Физический парадокс
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( февраль 2008 г. ) |
 | Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументативное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлен оригинальный аргумент по определенной теме. ( январь 2021 г. ) |
Физический физических парадокс это очевидное противоречие в описаниях Вселенной . — Хотя многие физические парадоксы получили разрешение, другие не поддаются разрешению и могут указывать на недостатки теории . В физике , как и во всей науке, противоречия и парадоксы обычно считаются результатом ошибок и неполноты, поскольку реальность считается полностью последовательной , хотя это само по себе является философским предположением. Когда, как это происходит в таких областях, как квантовая физика и теория относительности , существующие предположения о реальности терпят крах, это обычно решается путем изменения нашего понимания реальности на новое, которое остается самосогласованным в присутствии новые доказательства.
Парадоксы, связанные с ложными предположениями
[ редактировать ]
Некоторые физические парадоксы противоречат предсказаниям здравого смысла о физических ситуациях. В некоторых случаях это результат того, что современная физика правильно описывает мир природы в обстоятельствах, далеко выходящих за рамки повседневного опыта. Например, специальная теория относительности традиционно приводила к двум общим парадоксам: парадоксу близнецов и парадоксу лестницы . Оба этих парадокса включают мысленные эксперименты, которые бросают вызов традиционным предположениям здравого смысла о времени и пространстве . В частности, эффекты замедления времени и сокращения длины используются в обоих этих парадоксах для создания ситуаций, которые, казалось бы, противоречат друг другу. Оказывается, фундаментальный постулат специальной теории относительности о том, что света инвариантна скорость во всех системах отсчета, требует, чтобы такие понятия, как одновременность и абсолютное время, были неприменимы при сравнении радикально разных систем отсчета.
Еще один парадокс, связанный с теорией относительности, — это парадокс Саппли , который, по-видимому, описывает две системы отсчета несовместимые . В этом случае предполагается, что проблема корректна в специальной теории относительности, но поскольку эффект зависит от объектов и жидкостей с массой, эффекты общей теории относительности необходимо учитывать . При правильных предположениях резолюция на самом деле является способом еще раз сформулировать принцип эквивалентности .
Парадокс Бабине заключается в том, что вопреки наивным ожиданиям количество излучения, отводимого от пучка в дифракционном пределе , равно удвоенной площади поперечного сечения . Это связано с тем, что существуют два отдельных процесса, которые удаляют излучение из луча в равных количествах: поглощение и дифракция .
Точно так же существует набор физических парадоксов, которые напрямую основаны на одном или нескольких неверных предположениях. Парадокс Гиббса статистической механики приводит к кажущемуся противоречию при вычислении энтропии смешения. Если предположение о том, что частицы в идеальном газе неразличимы, не принимается во внимание должным образом, рассчитанная энтропия не является обширной переменной, как должно быть.
Парадокс Ольберса показывает, что бесконечная Вселенная с равномерным распределением звезд обязательно приводит к небу, яркому, как звезда. Наблюдаемое темное ночное небо можно разрешить альтернативно, заявив, что одно из двух предположений неверно. Этот парадокс иногда использовался, чтобы доказать, что однородная и изотропная Вселенная , как того требует космологический принцип, обязательно имеет конечную протяженность, но оказывается, что существуют способы ослабить эти предположения другими способами, которые допускают альтернативные решения.
Парадокс Мпембы заключается в том, что при определенных условиях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, хотя в процессе замерзания она должна пройти ту же температуру, что и холодная вода. Это кажущееся нарушение закона охлаждения Ньютона , но на самом деле оно происходит из-за нелинейных эффектов, влияющих на процесс замерзания. Предположение, что на замерзание влияет только температура воды, неверно.
Парадоксы, связанные с нефизическими математическими идеализациями
[ редактировать ]
Распространенный парадокс возникает с математическими идеализациями, такими как точечные источники , которые хорошо описывают физические явления в отдаленных или глобальных масштабах , но терпят неудачу в самой точке . Эти парадоксы иногда рассматриваются как относящиеся к парадоксам Зенона , которые все имеют дело с физическими проявлениями математических свойств непрерывности , бесконечно малых и бесконечностей , часто связанных с пространством и временем . Например, электрическое поле , связанное с точечным зарядом , бесконечно в месте расположения точечного заряда. Следствием этого кажущегося парадокса является то, что электрическое поле точечного заряда может быть описано только в предельном смысле тщательно построенной дельта-функцией Дирака . Эта математически неизящная, но физически полезная концепция позволяет эффективно рассчитывать соответствующие физические условия, одновременно удобно обходя философский вопрос о том, что на самом деле происходит в бесконечно малой точке: вопрос, на который физика пока не может ответить. К счастью, последовательная теория квантовая электродинамика вообще устраняет необходимость в бесконечно малых точечных зарядах.
