Quan, a finals de segle XIX, un jove Max Planck va expressar davant d’un professor de física el seu desig de dedicar-se a la disciplina, va rebre la resposta que ja no quedaven grans coses per aprendre: al més al que podia aspirar un físic en aquella època era a aclarir alguns detalls menors. No obstant això, Planck no es va deixar acovardir. Pocs anys després, les seves investigacions donaven el tret de sortida a la mecànica quàntica i, amb això, van contribuir a canviar per sempre la imatge de l’món.
Avui és un fet indiscutible que a la física li queda un llarg camí per recórrer. De fet, com més coneixement acumulen els físics majors semblen ser els misteris als quals s’enfronten. A continuació presentem els nostres deu trencaclosques favorits de la física actual.
10. Raigs còsmics ultraenergètics
Des de l’espai exterior arriben a la Terra innombrables partícules. Tot i que aquest fenomen es coneix des de fa temps, hi ha algunes d’elles l’energia desafia tota proporció. El 1991, un experiment a Utah va detectar les petjades de la que més tard passaria a conèixer-se com “partícula OMG”, per les inicials de l’expressió anglesa Oh my God! ( “Oh, Déu meu!”): Una partícula amb una energia de 320 exaelectronvoltios (320 × 1018 eV), la mateixa que tindria una pilota de tennis ràpida. Per fortuna, com partícules apareixen amb molt poca freqüència i, quan arriben al nostre planeta, es veuen frenades per l’atmosfera.
Es creu que els raigs còsmics habituals (amb energies milers de milions de vegades menors) es generen en romanents de supernova, explosions estel·lars i altres fenòmens astrofísics violents. Els de major energia, però, procedirien d’acceleradors d’escala galàctica encara sense identificar. Fa uns anys, un estudi va trobar que aquestes partícules ultraràpides semblaven provenir d’una zona concreta de el cel en la qual, però, no semblava haver-hi cap font identificable. Ara per ara, el misteri de les partícules més energètiques de l’cosmos segueix obert.
de 9. Superconductors d’alta temperatura
Els superconductors d’alta temperatura ocupen als físics des de fa més de 30 anys. A l’igual que els superconductors tradicionals, aquests materials transporten l’electricitat sense oposar resistència. No obstant això, ho fan a temperatures a les quals, en principi, aquest fenomen no hauria de donar-se.
Quan el corrent elèctric flueix a través dels nostres cables, part de l’energia sempre es perd. Això no passa en els materials superconductors, els quals poden conduir l’electricitat sense oferir resistència sempre que es refredin a temperatures properes a l’zero absolut. En aquest cas el principi subjacent s’entén bé: el fenomen es basa en la formació de parells d’electrons, coneguts com “parells de Cooper”, els quals es generen a temperatures molt baixes i permeten que l’electricitat circuli sense pèrdues. En canvi, en els superconductors d’alta temperatura, el mecanisme responsable segueix sense identificar.
Ara per ara, l’ús d’aquests materials és limitat. El terme “alta temperatura” és relatiu, ja que fa referència a temperatures molt més grans que aquelles a les que sol aparèixer el fenomen, però que en qualsevol cas segueixen sent molt baixes (de l’ordre de 140 graus sota zero). Tot i així, entendre la superconductivitat d’alta temperatura podria obrir la porta a noves aplicacions i, sota certes condicions especials, potser proporcionar una alternativa als conductors tradicionals. 
8. Forats negres
Els forats negres poden descriure com pous foscos que empassen per sempre tot el que cau en ells. Fa temps que els astrònoms compten amb indicis clars de la seva existència. No obstant això, la seva descripció última en termes físics segueix sent tot un misteri.
Aquests astres es formen quan un estel molt més massiva que el Sol esgota el seu combustible i col·lapsa sobre si mateixa per efecte del seu propi pes. Segons la teoria de la relativitat general d’Einstein, els forats negres deformen la geometria de l’espai circumdant al punt que res del que entri en ells podrà sortir mai. Però aquest fenomen constitueix l’origen d’un seriós problema. Segons la mecànica quàntica la informació d’un sistema físic no pot perdre mai. Això vol dir que, al menys en principi, sempre hauria de ser possible reconstruir la configuració passada d’un sistema de partícules a partir del seu estat present. No obstant això, què passa si les partícules i tota la seva informació desapareixen per sempre?
Aquesta paradoxa ha portat a alguns físics a posar en dubte l’existència dels forats negres, així com a argumentar que les seves propietats podrien ser molt diferents de les que prediu la relativitat general. Per la seva banda, altres han intentat resoldre la qüestió apel·lant a les propietats quàntiques de l’espai-temps. Les idees a l’respecte abunden. Sigui com sigui, el problema és considerat des de fa dècades com un dels més ardus als quals s’enfronta la física teòrica. 
