestro organismo, resistiendo diferentes presiones externas y la estocasticidad interna ? Existen ciertos modelos para los procesos genéticos, pero estamos lejos de comprender el panorama completo, en particular en el desarrollo, donde la expresión génica debe estar estrictamente regulada.
• Estudio cuantitativo del sistema inmunitario : ¿Cuáles son las propiedades cuantitativas de las respuestas inmunitarias ? ¿Cuáles son los componentes básicos de las redes del sistema inmunitario ?
• Homochiralidad : ¿Cuál es el origen de la preponderancia de enantiómeros específicos en los sistemas bioquímicos ?
• Magnetorrecepción : ¿Cómo perciben los animales (por ejemplo, las aves migratorias) el campo magnético de la Tierra?
• Predicción de la estructura de proteínas : ¿Cómo se determina la estructura tridimensional de las proteínas a partir de la secuencia unidimensional de aminoácidos? ¿Cómo pueden plegarse las proteínas en escalas de tiempo de microsegundos a segundos cuando el número de conformaciones posibles es astronómico y las transiciones conformacionales ocurren en la escala de tiempo de picosegundos a microsegundos? ¿Se pueden escribir algoritmos para predecir la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia? ¿Coinciden las estructuras nativas de la mayoría de las proteínas que se encuentran en la naturaleza con el mínimo global de la energía libre en el espacio conformacional? ¿O la mayoría de las conformaciones nativas son termodinámicamente inestables, pero están atrapadas cinéticamente en estados metaestables? ¿Qué impide que la alta densidad de proteínas presente dentro de las células precipite? ^{[ 116 ]}
• Biología cuántica : ¿Es posible mantener la coherencia en sistemas biológicos durante periodos de tiempo lo suficientemente largos como para ser funcionalmente importantes? ¿Existen aspectos no triviales de la biología o la bioquímica que solo puedan explicarse mediante la persistencia de la coherencia como mecanismo?
• Comprensión física de la biología: ¿puede la biología expresarse en términos de leyes fundamentales? ¿Pueden utilizarse los principios de acción fundamentales y las simetrías para comprender conceptos biológicos como la robustez , la modularidad , la capacidad de evolución y la variabilidad ? La teoría cuántica y la teoría estadística de campos han sido útiles en la evolución de los virus; ¿pueden desarrollarse estas técnicas para estudiar organismos más grandes? ^{[ 20 ]}

• Interpretación de la mecánica cuántica : ¿Cómo da origen a la realidad que percibimos la descripción cuántica de la realidad, que incluye elementos como la superposición de estados y el colapso de la función de onda o la decoherencia cuántica ? ^{[ 66 ]} Otra forma de plantear esta pregunta se refiere al problema de la medición : ¿Qué constituye una "medición" que aparentemente provoca que la función de onda colapse en un estado definido? A diferencia de los procesos físicos clásicos, algunos procesos mecánicos cuánticos (como la teletransportación cuántica que surge del entrelazamiento cuántico ) no pueden ser simultáneamente "locales", "causales" y "reales", pero no es obvio cuál de estas propiedades debe sacrificarse, ^{[ 117 ]} o si un intento de describir los procesos mecánicos cuánticos en estos sentidos es un error de categoría tal que una comprensión adecuada de la mecánica cuántica haría que la pregunta careciera de sentido.
• Flecha del tiempo (p. ej. , flecha del tiempo de la entropía ): ¿Por qué el tiempo tiene una dirección? ¿Por qué el universo tenía una entropía tan baja en el pasado, y el tiempo se correlaciona con el aumento universal (pero no local) de la entropía, del pasado al futuro, según la segunda ley de la termodinámica ? ^{[ 66 ]} ¿Por qué se observan violaciones de CP en ciertas desintegraciones de la fuerza débil, pero no en otros lugares? ¿Son las violaciones de CP de alguna manera un producto de la segunda ley de la termodinámica, o son una flecha del tiempo separada? ¿Hay excepciones al principio de causalidad ? ¿Hay un único pasado posible? ¿Es el momento presente físicamente distinto del pasado y del futuro, o es simplemente una propiedad emergente de la conciencia ? ¿Qué vincula la flecha cuántica del tiempo con la flecha termodinámica?
• Localidad : ¿Existen fenómenos no locales en la física cuántica? ^{[ 118 ] [ 119 ]} Si existen, ¿se limitan los fenómenos no locales al entrelazamiento revelado en las violaciones de las desigualdades de Bell , o la información y las cantidades conservadas también pueden moverse de forma no local? ¿En qué circunstancias se observan los fenómenos no locales? ¿Qué implica la existencia o ausencia de fenómenos no locales sobre la estructura fundamental del espacio-tiempo? ¿Cómo aclara esto la interpretación adecuada de la naturaleza fundamental de la física cuántica?
• Mente cuántica : ¿ Los fenómenos de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento y la superposición , desempeñan un papel importante en el funcionamiento del cerebro y pueden explicar aspectos críticos de la conciencia ? ^{[ 120 ]}
• Langlands geométrico y física: ¿puede el programa de Langlands relacionado con la teoría de la representación explicar las simetrías de la física, y viceversa? ^{[ 20 ]}