Аналогичная ситуация возникает в общей теории относительности с гравитационной сингулярностью , связанной с решением Шварцшильда , описывающим геометрию черной дыры . Кривизна в сингулярности бесконечна, что является еще одним способом заявить , пространства -времени что теория не описывает физические условия в этой точке. Есть надежда, что решение этого парадокса будет найдено с помощью последовательной теории квантовой гравитации , которая до сих пор оставалась неуловимой. Следствием этого парадокса является то, что связанная с ним сингулярность, возникшая в предполагаемой начальной точке Вселенной (см. Большой взрыв ), не описывается физикой должным образом. Прежде чем может произойти теоретическая экстраполяция сингулярности, в эпоху Планка становятся важными квантово-механические эффекты . Без последовательной теории не может быть никакого значимого утверждения о физических условиях, связанных со Вселенной до этого момента.
Другой парадокс, вызванный математической идеализацией, — это Даламбера парадокс механики жидкости . Когда силы , связанные с двумерным , несжимаемым , безвихревым , невязким устойчивым потоком рассчитаны через тело, сопротивление отсутствует . Это противоречит наблюдениям за такими течениями, но, как оказывается, жидкость, строго удовлетворяющая всем условиям, физически невозможна. Математическая модель не работает на поверхности тела, и новые решения, включающие пограничные слои для правильного моделирования эффектов сопротивления необходимо рассматривать .
Квантово-механические парадоксы
[ редактировать ]Значительный набор физических парадоксов связан с привилегированным положением наблюдателя в квантовой механике .
Два из них:
- ЭПР парадокс и
- Шрёдингера парадокс кота ,
Эти мысленные эксперименты предположительно используют принципы квантовой механики для получения выводов, которые кажутся противоречивыми.
В случае с котом Шредингера это принимает форму кажущегося абсурда.
Кошку помещают в коробку, изолированную от наблюдения квантово-механическим переключателем, предназначенным для уничтожения кошки при правильном использовании. Находясь в ящике, кот описывается как находящийся в квантовой суперпозиции «мертвого» и «живого» состояний, хотя открытие ящика фактически сжимает волновую функцию кота до одного из двух состояний.
В случае с парадоксом ЭПР квантовая запутанность , по-видимому, допускает физическую невозможность передачи информации со скоростью, превышающей скорость света , что нарушает специальную теорию относительности . С парадоксом ЭПР связан феномен квантовой псевдотелепатии , при котором сторонам, лишенным возможности общения, удается выполнять задачи, которые, по-видимому, требуют прямого контакта.
Эти парадоксы возникают, когда квантовая механика интерпретируется неправильно. [1] : 5 Например, квантовая механика не претендует на то, чтобы представлять «кошку». Квантовая механика представляет вероятности возникновения определенных событий; он может предсказать вероятность того, что ящик будет жив, когда его откроют. [2] Точно так же парадокс ЭПР является следствием рассуждений о двух различных «частицах». [1] : 169
Спекулятивные теории квантовой гравитации , сочетающие общую теорию относительности с квантовой механикой, имеют свои собственные парадоксы, которые обычно считаются результатом отсутствия последовательной физической модели, объединяющей две формулировки. Одним из таких парадоксов является информационный парадокс черной дыры , который указывает на то, что информация , связанная с частицей, падающей в черную дыру, не сохраняется, когда теоретическое излучение Хокинга заставляет черную дыру испаряться.
