En filosofía , la filosofía de la física se ocupa de cuestiones conceptuales y de interpretación de la física moderna , muchas de las cuales se superponen con la investigación realizada por ciertos tipos de físicos teóricos . La filosofía de la física se puede dividir a grandes rasgos en tres áreas:
La existencia y naturaleza del espacio y el tiempo (o espacio-tiempo) son temas centrales en la filosofía de la física. [1]
A menudo se piensa que el tiempo es una cantidad fundamental (es decir, una cantidad que no se puede definir en términos de otras cantidades), porque el tiempo parece un concepto fundamentalmente básico, de modo que no se puede definir en términos de nada más simple. Sin embargo, ciertas teorías, como la gravedad cuántica de bucles, afirman que el espacio-tiempo es emergente. Como dijo Carlo Rovelli , uno de los fundadores de la gravedad cuántica de bucles : "No más campos en el espacio-tiempo: sólo campos sobre campos". [2] El tiempo se define mediante medición: por su intervalo de tiempo estándar. Actualmente, el intervalo de tiempo estándar (llamado " segundo convencional ", o simplemente "segundo") se define como 9.192.631.770 oscilaciones de una transición hiperfina en el átomo de cesio 133 . ( ISO 31-1 ). Qué hora es y cómo funciona se desprende de la definición anterior. Entonces el tiempo puede combinarse matemáticamente con las cantidades fundamentales de espacio y masa para definir conceptos como velocidad , momento , energía y campos .
Tanto Newton como Galileo , [3] así como la mayoría de la gente hasta el siglo XX, pensaban que el tiempo era el mismo para todos en todas partes. La concepción moderna del tiempo se basa en la teoría de la relatividad de Einstein y el espacio-tiempo de Minkowski , en la que los ritmos del tiempo corren de manera diferente en diferentes marcos de referencia inerciales, y el espacio y el tiempo se fusionan en el espacio-tiempo . La relatividad general de Einstein , así como el corrimiento al rojo de la luz de galaxias distantes en retroceso, indican que todo el Universo y posiblemente el propio espacio-tiempo comenzaron hace unos 13.800 millones de años con el Big Bang . La teoría de la relatividad especial de Einstein hizo que las teorías del tiempo en las que hay algo metafísicamente especial en el presente parecieran mucho menos plausibles (aunque no universalmente), ya que la dependencia del tiempo del marco de referencia parece no permitir la idea de un momento presente privilegiado.
Algunas teorías, sobre todo la relatividad general, sugieren que geometrías adecuadas del espacio-tiempo , o ciertos tipos de movimiento en el espacio , pueden permitir viajar en el tiempo hacia el pasado y el futuro. Los conceptos que ayudan a tal comprensión incluyen la curva temporal cerrada .
La teoría especial de la relatividad de Albert Einstein (y, por extensión, la teoría general) predice una dilatación del tiempo que podría interpretarse como un viaje en el tiempo. La teoría establece que, en relación con un observador estacionario, el tiempo parece pasar más lentamente para los cuerpos que se mueven más rápido: por ejemplo, un reloj en movimiento parecerá ir lento; A medida que un reloj se acerca a la velocidad de la luz, parecerá que sus manecillas casi dejan de moverse. Los efectos de este tipo de dilatación del tiempo se analizan con más detalle en la popular " paradoja de los gemelos ". Aunque estos resultados son observables experimentalmente, un aspecto intrínseco de la teoría de Einstein es una ecuación aplicable al funcionamiento de los satélites GPS y otros sistemas de alta tecnología utilizados en la vida diaria.
La relatividad general permite un segundo tipo similar de viaje en el tiempo . En este tipo, un observador distante ve el tiempo pasar más lentamente para un reloj en el fondo de un pozo de gravedad profundo , y un reloj bajado a un pozo de gravedad profundo y levantado indicará que ha pasado menos tiempo en comparación con un reloj estacionario que se quedó quieto. con el observador lejano.
Muchos en la comunidad científica creen que viajar hacia atrás en el tiempo es muy improbable porque viola la causalidad [4], es decir, la lógica de causa y efecto. Por ejemplo, ¿qué sucede si intentas retroceder en el tiempo y suicidarte en una etapa anterior de tu vida (o de tu abuelo, lo que lleva a la paradoja del abuelo )? Stephen Hawking sugirió una vez que la ausencia de turistas del futuro constituye un fuerte argumento contra la existencia del viaje en el tiempo, una variante de la paradoja de Fermi , con viajeros en el tiempo en lugar de visitantes extraterrestres. [4]
El espacio es una de las pocas cantidades fundamentales en física , lo que significa que no se puede definir a través de otras cantidades porque no se conoce nada más fundamental en la actualidad. Por lo tanto, de manera similar a la definición de otras cantidades fundamentales (como el tiempo y la masa ), el espacio se define mediante medición . Actualmente, el intervalo espacial estándar, llamado metro estándar o simplemente metro, se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 de segundo (exacto).
