Paradoxe physique - Physical paradox
Un paradoxe physique est une contradiction apparente dans les descriptions physiques de l' univers . Alors que de nombreux paradoxes physiques ont accepté des résolutions, d'autres défient la résolution et peuvent indiquer des failles en théorie . En physique comme dans toute la science, les contradictions et les paradoxes sont généralement supposés être des artefacts d'erreur et d'incomplétude parce que la réalité est supposée être complètement cohérente , bien que cela soit en soi une hypothèse philosophique. Lorsque, comme dans des domaines tels que la physique quantique et la théorie de la relativité , il a été démontré que les hypothèses existantes sur la réalité s'effondraient, cela a généralement été traité en changeant notre compréhension de la réalité pour une nouvelle qui reste auto-cohérente en présence de la nouvelle preuve.
Paradoxes liés aux fausses hypothèses
Certains paradoxes physiques défient les prédictions du bon sens sur les situations physiques. Dans certains cas, c'est le résultat de la physique moderne décrivant correctement le monde naturel dans des circonstances qui sont bien en dehors de l'expérience quotidienne. Par exemple, la relativité restreinte a traditionnellement produit deux paradoxes communs : le paradoxe des jumeaux et le paradoxe de l' échelle . Ces deux paradoxes impliquent des expériences de pensée qui défient les hypothèses traditionnelles de bon sens sur le temps et l' espace . En particulier, les effets de la dilatation du temps et de la contraction de la longueur sont utilisés dans ces deux paradoxes pour créer des situations qui semblent se contredire. Il s'avère que le postulat fondamental de la relativité restreinte selon lequel la vitesse de la lumière est invariante dans tous les référentiels exige que des concepts tels que la simultanéité et le temps absolu ne soient pas applicables lors de la comparaison de référentiels radicalement différents.
Un autre paradoxe associé à la relativité est le paradoxe de Supplee qui semble décrire deux référentiels inconciliables. Dans ce cas, le problème est supposé être bien posé en relativité restreinte, mais comme l'effet dépend des objets et des fluides ayant une masse, les effets de la relativité générale doivent être pris en compte. En prenant les bonnes hypothèses, la résolution est en fait une manière de réaffirmer le principe d'équivalence .
Le paradoxe de Babinet est que contrairement aux attentes naïves, la quantité de rayonnement retiré d'un faisceau dans la limite de diffraction est égale à deux fois la section transversale . En effet, il existe deux processus distincts qui éliminent le rayonnement du faisceau en quantités égales : l' absorption et la diffraction .
De même, il existe un ensemble de paradoxes physiques qui reposent directement sur une ou plusieurs hypothèses incorrectes. Le paradoxe de Gibbs de la mécanique statistique donne une apparente contradiction lors du calcul de l' entropie du mélange. Si l'hypothèse selon laquelle les particules d'un gaz parfait sont indiscernables n'est pas prise en compte de manière appropriée, l'entropie calculée n'est pas une variable extensive comme elle devrait l'être.
Le paradoxe d'Olbers montre qu'un univers infini avec une distribution uniforme d'étoiles conduit nécessairement à un ciel aussi brillant qu'une étoile. Le ciel nocturne sombre observé peut également être résolu en déclarant que l'une des deux hypothèses est incorrecte. Ce paradoxe a parfois été utilisé pour affirmer qu'un univers homogène et isotrope tel que requis par le principe cosmologique était nécessairement d'étendue finie, mais il s'avère qu'il existe des moyens de relâcher les hypothèses par d'autres moyens qui admettent des résolutions alternatives.
Le paradoxe de Mpemba est que dans certaines conditions, l'eau chaude gèlera plus rapidement que l'eau froide même si elle doit passer par la même température que l'eau froide pendant le processus de congélation. Il s'agit d'une violation apparente de la loi de refroidissement de Newton, mais en réalité, cela est dû à des effets non linéaires qui influencent le processus de congélation. L'hypothèse selon laquelle seule la température de l'eau affectera la congélation n'est pas correcte.
Paradoxes relatifs aux idéalisations mathématiques non physiques
Un paradoxe commun se produit avec les idéalisations mathématiques telles que les sources ponctuelles qui décrivent bien les phénomènes physiques à des échelles distantes ou globales mais se décomposent au point lui-même. Ces paradoxes sont parfois considérés comme liés aux paradoxes de Zénon qui traitent tous des manifestations physiques des propriétés mathématiques de la continuité , des infinitésimaux et des infinis souvent associés à l' espace et au temps . Par exemple, le champ électrique associé à une charge ponctuelle est infini à l'emplacement de la charge ponctuelle. Une conséquence de ce paradoxe apparent est que le champ électrique d'une charge ponctuelle ne peut être décrit que dans un sens limitatif par une fonction delta de Dirac soigneusement construite . Ce concept mathématiquement inélégant mais physiquement utile permet le calcul efficace des conditions physiques associées tout en évitant commodément le problème philosophique de ce qui se passe réellement au point infinitésimal : une question à laquelle la physique est encore incapable de répondre. Heureusement, une théorie cohérente de l'électrodynamique quantique élimine complètement le besoin de charges ponctuelles infinitésimales.
