paradoja física

Una paradoja física es una aparente contradicción en las descripciones físicas del universo . Si bien muchas paradojas físicas tienen soluciones aceptadas, otras desafían la resolución y pueden indicar fallas en la teoría . En física, como en toda la ciencia, las contradicciones y paradojas generalmente se consideran producto de errores e incompletitud, ya que se asume que la realidad es completamente consistente , aunque esto en sí mismo es una suposición filosófica. Cuando, como en campos como la física cuántica y la teoría de la relatividad , se ha demostrado que las suposiciones existentes sobre la realidad fallan, esto generalmente se ha abordado cambiando nuestra comprensión de la realidad a una nueva que se mantiene consistente en presencia de la nueva evidencia.

Ciertas paradojas físicas desafían las predicciones del sentido común sobre situaciones físicas. En algunos casos, esto se debe a que la física moderna describe correctamente el mundo natural en circunstancias que se alejan considerablemente de la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la relatividad especial ha dado lugar tradicionalmente a dos paradojas comunes: la paradoja de los gemelos y la paradoja de la escalera . Ambas implican experimentos mentales que desafían las suposiciones 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. Resulta que el postulado fundamental de la relatividad especial, según el cual la velocidad de la luz es invariante en todos los sistemas de referencia, requiere que conceptos como la simultaneidad y el tiempo absoluto no sean aplicables al comparar sistemas de referencia radicalmente diferentes.

Otra paradoja asociada a la relatividad es la paradoja de Supplee, que parece describir dos sistemas de referencia irreconciliables. En este caso, se supone que el problema está bien planteado en la relatividad especial, pero dado que el efecto depende de objetos y fluidos con masa, es necesario tener en cuenta los efectos de la relatividad general . Partiendo de las suposiciones correctas, la solución es, en realidad, una forma de reformular el principio de equivalencia .

La paradoja de Babinet radica en que, contrariamente a las expectativas ingenuas, la cantidad de radiación eliminada de un haz en el límite de difracción es igual al doble de su área transversal . Esto se debe a que existen dos procesos distintos que eliminan radiación del haz en cantidades iguales: la absorción y la difracción .

De forma similar, existen varias paradojas físicas que se basan directamente en una o más suposiciones incorrectas. La paradoja de Gibbs, propia de la mecánica estadística, genera una aparente contradicción al calcular la entropía de mezcla. Si no se considera adecuadamente la suposición de que las partículas de un gas ideal son indistinguibles, la entropía calculada no es una variable extensiva, como debería ser.

La paradoja de Olbers demuestra que un universo infinito con una distribución uniforme de estrellas implica necesariamente un cielo tan brillante como una estrella. El cielo nocturno oscuro observado puede explicarse alternativamente afirmando que una de las dos suposiciones es incorrecta. Esta paradoja se utilizó en ocasiones para argumentar que un universo homogéneo e isotrópico , tal como lo exige el principio cosmológico, era necesariamente finito en extensión; sin embargo, resulta que existen maneras de flexibilizar las suposiciones de otros modos que admiten soluciones alternativas.

La paradoja de Mpemba establece que, bajo ciertas condiciones, el agua caliente se congela más rápido que el agua fría, aunque deba pasar por la misma temperatura durante el proceso de congelación. Esto parece contradecir la ley de enfriamiento de Newton, pero en realidad se debe a efectos no lineales que influyen en la congelación. La suposición de que solo la temperatura del agua afecta la congelación es incorrecta.

Las idealizaciones matemáticas utilizadas en las aproximaciones conducen a paradojas si se llevan más allá de su rango de validez. Por ejemplo, las fuentes puntuales describen bien los fenómenos físicos a escalas distantes o globales, pero fallan en el punto mismo. Estas paradojas a veces se relacionan con las paradojas de Zenón , que tratan sobre las manifestaciones físicas de las propiedades matemáticas de continuidad , infinitesimales e infinitos , a menudo asociadas con el espacio y el tiempo . Por ejemplo, el campo eléctrico asociado a una carga puntual no está definido en la ubicación de la carga. Esto refleja los límites de la aproximación de la teoría clásica de campos. Una teoría consistente de la electrodinámica cuántica elimina por completo la necesidad de cargas puntuales.