En física clásica , el espacio es un espacio euclidiano tridimensional donde cualquier posición puede describirse mediante tres coordenadas y parametrizarse mediante el tiempo. La relatividad especial y general utiliza el espacio-tiempo de cuatro dimensiones en lugar del espacio tridimensional; y actualmente existen muchas teorías especulativas que utilizan más de cuatro dimensiones espaciales.
La mecánica cuántica es un gran foco de la filosofía de la física contemporánea, específicamente en lo que respecta a la interpretación correcta de la mecánica cuántica. En términos muy generales, gran parte del trabajo filosófico que se realiza en teoría cuántica intenta dar sentido a los estados de superposición: [5] la propiedad de que las partículas parecen no sólo estar en una posición determinada en un momento dado, sino que están en algún lugar "aquí", y también 'allí' al mismo tiempo. Una visión tan radical pone patas arriba muchas ideas metafísicas de sentido común. Gran parte de la filosofía contemporánea de la mecánica cuántica pretende dar sentido a lo que el formalismo empíricamente exitoso de la mecánica cuántica nos dice sobre el mundo físico.
El principio de incertidumbre es una relación matemática que establece un límite superior a la precisión de la medición simultánea de cualquier par de variables conjugadas , por ejemplo, posición y momento. En el formalismo de la notación de operadores , este límite es la evaluación del conmutador de los operadores correspondientes de las variables.
El principio de incertidumbre surgió como respuesta a la pregunta: ¿Cómo se mide la ubicación de un electrón alrededor de un núcleo si un electrón es una onda? Cuando se desarrolló la mecánica cuántica, se vio que había una relación entre las descripciones clásica y cuántica de un sistema que utilizaba la mecánica ondulatoria.
El teorema de Bell es un término que abarca una serie de resultados en física estrechamente relacionados, todos los cuales determinan que la mecánica cuántica es incompatible con las teorías locales de variables ocultas, dados algunos supuestos básicos sobre la naturaleza de la medición. "Local" aquí se refiere al principio de localidad , la idea de que una partícula sólo puede ser influenciada por su entorno inmediato y que las interacciones mediadas por campos físicos no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz . Las " variables ocultas " son propiedades supuestas de partículas cuánticas que no están incluidas en la teoría pero que, sin embargo, afectan el resultado de los experimentos. En palabras del físico John Stewart Bell , que da nombre a esta familia de resultados, "Si [una teoría de variables ocultas] es local, no concordará con la mecánica cuántica, y si concuerda con la mecánica cuántica, no será local. " [6]
El término se aplica ampliamente a varias derivaciones diferentes, la primera de las cuales fue introducida por Bell en un artículo de 1964 titulado "Sobre la paradoja de Einstein Podolsky Rosen ". El artículo de Bell fue una respuesta a un experimento mental de 1935 que propusieron Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen , argumentando que la física cuántica es una teoría "incompleta". [7] [8] En 1935, ya se reconocía que las predicciones de la física cuántica son probabilísticas . Einstein, Podolsky y Rosen presentaron un escenario que implica preparar un par de partículas de manera que el estado cuántico del par sea entrelazado y luego separar las partículas a una distancia arbitrariamente grande. El experimentador tiene la opción de elegir entre posibles mediciones que se pueden realizar en una de las partículas. Cuando eligen una medición y obtienen un resultado, el estado cuántico de la otra partícula aparentemente colapsa instantáneamente a un nuevo estado dependiendo de ese resultado, sin importar qué tan lejos esté la otra partícula. Esto sugiere que, o la medición de la primera partícula de alguna manera también interactuó con la segunda partícula a más velocidad que la velocidad de la luz, o que las partículas entrelazadas tenían alguna propiedad no medida que predeterminaba sus estados cuánticos finales antes de separarse. Por lo tanto, suponiendo localidad, la mecánica cuántica debe ser incompleta, ya que no puede dar una descripción completa de las verdaderas características físicas de la partícula. En otras palabras, las partículas cuánticas, como los electrones y los fotones , deben portar alguna propiedad o atributos no incluidos en la teoría cuántica, y las incertidumbres en las predicciones de la teoría cuántica se deberían entonces a la ignorancia o incognoscibilidad de estas propiedades, más tarde denominadas "variables ocultas".