Парадоксы причинности
[ редактировать ]Ряд подобных парадоксов встречается и в области физики, связанной со стрелой времени и причинностью . Один из них, « парадокс дедушки» , касается своеобразной природы причинности в замкнутых времяподобных петлях. В самом грубом понимании парадокс предполагает, что человек путешествует во времени и убивает предка, у которого еще не было возможности произвести потомство. Спекулятивный характер путешествия во времени в прошлое означает, что не существует согласованного решения парадокса, и даже неясно, существуют ли физически возможные решения уравнений Эйнштейна , которые позволили бы выполнить условия, необходимые для выполнения парадокса. Тем не менее, есть два общих объяснения возможных решений этого парадокса, которые имеют схожий оттенок с объяснениями квантово-механических парадоксов. В так называемом самосогласованном решении реальность конструируется таким образом, чтобы детерминированно предотвращать возникновение таких парадоксов. Эта идея вызывает дискомфорт у многих сторонников свободы воли , хотя многих она очень удовлетворяет. философские натуралисты . [ который? ] С другой стороны, иногда предполагается, что идеализация многих миров или концепция параллельных вселенных допускают постоянное расщепление возможных мировых линий на множество различных альтернативных реальностей. Это означало бы, что любой человек, который путешествовал во времени, обязательно попадет в другую параллельную вселенную, история которой будет отличаться от точки путешествия во времени вперед.
Другой парадокс, связанный с причинностью и однонаправленной природой времени, — это парадокс Лошмидта , который ставит вопрос, как микропроцессы, обратимые во времени , могут вызывать необратимое во времени увеличение энтропии . Частичное разрешение этого парадокса строго обеспечивается теоремой о флуктуациях , которая основана на тщательном отслеживании усредненных по времени величин и показывает, что с точки зрения статистической механики энтропия с гораздо большей вероятностью будет увеличиваться, чем уменьшаться. Однако, если не делается никаких предположений о начальных граничных условиях, теорема о флуктуациях должна применяться одинаково хорошо и в обратном порядке, предсказывая, что система, которая в настоящее время находится в состоянии с низкой энтропией, с большей вероятностью находилась в состоянии с более высокой энтропией в прошлом, в противоречие с тем, что обычно можно увидеть в перевернутом фильме неравновесного состояния, идущего к равновесию. Таким образом, общая асимметрия в термодинамике , лежащая в основе парадокса Лошмидта, до сих пор не разрешена флуктуационной теоремой. Большинство физиков полагают, что термодинамический Стрелу времени можно объяснить, только апеллируя к условиям низкой энтропии вскоре после Большого взрыва , хотя объяснение низкой энтропии самого Большого взрыва все еще обсуждается.
Наблюдательные парадоксы
[ редактировать ]Еще один набор физических парадоксов основан на ряде наблюдений, которые не могут быть адекватно объяснены современными физическими моделями. Это может быть просто признаком неполноты существующих теорий. Признано, что унификация еще не завершена, что может указывать на фундаментальные проблемы нынешних научных парадигм . Является ли это предвестником грядущей научной революции , или же эти наблюдения поддадутся будущим уточнениям или окажутся ошибочными, еще предстоит определить. Краткий список этих, но неадекватно объясненных наблюдений включает наблюдения, предполагающие существование темной материи , наблюдения, предполагающие существование темной энергии , наблюдаемую асимметрию материи-антиматерии , парадокс ГЗК , парадокс тепловой смерти и парадокс Ферми .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Перес, Ашер (2010). Квантовая теория: понятия и методы . Фундаментальные теории физики (Начдр. изд.). Дордрехт: Клювер Акад. Опубл. ISBN 978-0-7923-3632-7 .
- ^ Перес, Ашер (январь 1988 г.). «Бессмертный кот Шрёдингера» . Основы физики . 18 (1): 57–76. Бибкод : 1988FoPh...18...57P . дои : 10.1007/BF01882873 . ISSN 0015-9018 .
- Бонди, Герман (1980). Относительность и здравый смысл . Дуврские публикации. п. 177 . ISBN 0-486-24021-5 .
- Герох, Роберт (1981). Общая теория относительности от А до Б. Издательство Чикагского университета. п. 233. ИСБН 0-226-28864-1 .
- Готт, Дж. Ричард (2002). Путешествие во времени во Вселенной Эйнштейна . Книги Маринера. п. 291 . ISBN 0-395-95563-7 .
- Гамов, Георгий (1993). Мистер Томпкинс в мягкой обложке (переиздание). Издательство Кембриджского университета. п. 202. ИСБН 0-521-44771-2 .
- Фейнман, Ричард П. (1988). КЭД: Странная теория света и материи . Издательство Принстонского университета. п. 176 . ISBN 0-691-02417-0 .
- Форд, Кеннет В. и Пол Хьюитт (2004). Квантовый мир: квантовая физика для всех . Издательство Гарвардского университета. п. 288 . ISBN 0-674-01342-5 .
- Трибуч, Хельмут (2015). Иррациональность в природе или в науке? Исследование мира рациональной энергии и разума . CreateSpace. п. 217. ИСБН 978-1514724859 .