维基百科:臺灣教育專案/臺大物理系服務學習/112-1/物理悖論
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一個物理悖論是一個對宇宙的物理描述中明顯的矛盾。雖然有一些物理悖論已經有被廣為接受的解答，但另一些沒有明確解答且可能暗示物理理論缺陷。就像其他所有科學，在物理學中矛盾和悖論被視為錯誤與不完整的，因為現實是被哲學性的假設成擁有完全一致性 (邏輯)的。像在量子力學和相對論的理論中，現實的假設被證明已經不合理時，通常解決方式是改變對現實的理解而使用一個全新、可以在新證據的存在下自洽的全新理解。
與錯誤假設相觀的悖論
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某些物理悖論違反了常理對物理現象的預測。某些情況下，這是現代物理學在遠遠超出日常經驗的情況下正確描述自然世界的結果。舉個例子，狹義相對論有兩個與傳統邏輯衝突的矛盾:雙胞胎悖論和階梯悖論。這些矛盾都涉及了違背常理中對時間和空間的假設。特別是兩個悖論都使用了時間膨脹和長度收縮造成的的影響以創造看似相互矛盾的情況。事實顯示狹義相對論中的基本公理:在所有参考系中光速是不變量，這使得相對同時和絕對時空等概念在完全不同的參考系中是不適用的。
另一個與相對論相關的悖論是Supplee's paradox，它似乎描述了兩個不可調和的参考系。假設該問題在狹義相對論中得到很好的解決，但由於該效應發生在具質量的物體和流體，因此廣義相對論的影響是不可忽視的。在正確的假設下，解方其實就是重申等效原理。
巴比涅原理是對簡單的預測衝突的悖論，在衍射極限下從光束去除的輻射量等於橫截面面積的兩倍。這是因為有兩個獨立的過程可以等量地從光束中去除輻射:吸收(光學)和衍射。
同樣地，存在一些物理悖論源自一個或多個不正確的假設。統計力學中吉布斯悖論在計算混合熵時產生了明顯的矛盾。如果沒有適當考慮理想氣體中粒子是不可區分的假設，則計算出來的熵就不是一個好的廣泛變數(內含及外延性質)。
奧伯斯悖論顯示恆星分布均勻的無限宇宙必然導致天空像恆星一樣明亮。現實中觀測到的星空當然是黑暗的，這可以透過說明兩個假設中其一不正確來解決。這個悖論有時候被用來論證宇宙論原則中假設各向同性的宇宙在範圍上必然是有限的，但事實證明有其他方法修改原假設，允許了其他解決方案。
姆潘巴现象顯示，在某些情況下，熱水會比冷水結冰得更快，即使它在結冰過程中必須經過與冷水相同的溫度。這似乎違反了冷卻定律，但實際上是由於非線性系統效應對冷凍過程的影響。只有水的温度會影響凍結是錯誤的假設。
與非物理性的數學理想化相關的悖論
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一個常見的悖論發生原因是數學的理想化，例如點源，它們在宇宙或全球尺度時很好地描述了物理現象，但在點(奇點(數學))本身時反而被打破了。這些悖論有時被視為與芝諾悖論有關，芝諾悖論通常與空間和時間相關的連續性、無窮小和無窮大等數學性質的物理表現有關。例如， 點電荷位置上點電荷造成的電場是無限大的這個悖論明顯造成的結果是點電荷的電場被限制在特定的狄拉克δ函數上。這個在數學上不夠漂亮但在物理上有用的概念允許有效地計算相關的物理條件且同時方便地迴避了在無限小定義點上時實際發生的事情:一個物理學至今無法回答的哲學問題。幸運地，一致的量子電動力學理論完全消除了對無窮小點電荷的需求。
在廣義相對論中也有類似的情況。與描述黑洞幾何形狀的史瓦西解相關的引力奇点。 引力奇點的時空曲率是無限的，這同時也顯示了該理論沒有描述此時的物理條件。人們希望透過一致的量子引力來找到這個悖論的解決方法，但我們至今仍不太了解量子引力理論。這個悖論造成的其中一個後果是，在宇宙的假定起點(詳見大爆炸)發生的相關奇點沒有被物理學充分描述。在奇點的理論被更進一步外推前量子力學效應在普朗克時代變得很重要，若無一致的理論就不可能有關於與宇宙相關的物理條件得有意義的描述。
另一個數學理想化造成的悖論是達朗貝爾的流體力學悖論。當計算穿過物理的二維、不可壓縮、不旋轉、無黏性穩態流動中的力時是沒有阻力的。這與對這種流動狀態的觀察結果互相矛盾，但事實證明，嚴格滿足上述所有條件的流體在物理上是不可能的，必須考慮涉及邊界層的解決方案才能正確考慮組力效應。
量子力學悖論
[编辑]一系列重要的物理悖論與觀察者在量子力學中的特殊性有關。
其中最有名的三個悖論:
它們都提出了與討論正確的量子力學詮釋有關的思想實驗。
這些思想實驗試圖利用從量子力學的哥本哈根詮釋中得出的原理來得出看似矛盾的結論。就薛丁格的貓而言，這表現出一種看似荒謬的形式。
一隻貓被放在一個盒子裡，用一個被設計會在適當操作下殺死貓的量子機械開關密封起來，在盒子裡，貓被描述為同是處在"死"與"活"的狀態的量子疊加態，儘管打開盒子可以有效地將貓的波函数坍缩成兩種狀態的其中之一。而在EPR悖論的條件下，量子糾纏似乎允許資訊在超越光速的速度下傳輸，然而這違反了狹義相對論。與EPR悖論相關的是量子偽心靈感應現象，在這個現象中，被阻止交流的各方確實法完成了似乎需要直接接觸的任務。