Bell llevó el análisis del entrelazamiento cuántico mucho más lejos. Dedujo que si las mediciones se realizan de forma independiente en las dos partículas separadas de un par entrelazado, entonces la suposición de que los resultados dependen de variables ocultas dentro de cada mitad implica una restricción matemática sobre cómo se correlacionan los resultados de las dos mediciones. Esta restricción se denominaría más tarde desigualdad de Bell . Bell demostró luego que la física cuántica predice correlaciones que violan esta desigualdad. En consecuencia, la única forma en que las variables ocultas podrían explicar las predicciones de la física cuántica es si son "no locales", es decir, que de alguna manera las dos partículas son capaces de interactuar instantáneamente sin importar cuán separadas estén. [9] [10]
En los años siguientes se propusieron múltiples variaciones del teorema de Bell, introduciendo otras condiciones estrechamente relacionadas conocidas generalmente como desigualdades de Bell (o "tipo Bell"). El primer experimento rudimentario diseñado para probar el teorema de Bell fue realizado en 1972 por John Clauser y Stuart Freedman . [11] Desde entonces se han realizado muchas veces experimentos más avanzados, conocidos colectivamente como pruebas de Bell . Hasta la fecha, las pruebas de Bell han encontrado consistentemente que los sistemas físicos obedecen a la mecánica cuántica y violan las desigualdades de Bell; es decir, los resultados de estos experimentos son incompatibles con cualquier teoría de variables ocultas locales. [12] [13]
La naturaleza exacta de los supuestos necesarios para demostrar una restricción de correlaciones de tipo Bell ha sido debatida por físicos y filósofos. Si bien la importancia del teorema de Bell no está en duda, todas sus implicaciones para la interpretación de la mecánica cuántica siguen sin resolverse.
En marzo de 1927, trabajando en el instituto Niels Bohr , Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, sentando así las bases de lo que se conoció como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Heisenberg había estado estudiando los trabajos de Paul Dirac y Pascual Jordán . Descubrió un problema con la medición de variables básicas en las ecuaciones. Su análisis demostró que siempre aparecían incertidumbres o imprecisiones si se intentaba medir la posición y el impulso de una partícula al mismo tiempo. Heisenberg concluyó que estas incertidumbres o imprecisiones en las mediciones no eran culpa del experimentador, sino de naturaleza fundamental y son propiedades matemáticas inherentes a los operadores de la mecánica cuántica que surgen de las definiciones de estos operadores. [14]
El término "interpretación de Copenhague" tiene una definición un tanto vaga, ya que muchos físicos y filósofos de la física han propuesto puntos de vista similares pero no idénticos sobre la mecánica cuántica. Se asocia principalmente con Heisenberg y Bohr, a pesar de sus diferencias filosóficas. [15] [16] Las características comunes a las interpretaciones de tipo Copenhague incluyen la idea de que la mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista, con probabilidades calculadas utilizando la regla de Born , y el principio de complementariedad , que establece que los objetos tienen ciertos pares de propiedades complementarias que no pueden todas. ser observados o medidos simultáneamente. [17] Además, el acto de "observar" o "medir" un objeto es irreversible, y no se puede atribuir ninguna verdad a un objeto, excepto según los resultados de su medición . Las interpretaciones del tipo de Copenhague sostienen que las descripciones cuánticas son objetivas, en el sentido de que son independientes de cualquier factor arbitrario en la mente del físico. [18] : 85–90
La interpretación de Everett, o de muchos mundos, de la mecánica cuántica afirma que la función de onda de un sistema cuántico nos dice afirmaciones sobre la realidad de ese sistema físico. Niega el colapso de la función de onda y afirma que los estados de superposición deben interpretarse literalmente como una descripción de la realidad de muchos mundos donde se encuentran los objetos, y no simplemente como una indicación de la indeterminación de esas variables. A veces se argumenta que esto es un corolario del realismo científico , [19] que afirma que las teorías científicas pretenden darnos descripciones literalmente verdaderas del mundo.
