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 física , como en toda la ciencia, generalmente se asume que las contradicciones y paradojas son artefactos de error e incompletitud porque se supone 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 se desmoronan, esto generalmente se ha abordado cambiando nuestra comprensión de la realidad a una nueva que sigue siendo consistente en sí misma en presencia de la 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 alejadas 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 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 la simultaneidad y el tiempo absoluto no sean aplicables cuando se comparan 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 . Si se toman las suposiciones correctas, 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 extraída 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 se basan directamente en uno o más supuestos que son incorrectos. 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 el supuesto 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 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 isótropo como lo requiere el principio cosmológico era necesariamente finito en extensión, pero resulta que hay formas de flexibilizar las suposiciones de otras maneras que admiten resoluciones alternativas.
La paradoja de Mpemba es que, en determinadas condiciones, el agua caliente se congela 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 solo la temperatura del agua afectará la congelación no es correcta.
Una paradoja común ocurre con las idealizaciones matemáticas, como las fuentes puntuales que describen bien los fenómenos físicos a escalas distantes o globales , pero que fallan en el punto mismo. Estas paradojas a veces se consideran relacionadas con las paradojas de Zenón , que tratan todas de 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 solo puede describirse en un sentido límite 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 definido infinitesimalmente: 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 con la solución de Schwarzschild que describe la geometría de un agujero negro . La curvatura del espacio-tiempo en la singularidad es infinita, lo 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 inicio 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 mecánicos cuánticos 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 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 se descompone en la superficie del cuerpo y deben considerarse nuevas soluciones que involucren capas límite para modelar correctamente los efectos de la resistencia.
Un conjunto significativo de paradojas físicas están asociadas con la posición privilegiada del observador en la mecánica cuántica .
Dos de ellas son:
Estos experimentos mentales supuestamente utilizan principios de la mecánica cuántica para derivar conclusiones aparentemente contradictorias.
En el caso del gato de Schrödinger esto toma la forma de un aparente absurdo.
Se coloca a un gato en una caja cerrada y aislada de la observación, con un interruptor mecánico cuántico diseñado para matar al gato cuando se activa de forma adecuada. Mientras está en la caja, se describe al gato como si estuviera en una superposición cuántica de estados "muerto" y "vivo", aunque al abrir la caja, la función de onda del gato colapsa efectivamente 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 a una velocidad superior a la de la luz , lo que viola la relatividad especial . Relacionado con la paradoja 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 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 ocurrencia de eventos específicos; puede predecir la probabilidad de que la persona esté viva cuando se abre la caja. [2] De la misma manera, 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.
En el campo de la física se da un conjunto de paradojas similares relacionadas con 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 de tipo temporal . En su concepción más cruda, 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 significa que no hay una solución acordada para la paradoja, ni siquiera está claro que existan soluciones físicamente posibles para las ecuaciones de Einstein que permitan que se cumplan las condiciones requeridas para la paradoja. Sin embargo, hay dos explicaciones comunes para las posibles resoluciones de esta paradoja que adquieren un sabor 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 ocurran tales paradojas. Esta idea incomoda a muchos defensores del libre albedrío , aunque es muy satisfactoria para muchos naturalistas filosóficos . [¿ Cuál? ] Alternativamente, a veces se conjetura que la idealización de los múltiples mundos o el concepto de universos paralelos permiten una fractura continua de posibles líneas de tiempo en muchas realidades alternativas diferentes. Esto significaría que cualquier persona que viajara al pasado entraría necesariamente en un universo paralelo diferente que tendría una historia diferente a partir del momento del viaje en el tiempo.
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 la entropía irreversible en el tiempo . Una resolución parcial de esta paradoja la proporciona rigurosamente el teorema de fluctuación , que se basa en el seguimiento cuidadoso de las cantidades promediadas en el tiempo para demostrar que, desde un punto de vista de la mecánica estadística , es mucho más probable que la entropía aumente que que disminuya. Sin embargo, si no se hacen suposiciones sobre las condiciones de contorno iniciales, el teorema de fluctuación debería aplicarse igualmente bien a la inversa, prediciendo que es más probable que un sistema que actualmente se encuentra en un estado de baja entropía 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 que va hacia el 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 sólo puede explicarse apelando a condiciones de baja entropía poco después del Big Bang , aunque la explicación de la baja entropía del Big Bang en sí todavía se debate.
Otro conjunto de paradojas físicas se basa en conjuntos de observaciones que no pueden explicarse adecuadamente con los modelos físicos actuales. Estas pueden ser simplemente indicaciones de la incompletitud de las teorías actuales. Se reconoce que la unificación aún no se ha logrado, lo que puede indicar problemas fundamentales con los paradigmas científicos actuales . Si esto es el presagio de una revolución científica que aún está por venir o si estas observaciones darán lugar a futuros refinamientos o se descubrirá que son erróneas, aún está por determinar. Una breve lista de estas observaciones aún explicadas inadecuadamente incluye observaciones que implican la existencia de materia oscura , observaciones que implican la existencia de energía oscura , la asimetría observada materia-antimateria , la paradoja de GZK , la paradoja de la muerte térmica y la paradoja de Fermi .