Une situation similaire se produit en relativité générale avec la singularité gravitationnelle associée à la solution de Schwarzschild qui décrit la géométrie d'un trou noir . La courbure de l' espace - temps à la singularité est infinie, ce qui est une autre façon d'affirmer que la théorie ne décrit pas les conditions physiques à ce stade. On espère que la solution à ce paradoxe sera trouvée avec une théorie cohérente de la gravité quantique , quelque chose qui est jusqu'à présent resté insaisissable. Une conséquence de ce paradoxe est que la singularité associée qui s'est produite au point de départ supposé de l'univers (voir Big Bang ) n'est pas suffisamment décrite par la physique. Avant qu'une extrapolation théorique d'une singularité puisse se produire, les effets de la mécanique quantique deviennent importants au cours de l' ère Planck . Sans une théorie cohérente, il ne peut y avoir d'énoncé significatif sur les conditions physiques associées à l'univers avant ce point.
Un autre paradoxe dû à l'idéalisation mathématique est le paradoxe de la mécanique des fluides de D'Alembert . Lorsque les forces associées à un écoulement stable bidimensionnel , incompressible , irrotationnel et non visqueux à travers un corps sont calculées, il n'y a pas de traînée . Ceci est en contradiction avec les observations de tels écoulements, mais comme il s'avère qu'un fluide qui satisfait rigoureusement toutes les conditions est une impossibilité physique. Le modèle mathématique s'effondre à la surface du corps, et de nouvelles solutions impliquant des couches limites doivent être envisagées pour modéliser correctement les effets de traînée.
Paradoxes de la mécanique quantique
Un ensemble important de paradoxes physiques est associé à la position privilégiée de l' observateur en mécanique quantique .
Trois des plus célèbres d'entre eux sont :
- l' expérience de la double fente ;
- le paradoxe EPR et
- le paradoxe du chat de Schrödinger ,
toutes proposées comme expériences de pensée pertinentes pour les discussions sur l' interprétation correcte de la mécanique quantique .
Ces expériences de pensée tentent d'utiliser des principes dérivés de l' interprétation de Copenhague de la mécanique quantique pour tirer des conclusions apparemment contradictoires. Dans le cas du chat de Schrödinger, cela prend la forme d'une absurdité apparente.
Un chat est placé dans une boîte fermée à l'observation avec un interrupteur mécanique quantique conçu pour tuer le chat lorsqu'il est correctement déployé. Lorsqu'il est dans la boîte, le chat est décrit comme étant dans une superposition quantique d'états "mort" et "vivant", bien que l'ouverture de la boîte réduise effectivement la fonction d'onde du chat à l'une des deux conditions. Dans le cas du paradoxe EPR , l'intrication quantique semble permettre l'impossibilité physique de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière , violant ainsi la relativité restreinte . Lié au paradoxe EPR est le phénomène de pseudo-télépathie quantique dans lequel les parties qui sont empêchées de communiquer parviennent à accomplir des tâches qui semblent nécessiter un contact direct.
Les "résolutions" de ces paradoxes sont considérées par beaucoup comme philosophiquement insatisfaisantes car elles dépendent de ce que l'on entend spécifiquement par la mesure d'une observation ou de ce qui sert d'observateur dans les expériences de pensée. Dans un sens physique réel, quelle que soit la manière dont l'un ou l'autre de ces termes est défini, les résultats sont les mêmes. Toute observation donnée d'un chat donnera un chat mort ou vivant ; la superposition est une condition nécessaire pour calculer ce qu'il faut attendre, mais ne sera jamais elle-même observée. De même, le paradoxe EPR ne donne aucun moyen de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière ; bien qu'il y ait une conservation apparemment instantanée de l'observable intriqué quantique mesuré, il s'avère qu'il est physiquement impossible d'utiliser cet effet pour transmettre des informations. Pourquoi existe-t-il une conservation instantanée dont le sujet est l' interprétation correcte de la mécanique quantique .
Les théories spéculatives de la gravité quantique qui combinent la relativité générale et la mécanique quantique ont leurs propres paradoxes associés qui sont généralement acceptés comme des artefacts de l'absence d'un modèle physique cohérent qui unit les deux formulations. L'un de ces paradoxes est le paradoxe de l'information sur le trou noir qui souligne que l' information associée à une particule qui tombe dans un trou noir n'est pas conservée lorsque le rayonnement théorique de Hawking provoque l'évaporation du trou noir. En 2004, Stephen Hawking a affirmé avoir une résolution de travail à ce problème, mais les détails n'ont pas encore été publiés et la nature spéculative du rayonnement de Hawking signifie qu'il n'est pas clair si ce paradoxe est pertinent pour la réalité physique.