7. Turbulència
La turbulència -el fenomen responsable de l’aparició de remolins o tornados a gasos i líquids, per exemple- ha demostrat ser un os increïblement dur de rosegar. Fa dècades que els físics intenten modelizarla, fins ara sense gaire èxit. Aquesta dificultat teòrica xoca amb la quotidianitat de l’fenomen: la turbulència apareix quan bufa el vent, fem bullir aigua o remenem la llet de el cafè, entre molts altres exemples.
La turbulència pertany a la classe de fenòmens coneguts com ” no lineals “, entre els quals també s’inclouen els fenòmens caòtics. Els sistemes d’aquest tipus són extremadament sensibles als canvis en les condicions inicials, en el sentit que una petita alteració en l’estat de el sistema pot modificar per complet la seva evolució posterior. Entre altres raons, aquesta propietat fa que sigui impossible predir el comportament a llarg termini d’un fluid turbulent.
Amb tot, els físics continuen buscant amb afany lleis universals que permetin descriure la turbulència. Una descripció general podria aplicar-se en una infinitat d’àrees: des del pronòstic de l’oratge fins a la minimització de la resistència aerodinàmica o fenòmens molt més exòtics, com la formació de galàxies. 
6. La incògnita de la gravetat
Sense la gravetat nostre univers no existiria. Els seus efectes resulten obvis: es tracta de la força que ens manté enganxats a la Terra, la que fa que els planetes girin al voltant de el Sol i la que cohesiona les galàxies. No obstant això, els mecanismes subjacents a aquesta interacció fonamental segueixen sent un misteri.
Al segle XVII, Isaac Newton va establir que dues masses qualssevol s’atreien entre si per mitjà d’una força que apareixia entre elles. No obstant això, a principis de segle passat Einstein va demostrar que es tractava d’un fenomen molt més complex: segons la teoria de la relativitat general, la matèria i l’energia deformen la geometria de l’espai i el temps, i això afecta la manera en què es mouen els cossos propers. Una de les prediccions de la teoria d’Einstein és l’existència d’ones gravitacionals: deformacions de l’espai-generades per grans masses en moviment i que es propaguen a la velocitat de la llum. Fa uns anys, i després de diverses dècades de recerca, l’experiment nord-americà LIGO va ser capaç de detectar-les per primera vegada.
No obstant això, a l’contrari del que passa amb les altres tres forces fonamentals de la naturalesa, els físics encara no han aconseguit detectar el gravitó, la hipotètica partícula quàntica responsable de transmetre la interacció gravitatòria. El fet que la gravetat sigui molts ordres de magnitud més feble que les altres interaccions de la natura fa que aquesta partícula sigui pràcticament impossible de detectar. Un altre gran misteri de la gravetat és precisament aquest: per què la seva intensitat és tan feble comparada amb les de les altres forces fonamentals. Amb tantes preguntes i tan poques respostes, la gravetat segueix sent un dels majors trencaclosques de la física contemporània. 
5. Té l’univers més dimensions?
L’espai ordinari té tres dimensions: a dalt-a baix, endavant-enrere i esquerra-dreta. No obstant això, res no impedeix que tingui més. La teoria de cordes, per exemple, prediu un espai-de deu dimensions: nou més el temps, cosa impossible de visualitzar però perfectament possible des del punt de vista matemàtic. De fet, la idea que l’univers podria tenir més dimensions de les que podem veure no és nova, sinó que es remunta als anys vint de segle passat.
Però, en cas d’existir, com serien aquestes dimensions addicionals i per què no les percebem? La resposta més habitual és que es tractaria de dimensions microscòpiques, només aparents a escales molt menors de les que podem resoldre en l’actualitat amb els nostres millors experiments. Altres possibilitats impliquen donar aixopluc a altres universos. Fins ara, però, ni els grans acceleradors de partícules ni els experiments d’un altre tipus han aconseguit obtenir indicis de dimensions suplementàries. 
4. Matèria i energia fosques
Els cossos celestes que ens són familiars no constitueixen més que una petita fracció de tot el que existeix.Segons totes les observacions i models, la radiació i la matèria que coneixem (la llum i els àtoms que componen els planetes, les estrelles i tota la resta que podem veure) tot just s’adonarien el 5 per cent de l’contingut energètic total de l’univers. La resta es compon de dos agents de naturalesa desconeguda, coneguts com a matèria fosca i energia fosca.
