Paradoja física - Physical paradox
Una paradoja física es una aparente contradicción en las descripciones físicas del universo . Si bien muchas paradojas físicas han aceptado resoluciones, otras desafían la resolución y pueden indicar fallas en la teoría . En la física, como en toda la ciencia, generalmente se asume que las contradicciones y paradojas son artefactos de error e incompletitud porque se asume que la realidad es completamente consistente , aunque esto es en sí mismo una suposición filosófica. Cuando, como en campos como la física cuántica y la teoría de la relatividad , se ha demostrado que los supuestos existentes sobre la realidad se derrumban, esto se ha solucionado normalmente cambiando nuestra comprensión de la realidad a una nueva que permanece autoconsistente en presencia de la realidad. nueva evidencia.
Paradojas relacionadas con suposiciones falsas
Ciertas paradojas físicas desafían las predicciones del sentido común sobre situaciones físicas. En algunos casos, este es el resultado de la física moderna que describe correctamente el mundo natural en circunstancias que están muy lejos de la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la relatividad especial ha producido tradicionalmente dos paradojas comunes: la paradoja de los gemelos y la paradoja de la escalera . Ambas paradojas involucran experimentos mentales que desafían los supuestos tradicionales del sentido común sobre el tiempo y el espacio . En particular, los efectos de la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud se utilizan en ambas paradojas para crear situaciones que aparentemente se contradicen entre sí. Resulta que el postulado fundamental de la relatividad especial de que la velocidad de la luz es invariante en todos los marcos de referencia requiere que conceptos como simultaneidad y tiempo absoluto no sean aplicables al comparar marcos de referencia radicalmente diferentes.
Otra paradoja asociada con la relatividad es la paradoja de Supplee que parece describir dos marcos de referencia que son irreconciliables. En este caso, se supone que el problema está bien planteado en la relatividad especial, pero debido a que el efecto depende de objetos y fluidos con masa, es necesario tener en cuenta los efectos de la relatividad general . Tomando las suposiciones correctas, la resolución es en realidad una forma de reafirmar el principio de equivalencia .
La paradoja de Babinet es que, contrariamente a las expectativas ingenuas, la cantidad de radiación eliminada de un haz en el límite de difracción es igual al doble del área de la sección transversal . Esto se debe a que hay dos procesos separados que eliminan la radiación del haz en cantidades iguales: absorción y difracción .
De manera similar, existe un conjunto de paradojas físicas que dependen directamente de una o más suposiciones que son incorrectas. La paradoja de Gibbs de la mecánica estadística produce una aparente contradicción al calcular la entropía de la mezcla. Si la suposición de que las partículas en un gas ideal son indistinguibles no se toma en cuenta de manera apropiada, la entropía calculada no es una variable extensa como debería ser.
La paradoja de Olbers muestra que un universo infinito con una distribución uniforme de estrellas conduce necesariamente a un cielo tan brillante como una estrella. El cielo nocturno oscuro observado puede resolverse alternativamente indicando que uno de los dos supuestos es incorrecto. Esta paradoja se usó a veces para argumentar que un universo homogéneo e isotrópico como lo requiere el principio cosmológico era necesariamente finito en extensión, pero resulta que hay formas de relajar los supuestos de otras formas que admiten resoluciones alternativas.
La paradoja de Mpemba es que, bajo ciertas condiciones, el agua caliente se congelará más rápido que el agua fría, aunque debe pasar por la misma temperatura que el agua fría durante el proceso de congelación. Esta es una aparente violación de la ley de enfriamiento de Newton, pero en realidad se debe a efectos no lineales que influyen en el proceso de congelación. La suposición de que solo la temperatura del agua afectará la congelación no es correcta.
Paradojas relacionadas con idealizaciones matemáticas no físicas
Una paradoja común ocurre con las idealizaciones matemáticas, como las fuentes puntuales, que describen bien los fenómenos físicos a escalas distantes o globales , pero se descomponen en el punto mismo. A veces se considera que estas paradojas se relacionan con las paradojas de Zenón, que tratan todas de las manifestaciones físicas de las propiedades matemáticas de la continuidad , los infinitesimales y los infinitos asociados a menudo con el espacio y el tiempo . Por ejemplo, el campo eléctrico asociado con una carga puntual es infinito en la ubicación de la carga puntual. Una consecuencia de esta aparente paradoja es que el campo eléctrico de una carga puntual solo puede describirse en un sentido limitante mediante una función delta de Dirac cuidadosamente construida . Este concepto matemáticamente poco elegante pero físicamente útil permite el cálculo eficiente de las condiciones físicas asociadas al tiempo que elude convenientemente la cuestión filosófica de lo que realmente ocurre en el punto infinitesimalmente definido: una pregunta que la física aún no puede responder. Afortunadamente, una teoría coherente de la electrodinámica cuántica elimina por completo la necesidad de cargas puntuales infinitesimales.