Paradoxes de causalité
Un ensemble de paradoxes similaires se produit dans le domaine de la physique impliquant la flèche du temps et la causalité . L'un d'eux, le paradoxe du grand - père , traite de la nature particulière de la causalité dans des boucles temporelles fermées . Dans sa conception la plus grossière, le paradoxe implique une personne voyageant dans le temps et assassinant un ancêtre qui n'avait pas encore eu la chance de procréer. La nature spéculative du voyage dans le temps dans le passé signifie qu'il n'y a pas de résolution convenue du paradoxe, et qu'il n'est même pas clair qu'il existe des solutions physiquement possibles aux équations d'Einstein qui permettraient de remplir les conditions requises pour que le paradoxe soit rempli. Néanmoins, il existe deux explications communes pour les résolutions possibles de ce paradoxe qui prennent une saveur similaire pour les explications des paradoxes de la mécanique quantique. Dans la solution dite auto-cohérente , la réalité est construite de manière à empêcher de manière déterministe de tels paradoxes de se produire. Cette idée met de nombreux défenseurs du libre arbitre mal à l'aise, bien qu'elle soit très satisfaisante pour de nombreux naturalistes philosophes . Alternativement, l' idéalisation de nombreux mondes ou le concept d' univers parallèles est parfois conjecturé pour permettre une fragmentation continue des lignes du monde possibles en de nombreuses réalités alternatives différentes. Cela signifierait que toute personne ayant voyagé dans le temps entrerait nécessairement dans un univers parallèle différent qui aurait une histoire différente à partir du moment du voyage dans le temps.
Un autre paradoxe associé à la causalité et à la nature à sens unique du temps est le paradoxe de Loschmidt qui pose la question de savoir comment des microprocessus réversibles dans le temps peuvent produire une augmentation irréversible dans le temps de l' entropie . Une résolution partielle de ce paradoxe est rigoureusement fournie par le théorème de fluctuation qui repose sur un suivi attentif des quantités moyennées dans le temps pour montrer que d'un point de vue de la mécanique statistique , l'entropie est beaucoup plus susceptible d'augmenter que de diminuer. Cependant, si aucune hypothèse sur les conditions aux limites initiales n'est faite, le théorème de fluctuation devrait s'appliquer tout aussi bien à l'envers, prédisant qu'un système actuellement dans un état de faible entropie est plus susceptible d'avoir été à un état d'entropie plus élevée dans le passé, dans contradiction avec ce qui serait habituellement vu dans un film inversé d'un état de non-équilibre allant à l'équilibre. Ainsi, l'asymétrie globale en thermodynamique qui est au cœur du paradoxe de Loschmidt n'est toujours pas résolue par le théorème de fluctuation. La plupart des physiciens pensent que la flèche thermodynamique du temps ne peut s'expliquer qu'en faisant appel à des conditions de faible entropie peu de temps après le Big Bang , bien que l'explication de la faible entropie du Big Bang lui-même soit encore débattue.
Paradoxes observationnels
Un autre ensemble de paradoxes physiques est basé sur des ensembles d'observations qui ne sont pas correctement expliquées par les modèles physiques actuels. Ceux-ci peuvent être simplement des indications de l'incomplétude des théories actuelles. Il est reconnu que l' unification n'a pas encore été accomplie, ce qui peut laisser présager des problèmes fondamentaux avec les paradigmes scientifiques actuels . Que ce soit le signe avant-coureur d'une révolution scientifique à venir ou si ces observations donneront lieu à des améliorations futures ou se révéleront erronées reste à déterminer. Une brève liste de ces observations encore insuffisamment expliquées comprend des observations impliquant l'existence de matière noire , des observations impliquant l'existence d' énergie noire , l'asymétrie matière-antimatière observée , le paradoxe GZK , le paradoxe de la mort thermique et le paradoxe de Fermi .
Voir également
Les références
- Bondi, Hermann (1980). Relativité et bon sens . Publications de Douvres. p. 177 . ISBN 0-486-24021-5.
- Geroch, Robert (1981). Relativité Générale de A à B . Presse de l'Université de Chicago. p. 233. ISBN 0-226-28864-1.
- Gott, J. Richard (2002). Voyage dans le temps dans l'univers d'Einstein . Livres marins. p. 291 . ISBN 0-395-95563-7.
- Gamow, George (1993). Mr Tompkins dans Paperback (éd. de réédition). La presse de l'Universite de Cambridge. p. 202. ISBN 0-521-44771-2.
- Feynman, Richard P. (1988). CQFD : L'étrange théorie de la lumière et de la matière . Presse de l'Université de Princeton. p. 176 . ISBN 0-691-02417-0.
- Ford, Kenneth W. et Paul Hewitt (2004). Le monde quantique : la physique quantique pour tous . Presse de l'Université Harvard. p. 288 . ISBN 0-674-01342-5.
- Tributsch, Helmut (2015). Irrationalité dans la nature ou dans la science ? Sonder un monde rationnel de l'énergie et de l'esprit . CeateSpace. p. 217. ISBN 978-1514724859.