Tal suposició es recolza en observacions astronòmiques. Per exemple, la velocitat a la qual giren les estrelles de les galàxies hauria de fer que aquestes es disgregasen, una cosa que no obstant això no passa. Per explicar-ho, els físics postulen que les galàxies es troben immerses en ingents núvols formades per algun tipus de matèria invisible. Fins avui, però, ningú sap de què es compon aquesta “matèria fosca”, la qual donaria compte de l’25 per cent de tota l’energia present en el cosmos. La hipòtesi més habitual postula que es troba formada per partícules elementals que no absorbeixen ni emeten llum, si bé fins ara cap experiment ha estat capaç de detectar-les.
Però el misteri no acaba aquí. La major part de l’energia de l’cosmos correspon a l’energia fosca, el misteriós agent a què els físics atribueixen l’expansió accelerada de l’univers. L’energia fosca contrarestaria la força de la gravetat (la qual tendiria a frenar l’expansió còsmica) i, segons tots els càlculs, seria responsable de l’70 per cent de tota l’energia present en l’univers actual. 
3. Una teoria unificada
Nombrosos físics, Einstein inclòs, han somiat amb la possibilitat de formular una teoria a partir de la qual es puguin derivar totes les lleis de la natura. I encara que fins ara tots els intents a l’respecte han estat infructuosos, no pocs investigadors es troben convençuts que semblant teoria final hauria d’existir.
Un gran pas en aquesta direcció procedeix de les anomenades “teories de gran unificació” (GUT, per les sigles en anglès), les quals han proporcionat models que aspiren a descriure amb unes mateixes regles bàsiques tres de les quatre interaccions fonamentals de la natura: l’electromagnètica, la nuclear feble (responsable de les desintegracions radioactives) i la nuclear fort (encarregada de mantenir units els nuclis dels àtoms). Atès que aquestes tres interaccions presenten una descripció matemàtica similar, molts físics creuen probable que puguin derivar-se a partir d’una sola teoria.
No obstant això, una veritable “teoria de el tot” hauria d’explicar també la gravetat. Ara per ara la candidata més popular és la teoria de cordes, així com una hipotètica generalització seva coneguda com teoria M. Pel que fa a una explicació quàntica de la gravetat, una alternativa a la teoria de cordes és la gravetat quàntica de bucles. No obstant això, tots els intents efectuats fins ara segueixen enfrontant-se a grans problemes tant teòrics com experimentals. De fet, bé podria passar que una teoria d’aquestes característiques no existís. 
2. La descripció quàntica de la realitat
Sota certes condicions, les partícules quàntiques semblen estar connectades entre si encara que es trobin separades per grans distàncies. Aquest fenomen, conegut com entrellaçament, va ser qualificat famosament per Einstein com a “acció fantasmal a distància”. Quan dues partícules estan entrellaçades, els mesuraments efectuats sobre una d’elles permeten predir les propietats de la seva companya, per més que aquesta es trobi molt lluny i una vegada i una ja no puguin interaccionar. D’altra banda, les partícules quàntiques no semblen tenir propietats ben definides fins que aquestes no es mesuren en un experiment: amb anterioritat a un mesurament, un sistema quàntic només es deixa descriure en termes de probabilitats.
Per estranyes que puguin semblar, com propietats han estat verificats cop i un altre en tota mena d’experiments. No obstant això, no existeix un consens clar sobre quina noció de realitat física subjacent a aquests fenòmens. Depèn la realitat de la manera en què la investiguem? Existeixen altres universos en els quals es materialitzen les diferents probabilitats quàntiques? És correcta la interpretació habitual de la funció d’ona? Sigui com sigui, la mecànica quàntica sembla apuntar als límits del nostre enteniment: en el seu nivell fonamental, l’univers sembla tenir una estructura completament diferent de la que ens indica la nostra experiència quotidiana. 
1. El principi i el final de l’cosmos
Com va començar tot? Com acabarà? Hi ha el principi i la fi? Els filòsofs no són els únics que s’ocupen d’aquestes qüestions. Per a molts investigadors, tant el passat com el futur de l’univers són els misteris més elementals de la física.La teoria de la gran explosió apunta que tot -matèria , energia , espai i temps- s’hauria originat a partir d’un estat de densitat infinita conegut com ” singularitat ” . No obstant això fins ara ningú ha trobat una descripció física satisfactòria d’aquest suposat estat inicial o de la primera fracció de segon després de la gran explosió.
Pel que fa a la destinació de l’univers , les respostes disponibles no són molt millors. Una cosa és certa : a hores d’ara el cosmos s’està expandint a una velocitat cada vegada més gran. Potser mai s’aturi , però també podria evolucionar cap a un estat final estacionari o fins i tot revertir la seva dinàmica actual i acabar en una ” gran implosió “, després de la qual cosa tot podria tornar a començar de nou. Si és el cas , això podria respondre a la pregunta de què hi va haver abans de la gran explosió .
Janosch Deeg