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, generalmente se supone que las contradicciones y paradojas son artefactos de error e insuficiencia porque se supone 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 generalmente se ha solucionado cambiando nuestra comprensión de la realidad a una nueva que sigue siendo autoconsistente en presencia de la realidad. nueva evidencia.
Ciertas paradojas físicas desafían las predicciones del sentido común sobre situaciones físicas. En algunos casos, esto es el resultado de que la física moderna describa correctamente el mundo natural en circunstancias que están muy fuera 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 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 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 como el efecto depende de objetos y fluidos con masa, es necesario tener en cuenta los efectos de la relatividad general . Tomando los supuestos correctos, la resolución es en realidad una forma de reformular 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 existen 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 no se tiene en cuenta adecuadamente la suposición de que las partículas de un gas ideal son indistinguibles, la entropía calculada no es una variable tan 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 afirmando que una de las dos suposiciones es incorrecta. Esta paradoja se utilizó a veces para argumentar que un universo homogéneo e isotrópico como lo exige el principio cosmológico era necesariamente de extensión finita, pero resulta que hay formas de flexibilizar los supuestos de otras maneras 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. Esto 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 sólo la temperatura del agua afectará la congelación no es correcta.
Una paradoja común ocurre con idealizaciones matemáticas como fuentes puntuales que describen bien fenómenos físicos a escalas distantes o globales pero se descomponen en el punto mismo. A veces se considera que estas paradojas están relacionadas con las paradojas de Zenón, todas las cuales tienen que ver con las manifestaciones físicas de las propiedades matemáticas de continuidad , infinitesimales e infinitos, a menudo asociados 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 sólo puede describirse en un sentido limitado 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 mientras evita convenientemente la cuestión filosófica de lo que realmente ocurre en el punto infinitamente definido: una pregunta que la física aún no puede responder. Afortunadamente, una teoría consistente 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 a la solución de Schwarzschild que describe la geometría de un agujero negro . La curvatura del espacio-tiempo en la singularidad es infinita, lo cual 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 sido difícil de alcanzar. Una consecuencia de esta paradoja es que la física no describe adecuadamente la singularidad asociada que ocurrió en el supuesto punto de partida del universo (ver 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 Planck . Sin una teoría consistente, no puede haber ninguna afirmación significativa sobre las condiciones físicas asociadas con el universo antes de este punto.
Otra paradoja debida a la idealización matemática es la paradoja de la mecánica de fluidos de D'Alembert . Cuando se calculan las fuerzas asociadas con un flujo constante bidimensional , incompresible , irrotacional y no viscoso a través de un cuerpo, no hay resistencia . Esto está en contradicción con las observaciones de tales flujos, pero resulta que un fluido que satisfaga rigurosamente todas las condiciones es una imposibilidad física. El modelo matemático falla en la superficie del cuerpo y es necesario considerar nuevas soluciones que incluyan capas límite para modelar correctamente los efectos de arrastre.
Un conjunto significativo de paradojas físicas están asociadas con la posición privilegiada del observador en la mecánica cuántica .
Dos de estos son:
Estos experimentos mentales supuestamente utilizan principios de la mecánica cuántica para derivar conclusiones aparentemente contradictorias.
En el caso del gato de Schrödinger esto adquiere la forma de un aparente absurdo.
Se coloca un gato en una caja cerrada a 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 al abrir la caja efectivamente se colapsa la función de onda del gato en 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 EPR está el fenómeno de la pseudotelepatía cuántica en la que las partes a las que se les impide comunicarse logran realizar tareas que parecen requerir un 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 una consecuencia del razonamiento sobre dos "partículas" distintas. [1] : 169
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.
Un conjunto de paradojas similares ocurre dentro del área de la física que involucra la flecha del tiempo y la causalidad . Una de ellas, la paradoja del abuelo , trata de la naturaleza peculiar de la causalidad en bucles cerrados similares al tiempo . 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 existe una resolución acordada para la paradoja, ni siquiera está claro que existan soluciones físicamente posibles a las ecuaciones de Einstein que permitirían que se cumplieran las condiciones requeridas para que se cumpliera la paradoja. Sin embargo, hay dos explicaciones comunes para las posibles resoluciones de esta paradoja que adquieren un tono similar a las explicaciones de las paradojas de la mecánica cuántica. En la llamada solución autoconsistente , la realidad se construye de tal manera que impide de manera determinista que tales paradojas ocurran. Esta idea incomoda a muchos defensores del libre albedrío , aunque resulta muy satisfactoria para muchos naturalistas filosóficos . [ ¿cual? ] Alternativamente, a veces se conjetura que la idealización de muchos mundos o el concepto de universos paralelos permite 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 momento 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 pregunta de cómo pueden los microprocesos que son reversibles en el tiempo producir un aumento de entropía irreversible en el tiempo . Una solución parcial a esta paradoja la proporciona rigurosamente el teorema de la fluctuación , que se basa en realizar un seguimiento cuidadoso de las 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 de contorno iniciales, el teorema de la fluctuación debería aplicarse igualmente 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 desequilibrio que va hacia el equilibrio. Por lo tanto, la asimetría general en termodinámica que está en el corazón de la paradoja de Loschmidt aún no se resuelve mediante el teorema de la fluctuación. La mayoría de los físicos creen que la flecha termodinámica del tiempo sólo puede explicarse apelando a condiciones de baja entropía poco después del Big Bang , aunque la explicación de la baja entropía del propio Big Bang todavía se debate.
Otro conjunto de paradojas físicas se basa en conjuntos de observaciones que los modelos físicos actuales no explican adecuadamente. Estos pueden ser simplemente indicios de que las teorías actuales están incompletas. Se reconoce que aún no se ha logrado la unificación , lo que puede indicar problemas fundamentales con los paradigmas científicos actuales . Aún está por determinar si esto es el presagio de una revolución científica aún por venir o si estas observaciones darán paso a futuros refinamientos o se considerarán 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 de GZK , la paradoja de la muerte por calor y la paradoja de Fermi .