• Realice un experimento de prueba de Bell sin lagunas (1970 ^{[ 121 ]} –2015): En octubre de 2015, científicos del Instituto Kavli de Nanociencia informaron que el fracaso de la hipótesis de la variable oculta local está respaldado al nivel de confianza del 96% basado en un estudio de "prueba de Bell sin lagunas". ^{[ 122 ] [ 123 ]} Estos resultados fueron confirmados por dos estudios con significancia estadística superior a 5 desviaciones estándar que se publicaron en diciembre de 2015. ^{[ 124 ] [ 125 ]}

• Existencia de ondas gravitacionales (1916–2016): El 11 de febrero de 2016, el equipo de Advanced LIGO anunció que habían detectado directamente ondas gravitacionales de la fusión de un par de agujeros negros , ^{[ 126 ] [ 127 ] [ 128 ]} que también fue la primera detección de un agujero negro binario estelar.
• Solución numérica para el problema de los agujeros negros binarios (década de 1960-2005): La solución numérica del problema de dos cuerpos en la relatividad general se logró después de cuatro décadas de investigación. Tres grupos idearon las técnicas revolucionarias en 2005 ( el año milagroso de la relatividad numérica ). ^{[ 129 ]}
• El problema de la edad cósmica (décadas de 1920 a 1990): La edad estimada del universo era entre 3 y 8 mil millones de años menor que la estimada de las edades de las estrellas más antiguas de la Vía Láctea. Mejores estimaciones de las distancias a las estrellas y el reconocimiento de la expansión acelerada del universo permitieron conciliar las edades estimadas.

• Existencia de pentaquarks (1964-2015): En julio de 2015, la colaboración del LHCb en el CERN identificó pentaquarks en el canal Λ ⁰ _b →J/ψK ⁻ p , que representa la desintegración del barión lambda inferior (Λ ⁰ _b ) en un mesón J/ψ (J/ψ) , un kaón (K ⁻) y un protón (p). Los resultados mostraron que a veces, en lugar de desintegrarse directamente en mesones y bariones, el Λ ⁰ _b se desintegraba a través de estados pentaquark intermedios. Los dos estados, denominados P ⁺ _c (4380) y P ⁺ _c (4450) , tenían significancias estadísticas individuales de 9  σ y 12  σ, respectivamente, y una significancia combinada de 15  σ, suficiente para afirmar un descubrimiento formal. Se observó que ambos estados pentaquark se desintegraban fuertemente a J/ψp , por lo que deben tener un contenido de quarks de valencia de dos quarks up , un quark down , un quark charm y un antiquark charm ( u u d c c ), lo que los convierte en pentaquarks de charmonio . ^{[ 130 ]}
• La existencia de plasma de quarks y gluones , una nueva fase de la materia, fue descubierta y confirmada en experimentos realizados en el CERN - SPS (2000), el BNL - RHIC (2005) y el CERN- LHC (2010). ^{[ 131 ]}
• Bosón de Higgs y ruptura de la simetría electrodébil (1963 ^{[ 132 ]} –2012): El mecanismo responsable de la ruptura de la simetría de gauge electrodébil, que otorga masa a los bosones W y Z , se resolvió con el descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar , con los acoplamientos esperados a los bosones débiles. No se ha observado evidencia de una solución de dinámica fuerte, como la propuesta por Technicolor .
• Origen de la masa de la mayoría de las partículas elementales: Se resolvió con el descubrimiento del bosón de Higgs , lo que implica la existencia del campo de Higgs que da masa a estas partículas.
• Enigma del radio del protón : Una medición del radio de carga del protón realizada en 2010 arrojó un valor significativamente menor que las mediciones anteriores. Las mediciones posteriores a 2019 respaldaron el valor menor de0,8409(4)  fm . ^{[ 133 ] [ 134 ]} Un reanálisis de datos antiguos de 2022 con un modelo teórico revisado también respaldó el valor menor. ^{[ 135 ]}