許多人認為這些悖論的解決方案在哲學上不夠令人滿意，因為它們取決於觀察與測量的具體含意，或者在思想實驗中充當觀察者的具體含意。在現實的物理意義上，無論以何種方式定義這兩個術語結果都是一樣的。對貓給定的任何觀察都會產生一隻死貓或活貓;疊加是計算預期結果的必要條件，但其本身永遠是不可觀察的。同樣地，EPR悖論也無法以超過光速的速度傳遞資訊，儘管被測量的量子糾纏可觀察物看似暫態守恆，但事實證明，利用這種效應在物理上是不可能的。而為甚麼存在暫態守恆則是關於正確的量子力學詮釋。
將廣義相對論與量子力學相結合的量子引力推測理論有其自身的相關悖論。這些悖論被普遍認為是缺乏將兩種公式結合在一起的一致性物理模型相關的產物。其中一個悖論是黑洞資訊悖論，這個悖論指出理論上的霍金輻射導致黑洞蒸發時，與落入黑洞的粒子相關的資訊是不守恆的。2004年時，史蒂芬·霍金聲稱對這個問題有一個可行的解決方案，但細節尚未公布，霍金輻射的推測性質意味尚不清楚這種悖論是否與物理現實有關。
因果關係悖論
[编辑]在涉及時間之箭和因果關係的物理學領域中也有一系列的類似悖論。其中之一是时间悖論，涉及閉合的時間迴圈中因果關係的特殊性質。在最粗略的概念中，這個悖論涉及一個人回到過去並謀殺了一個還沒有機會生育的祖先。時間旅行到過去的推測性質意味著悖論沒有達成一致的解決方案，甚至也不清楚爱因斯坦方程式中物理上可能的解決方案是否允許滿足悖論所需的條件。 然而，對於這個悖論的可能解決方案有兩個常見的解釋，它們和量子力學悖論的解釋有些許相似性在所謂的自洽解決方案中，現實的建構方式是決定論的，意即此種悖論已經被決定注定無法發生。 這雖然讓自由主義者感到不滿意，但對哲學自然主義者來講是相當令人滿意的。另一方面，多世界詮釋和平行宇宙論的概念有時允許可能的世界線不斷分裂成許多不同的多元現實。這意味著任何回到過去的人都必然會進入一個不同的平行宇宙，這個平行宇宙與時間旅行的時間線不同。
另一個與時間的因果關係和單向性相關的悖論是洛施密特悖論，它提出了一個問題:時間可逆的微觀過程如何產生時間不可逆的熵遞增。漲落定理嚴格地提出了這個悖論部分的解決方案，它依賴於仔細追蹤時間的平均量，以闡明從統計力學的角度來看，熵增加的可能性遠大於減少的可能性。然而，如果不對初始邊界條件做出假設，則漲落定理應同樣適用於反方向，預測當前處於低熵狀態的系統過去更有可能處於較高的熵狀態，這與通常時間反演狀態下由非平衡狀態進入平衡狀態的情況相矛盾。因此，作為洛施密克悖論核心的熱力學的整體不對稱性仍然沒有被漲落定理解決。絕大多數的物理學家認為熱力學的時間箭頭只能透過訴諸大爆炸後不久的低熵條件來解釋，儘管對大爆炸本身的低熵解釋仍存在爭議。
觀測悖論
[编辑]另一系列物理悖論是基於一系列觀察結果，這些觀察結果無法用當前的物理模型充分解釋。這些可能是當前理論不夠完備的跡象。人們發覺，大統一理論尚未完成，這可能暗示了目前科學範式的根本問題。這是否預示著一場科學革命即將到來，或者這些觀察結果是否會在未來得到修正或被發現是錯誤的，還有待確認。這些尚未充分解釋的觀測結果包括:暗示暗物質存在的觀測、暗示暗能量存在的觀測，觀察到的物質-反物質的不對稱性、GZK悖論、熱寂悖論和費米悖論。
相關條目
[编辑]參考資料
[编辑]- Bondi, Hermann. Relativity and Common Sense. Dover Publications. 1980: 177. ISBN 0-486-24021-5.
- Geroch, Robert. General Relativity from A to B. University Of Chicago Press. 1981: 233. ISBN 0-226-28864-1.
- Gott, J. Richard. Time Travel in Einstein's Universe. Mariner Books. 2002: 291. ISBN 0-395-95563-7.
- Gamow, George. Mr Tompkins in Paperback reissue. Cambridge University Press. 1993: 202. ISBN 0-521-44771-2.
- Feynman, Richard P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. 1988: 176. ISBN 0-691-02417-0.
- Ford, Kenneth W. and Paul Hewitt. The Quantum World : Quantum Physics for Everyone. Harvard University Press. 2004: 288. ISBN 0-674-01342-5.
- Tributsch, Helmut. Irrationality in Nature or in Science? Probing a Rational Energy and Mind World. CreateSpace. 2015: 217. ISBN 978-1514724859.
External links
[编辑]Category:Thought experiments in physics
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