Una situación similar ocurre en la relatividad general con la singularidad gravitacional asociada con la solución de Schwarzschild que describe la geometría de un agujero negro . La curvatura del espacio-tiempo en la singularidad es infinita, que es otra forma de afirmar que la teoría no describe las condiciones físicas en este punto. Se espera que la solución a esta paradoja se encuentre con una teoría consistente de la gravedad cuántica , algo que hasta ahora ha permanecido esquivo. Una consecuencia de esta paradoja es que la singularidad asociada que ocurrió en el supuesto punto de partida del universo (ver Big Bang ) no está adecuadamente descrita por la física. Antes de que pueda ocurrir una extrapolación teórica de una singularidad, los efectos de la mecánica cuántica se vuelven importantes durante la era de Planck . Sin una teoría consistente, no puede haber una declaración significativa sobre las condiciones físicas asociadas con el universo antes de este punto.
Otra paradoja debida a la idealización matemática es la paradoja de D'Alembert de la mecánica de fluidos . Cuando se calculan las fuerzas asociadas con el flujo constante bidimensional , incompresible , irritacional e invisible a través de un cuerpo, no hay arrastre . Esto está en contradicción con las observaciones de tales flujos, pero resulta que un fluido que satisface rigurosamente todas las condiciones es una imposibilidad física. El modelo matemático se descompone en la superficie del cuerpo, y se deben considerar nuevas soluciones que involucren capas límite para modelar correctamente los efectos de arrastre.
Paradojas de la mecánica cuántica
Un conjunto significativo de paradojas físicas está asociado con la posición privilegiada del observador en la mecánica cuántica .
Tres de los más famosos son:
- el experimento de la doble rendija ;
- la paradoja EPR y
- la paradoja del gato de Schrödinger ,
todos ellos propuestos como experimentos mentales relevantes para las discusiones sobre la interpretación correcta de la mecánica cuántica .
Estos experimentos mentales intentan utilizar principios derivados de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica para derivar conclusiones aparentemente contradictorias. En el caso del gato de Schrödinger, esto toma la forma de un absurdo aparente.
Un gato se coloca en una caja sellada de la observación con un interruptor mecánico cuántico diseñado para matar al gato cuando se despliega adecuadamente. Mientras está en la caja, se describe que el gato se encuentra en una superposición cuántica de estados "muerto" y "vivo", aunque abrir la caja colapsa efectivamente la función de onda del gato a una de las dos condiciones. En el caso de la paradoja EPR , el entrelazamiento cuántico parece permitir la imposibilidad física de que la información se transmita más rápido que la velocidad de la luz , violando la relatividad especial . Relacionado con la paradoja de la EPR está el fenómeno de la pseudotelepatía cuántica en el que las partes a las que se les impide comunicarse logran realizar tareas que parecen requerir un contacto directo.
Muchos consideran que las "resoluciones" a estas paradojas son filosóficamente insatisfactorias porque dependen de lo que se entiende específicamente por la medición de una observación o de lo que sirve como observador en los experimentos mentales. En un sentido físico real, no importa de qué manera se defina cualquiera de esos términos, los resultados son los mismos. Cualquier observación dada de un gato arrojará uno que está vivo o muerto; la superposición es una condición necesaria para calcular lo que se espera, pero nunca se observará. Asimismo, la paradoja de EPR no ofrece ninguna forma de transmitir información más rápido que la velocidad de la luz; aunque hay una conservación aparentemente instantánea del ser observable entrelazado cuántico, resulta que es físicamente imposible utilizar este efecto para transmitir información. Por qué hay una conservación instantánea es el tema de cuál es la interpretación correcta de la mecánica cuántica .