De manera similar, la relatividad general , otra teoría clásica de campos, presenta una singularidad gravitacional asociada a la solución de Schwarzschild que describe la geometría de un agujero negro . La curvatura del espaciotiempo en la singularidad es indefinida, pero la teoría aproximada predice que una partícula en caída libre debe alcanzarla dentro de un tiempo propio finito . Se espera que la solución a esta paradoja se encuentre con una teoría consistente de la gravedad cuántica . La presencia de singularidades relativistas también plantea un problema en la teoría del Big Bang . 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 afirmación significativa sobre las condiciones físicas asociadas con el universo a medida que se acerca a este punto.

Otra paradoja derivada de la idealización matemática es la paradoja de D'Alembert en mecánica de fluidos . Al calcular las fuerzas asociadas a un flujo estacionario bidimensional , incompresible , irrotacional e inviscido a través de un cuerpo, no se observa resistencia . Sin embargo, estas condiciones no se cumplen en la mayoría de los sistemas físicos, con la notable excepción de los superfluidos que se mueven por debajo de su velocidad crítica de Landau. Los modelos matemáticos más generales funcionan sin algunas o todas estas suposiciones, lo que permite obtener soluciones más precisas que incluyen capas límite .

En mecánica cuántica, un conjunto significativo de paradojas físicas están asociadas con la posición privilegiada del observador . Dos de ellas son:

1. la paradoja EPR y
2. la paradoja del gato de Schrödinger ,

Estos experimentos mentales supuestamente utilizan principios de la mecánica cuántica para llegar a conclusiones aparentemente contradictorias.

En el caso del gato de Schrödinger, esto toma la forma de un aparente absurdo.

Se coloca un gato en una caja sellada, protegida de la observación, con un interruptor cuántico diseñado para matarlo cuando se activa correctamente. Mientras está dentro de la caja, se describe al gato como en una superposición cuántica de estados "muerto" y "vivo", aunque al abrir la caja, la función de onda del gato se reduce efectivamente a uno de esos dos estados.

En el caso de la paradoja EPR , el entrelazamiento cuántico parece permitir la imposibilidad física de transmitir información a una velocidad superior a la de la luz , violando así la relatividad especial . Relacionado con la paradoja EPR se encuentra el fenómeno de la pseudotelepatía cuántica, en el que personas que no pueden comunicarse entre sí logran realizar tareas que aparentemente requieren contacto directo.

Estas paradojas surgen cuando la mecánica cuántica se interpreta incorrectamente. ^{[ 1 ] : 5} Por ejemplo, la mecánica cuántica no pretende representar "un gato". La mecánica cuántica representa probabilidades de que ocurran eventos específicos; puede predecir la probabilidad de que esté vivo cuando se abre la caja. ^{[ 2 ]} Asimismo, la paradoja EPR es consecuencia de razonar sobre dos "partículas" distintas. ^{[ 1 ] : 169}

Las teorías especulativas de la gravedad cuántica que combinan la relatividad general con la mecánica cuántica presentan paradojas asociadas que, en general, se consideran consecuencia de la falta de un modelo físico consistente que unifique ambas formulaciones. Una de estas paradojas es la paradoja de la información de los agujeros negros, que señala que la información asociada a una partícula que cae en un agujero negro no se conserva cuando la radiación de Hawking teórica provoca la evaporación del agujero negro.