Una cuestión para la interpretación de Everett es el papel que juega la probabilidad en este sentido. La explicación everettiana es completamente determinista, mientras que la probabilidad parece desempeñar un papel ineludible en la mecánica cuántica. [20] Los everettianos contemporáneos han argumentado que se puede obtener una explicación de la probabilidad que siga la regla de Born a través de ciertas pruebas de la teoría de la decisión, [21] pero todavía no hay consenso sobre si alguna de estas pruebas tiene éxito. [22] [23] [24]
El físico Roland Omnès señaló que es imposible diferenciar experimentalmente entre la visión de Everett, que dice que a medida que la función de onda se desacopla en mundos distintos, cada uno de los cuales existe igualmente, y la visión más tradicional que dice que una función de onda descoherente deja sólo uno. resultado real único. De ahí que la disputa entre ambas visiones represente un gran "abismo". "Cada característica de la realidad ha reaparecido en su reconstrucción por nuestro modelo teórico; cada característica excepto una: la unicidad de los hechos." [25]
La filosofía de la física térmica y estadística es aquella parte de la filosofía de la física cuyo tema es una amalgama de la termodinámica clásica , la mecánica estadística y teorías relacionadas. Sus preguntas centrales incluyen: ¿Qué es la entropía y qué dice la segunda ley de la termodinámica al respecto? ¿ Cuál es la resolución correcta de la paradoja del demonio de Maxwell ? ¿Contiene la termodinámica o la mecánica estadística un elemento de irreversibilidad temporal ? Si es así, ¿qué nos dice la mecánica estadística sobre la flecha del tiempo ? ¿ Cuál es la naturaleza de las probabilidades que aparecen en la mecánica estadística? [26]
La física aristotélica veía el universo como una esfera con un centro. La materia, compuesta por los elementos clásicos , tierra, agua, aire y fuego, buscaba bajar hacia el centro del universo, el centro de la Tierra, o subir, alejándose de él. Cosas en el éter como la Luna, el Sol, los planetas o las estrellas rodeaban el centro del universo. [27] El movimiento se define como cambio de lugar, [27] es decir, de espacio. [28]
Los axiomas implícitos de la física aristotélica con respecto al movimiento de la materia en el espacio fueron reemplazados en la física newtoniana por la Primera Ley del Movimiento de Newton . [29]
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme y rectilíneo, excepto en la medida en que se ve obligado a cambiar de estado por fuerzas aplicadas.
"Cada cuerpo" incluye la Luna y una manzana; e incluye todo tipo de materia, tanto aire como agua, piedras o incluso una llama. Nada tiene un movimiento natural o inherente. [30] El espacio absoluto es el espacio euclidiano tridimensional , infinito y sin centro. [30] Estar "en reposo" significa estar en el mismo lugar en el espacio absoluto a lo largo del tiempo. [31] La topología y la estructura afín del espacio deben permitir el movimiento en línea recta a una velocidad uniforme; por tanto, tanto el espacio como el tiempo deben tener dimensiones definidas y estables . [32]
Gottfried Wilhelm Leibniz , 1646-1716, fue contemporáneo de Newton. Contribuyó en gran medida a la estática y la dinámica que surgieron a su alrededor, a menudo en desacuerdo con Descartes y Newton . Ideó una nueva teoría del movimiento ( dinámica ) basada en la energía cinética y la energía potencial , que postulaba el espacio como relativo, mientras que Newton estaba completamente convencido de que el espacio era absoluto. Un ejemplo importante del pensamiento físico maduro de Leibniz es su Specimen Dynamicum de 1695. [33]
Hasta el descubrimiento de las partículas subatómicas y la mecánica cuántica que las gobierna, muchas de las ideas especulativas de Leibniz sobre aspectos de la naturaleza no reducibles a la estática y la dinámica tenían poco sentido.
Se anticipó a Albert Einstein al argumentar, contra Newton, que el espacio , el tiempo y el movimiento son relativos, no absolutos: [34] "En cuanto a mi propia opinión, he dicho más de una vez que sostengo que el espacio es algo meramente relativo, como "El tiempo es que lo considero un orden de coexistencias, como el tiempo es un orden de sucesiones". [35]
...la existencia y naturaleza del espacio y el tiempo (o espacio-tiempo) es un tema central.
Bohr, Heisenberg y Pauli reconocieron sus principales dificultades y propusieron una primera respuesta esencial.
Se reunían a menudo en Copenhague... 'La interpretación de Copenhague no siempre ha significado lo mismo para diferentes autores.
Lo reservaré para la doctrina sostenida, con pequeñas diferencias, por Bohr, Heisenberg y Pauli.