• Origen del estallido de rayos gamma corto (1993 ^{[ 136 ]} –2017): A partir de la fusión de estrellas de neutrones binarias , se produjo una explosión de kilonova y el estallido de rayos gamma corto GRB 170817A fue detectado tanto en ondas electromagnéticas como en ondas gravitacionales GW170817 . ^{[ 137 ] [ 138 ]}
• Problema de los bariones faltantes (1998 ^{[ 139 ]} –2017): se proclamó resuelto en octubre de 2017, con los bariones faltantes localizados en gas intergaláctico caliente. ^{[ 140 ] [ 141 ]}
• Estallidos de rayos gamma de larga duración (1993 ^{[ 136 ]} –2003): Los estallidos de larga duración están asociados con la muerte de estrellas masivas en un tipo específico de evento similar a una supernova comúnmente conocido como colapso . Sin embargo, también hay GRB de larga duración que muestran evidencia en contra de una supernova asociada, como el evento Swift GRB 060614 .
• Problema del neutrino solar (1968 ^{[ 142 ]} –2001): Resuelto por una nueva comprensión de la física del neutrino , que requiere una modificación del Modelo Estándar de la física de partículas , específicamente, la oscilación del neutrino .
• Problema de abundancia solar (1998–2022 ^{[ 143 ]} ): Se resolvió una discrepancia entre las estimaciones de metalicidad solar obtenidas mediante espectroscopia astronómica y heliosismología con mediciones actualizadas de la metalicidad solar obtenidas mediante la primera. ^{[ 144 ]}
• Una discrepancia en las mediciones de la rotación del núcleo de Saturno entre los datos de Voyager 2 y Cassini-Huygens se resolvió en 2015 con la determinación a partir de su campo gravitatorio. ^{[ 145 ]}

• Existencia de cristales de tiempo (2012–2016): La idea de un cristal de tiempo cuantizado fue teorizada por primera vez en 2012 por Frank Wilczek . ^{[ 146 ] [ 147 ]} En 2016, Khemani et al. ^{[ 148 ]} y Else et al. ^{[ 149 ]} de forma independiente sugirieron que los sistemas de espín cuántico impulsados ​​periódicamente podrían mostrar un comportamiento similar. También en 2016, Norman Yao en Berkeley y sus colegas propusieron una forma diferente de crear cristales de tiempo discretos en sistemas de espín. ^{[ 150 ]} Esto fue utilizado posteriormente por dos equipos, un grupo liderado por Christopher Monroe en la Universidad de Maryland y un grupo liderado por Mikhail Lukin en la Universidad de Harvard , quienes pudieron mostrar evidencia de cristales de tiempo en el entorno de laboratorio, mostrando que para tiempos cortos los sistemas exhibían una dinámica similar a la predicha. ^{[ 151 ] [ 152 ]}
• Crisis de subproducción de fotones (2014-2015): Este problema fue resuelto por Khaire y Srianand. ^{[ 153 ]} Demuestran que se puede obtener fácilmente una tasa de fotoionización metagaláctica de 2 a 5 veces mayor utilizando observaciones actualizadas de cuásares y galaxias. Observaciones recientes de cuásares indican que su contribución a los fotones ultravioleta es 2 veces mayor que las estimaciones previas. La contribución revisada de las galaxias es 3 veces mayor. En conjunto, estos hallazgos resuelven la crisis.
• Anomalía de Hipparcos (1997 ^{[ 154 ]} –2012): El satélite de recolección de paralaje de alta precisión (Hipparcos) midió el paralaje de las Pléyades y determinó una distancia de 385 años luz. Esta fue significativamente diferente de otras mediciones realizadas mediante la medición del brillo real a aparente o la magnitud absoluta . La anomalía se debió al uso de una media ponderada cuando existe una correlación entre las distancias y los errores de distancia para las estrellas en cúmulos. Se resuelve utilizando una media no ponderada. No existe sesgo sistemático en los datos de Hipparcos en lo que respecta a los cúmulos estelares. ^{[ 155 ]}
• Anomalía de neutrinos que viajan más rápido que la luz (2011-2012): En 2011, el experimento OPERA observó erróneamente neutrinos que parecían viajar más rápido que la luz . El 12 de julio de 2012, OPERA actualizó su artículo tras descubrir un error en su medición previa del tiempo de vuelo. Encontraron una concordancia entre la velocidad de los neutrinos y la velocidad de la luz. ^{[ 156 ]}
• Anomalía Pioneer (1980–2012): Hubo una desviación en las aceleraciones previstas de las naves espaciales Pioneer 10 y 11 al abandonar el Sistema Solar. ^{[ 66 ] [ 34 ]} Se cree que esto es resultado de una fuerza de retroceso térmico no considerada previamente . ^{[ 157 ] [ 158 ]}