Un conjunto de paradojas similares se presenta en el ámbito de la física, relacionadas con la flecha del tiempo y la causalidad . Una de ellas, la paradoja del abuelo , aborda la peculiar naturaleza de la causalidad en bucles temporales cerrados . En su concepción más simple, la paradoja implica que una persona viaja al pasado y asesina a un antepasado que aún no había tenido la oportunidad de procrear. La naturaleza especulativa de los viajes en el tiempo al pasado implica que no existe una solución consensuada para la paradoja, ni siquiera está claro que existan soluciones físicamente posibles a las ecuaciones de Einstein que permitan que se cumplan las condiciones necesarias para que se resuelva la paradoja. Sin embargo, existen dos explicaciones comunes para posibles soluciones a esta paradoja, similares a las explicaciones de las paradojas de la mecánica cuántica. En la llamada solución autoconsistente , la realidad se construye de tal manera que impide deterministamente que tales paradojas ocurran. Esta idea incomoda a algunos defensores del libre albedrío , aunque resulta satisfactoria para varios naturalistas filosóficos . Alternativamente, la idealización de los múltiples mundos o el concepto de universos paralelos a veces se conjetura para permitir una continua fragmentación de las posibles líneas temporales en múltiples realidades alternativas diferentes. Esto significaría que cualquier persona que viajara al pasado necesariamente entraría en un universo paralelo diferente con una historia distinta a partir del momento del viaje en el tiempo.

Otra paradoja relacionada con la causalidad y la naturaleza unidireccional del tiempo es la paradoja de Loschmidt , que plantea la pregunta de cómo los microprocesos reversibles en el tiempo pueden producir un aumento irreversible de la entropía . El teorema de fluctuación ofrece una solución parcial a esta paradoja, basándose en el seguimiento preciso de cantidades promediadas en el tiempo para demostrar 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 iniciales de contorno, el teorema de fluctuación debería aplicarse igualmente bien a la inversa, prediciendo que un sistema que actualmente se encuentra en un estado de baja entropía tiene más probabilidades de haber estado en un estado de mayor entropía en el pasado, en contradicción con lo que normalmente se observaría en una película invertida de un estado de no equilibrio que tiende al equilibrio. Por lo tanto, la asimetría general en la termodinámica, que es el núcleo de la paradoja de Loschmidt, aún no se resuelve con el teorema de fluctuación. La mayoría de los físicos creen que la flecha termodinámica del tiempo solo puede explicarse recurriendo a condiciones de baja entropía poco después del Big Bang , aunque la explicación de la baja entropía del Big Bang en sí todavía es objeto de debate.

Otro conjunto de paradojas físicas se basa en observaciones que no se explican adecuadamente con los modelos físicos actuales. Estas podrían ser simplemente indicios de la incompletitud de las teorías actuales. Se reconoce que la unificación aún no se ha logrado, lo que podría sugerir problemas fundamentales con los paradigmas científicos actuales . Aún está por determinarse si esto presagia una revolución científica futura, si estas observaciones se perfeccionarán en el futuro o si resultarán erróneas. Una breve lista de estas observaciones aún insuficientemente explicadas incluye observaciones que implican la existencia de materia oscura , observaciones que implican la existencia de energía oscura , la asimetría materia-antimateria observada , la paradoja GZK , la paradoja de la muerte térmica y la paradoja de Fermi .

• Lista de paradojas

• Bondi , Hermann (1980). Relatividad y sentido común . Dover Publications. pág. 177. ISBN  0-486-24021-5.
• Geroch, Robert (1981). Relatividad general de A a B. University of Chicago Press. pág.  233. ISBN 0-226-28864-1.
• Gott, J. Richard (2002). Viajes en el tiempo en el universo de Einstein . Mariner Books. pág . 291. ISBN  0-395-95563-7.
• Gamow, George (1993). Mr Tompkins en edición de bolsillo (edición reimpresa  ). Cambridge University Press. pág.  202. ISBN 0-521-44771-2.
• Feynman, Richard P. (1988). QED: La extraña teoría de la luz y la materia . Princeton University Press. pág . 176. ISBN  0-691-02417-0.
• Ford, Kenneth W. y Paul Hewitt (2004). El mundo cuántico  : Física cuántica para todos . Harvard University Press. pág . 288. ISBN  0-674-01342-5.
• Tributsch, Helmut (2015). ¿ Irracionalidad en la naturaleza o en la ciencia? Explorando un mundo racional de energía y mente . CreateSpace. p.  217. ISBN 978-1514724859.

• Preguntas frecuentes sobre física en Usenet por John Baez
• Viajes en el tiempo y física moderna