Las teorías especulativas de la gravedad cuántica que combinan la relatividad general con la mecánica cuántica tienen sus propias paradojas asociadas que generalmente se aceptan como artefactos de la falta de un modelo físico consistente que una las dos formulaciones. Una de esas paradojas es la paradoja de la información del agujero negro, que señala que la información asociada con una partícula que cae en un agujero negro no se conserva cuando la radiación teórica de Hawking hace que el agujero negro se evapore. En 2004, Stephen Hawking afirmó tener una resolución de trabajo para este problema, pero los detalles aún no se han publicado y la naturaleza especulativa de la radiación de Hawking significa que no está claro si esta paradoja es relevante para la realidad física.
Paradojas de la causalidad
Un conjunto de paradojas similares ocurre dentro del área de la física que involucra la flecha del tiempo y la causalidad . Uno de ellos, la paradoja del abuelo , se ocupa de la naturaleza peculiar de la causalidad en bucles temporales cerrados. En su concepción más cruda, la paradoja involucra a una persona que viaja en el tiempo y asesina a un antepasado que aún no había tenido la oportunidad de procrear. La naturaleza especulativa del viaje en el tiempo al pasado significa que no hay una resolución acordada para la paradoja, ni siquiera está claro que haya soluciones físicamente posibles a las ecuaciones de Einstein que permitan que se cumplan las condiciones requeridas para que se cumpla la paradoja. Sin embargo, hay dos explicaciones comunes para las posibles resoluciones de esta paradoja que adquieren un sabor similar para las explicaciones de las paradojas de la mecánica cuántica. En la llamada solución autoconsistente , la realidad se construye de tal manera que previene determinísticamente que ocurran tales paradojas. Esta idea incomoda a muchos defensores del libre albedrío , aunque es muy satisfactoria para muchos naturalistas filosóficos . Alternativamente, la idealización de muchos mundos o el concepto de universos paralelos a veces se conjetura para permitir una fractura continua de posibles líneas de mundo en muchas realidades alternativas diferentes. Esto significaría que cualquier persona que viajara hacia atrás en el tiempo necesariamente entraría en un universo paralelo diferente que tendría una historia diferente desde el punto del viaje en el tiempo hacia adelante.
Otra paradoja asociada con la causalidad y la naturaleza unidireccional del tiempo es la paradoja de Loschmidt, que plantea la cuestión de cómo pueden los microprocesos que son reversibles en el tiempo producir un aumento de entropía irreversible en el tiempo . El teorema de fluctuación proporciona rigurosamente una resolución parcial a esta paradoja, que se basa en realizar un seguimiento cuidadoso de las cantidades promediadas en el tiempo para mostrar que, desde el punto de vista de la mecánica estadística , es mucho más probable que la entropía aumente que disminuya. Sin embargo, si no se hacen suposiciones sobre las condiciones de frontera iniciales, el teorema de fluctuación debería aplicarse igualmente bien a la inversa, prediciendo que un sistema actualmente en un estado de baja entropía es más probable que haya estado en un estado de mayor entropía en el pasado, en contradicción con lo que normalmente se vería en una película invertida de un estado de no equilibrio yendo al equilibrio. Por lo tanto, la asimetría general en termodinámica que está en el corazón de la paradoja de Loschmidt todavía no se resuelve con el teorema de fluctuación. La mayoría de los físicos creen que la flecha termodinámica del tiempo solo puede explicarse apelando a las condiciones de baja entropía poco después del Big Bang , aunque la explicación de la baja entropía del Big Bang en sí todavía se debate.
Paradojas de observación
Otro conjunto de paradojas físicas se basa en conjuntos de observaciones que no se explican adecuadamente con los modelos físicos actuales. Estos pueden ser simplemente indicios de lo incompleto de las teorías actuales. Se reconoce que aún no se ha logrado la unificación, lo que puede indicar problemas fundamentales con los paradigmas científicos actuales . Aún no se ha determinado si esto es el presagio de una revolución científica que está por venir o si estas observaciones cederán a futuros refinamientos o serán erróneas. Una breve lista de estas observaciones aún mal explicadas incluye observaciones que implican la existencia de materia oscura , observaciones que implican la existencia de energía oscura , la asimetría observada materia-antimateria , la paradoja GZK , la paradoja de la muerte por calor y la paradoja de Fermi .
Ver también
Referencias
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