维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/112-1/物理悖论
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一个物理悖论是一个对宇宙的物理描述中明显的矛盾。虽然有一些物理悖论已经有被广为接受的解答，但另一些没有明确解答且可能暗示物理理论缺陷。就像其他所有科学，在物理学中矛盾和悖论被视为错误与不完整的，因为现实是被哲学性的假设成拥有完全一致性 (逻辑)的。像在量子力学和相对论的理论中，现实的假设被证明已经不合理时，通常解决方式是改变对现实的理解而使用一个全新、可以在新证据的存在下自洽的全新理解。
与错误假设相观的悖论
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某些物理悖论违反了常理对物理现象的预测。某些情况下，这是现代物理学在远远超出日常经验的情况下正确描述自然世界的结果。举个例子，狭义相对论有两个与传统逻辑冲突的矛盾:双胞胎悖论和阶梯悖论。这些矛盾都涉及了违背常理中对时间和空间的假设。特别是两个悖论都使用了时间膨胀和长度收缩造成的的影响以创造看似相互矛盾的情况。事实显示狭义相对论中的基本公理:在所有参考系中光速是不变量，这使得相对同时和绝对时空等概念在完全不同的参考系中是不适用的。
另一个与相对论相关的悖论是Supplee's paradox，它似乎描述了两个不可调和的参考系。假设该问题在狭义相对论中得到很好的解决，但由于该效应发生在具质量的物体和流体，因此广义相对论的影响是不可忽视的。在正确的假设下，解方其实就是重申等效原理。
巴比涅原理是对简单的预测冲突的悖论，在衍射极限下从光束去除的辐射量等于横截面面积的两倍。这是因为有两个独立的过程可以等量地从光束中去除辐射:吸收(光学)和衍射。
同样地，存在一些物理悖论源自一个或多个不正确的假设。统计力学中吉布斯悖论在计算混合熵时产生了明显的矛盾。如果没有适当考虑理想气体中粒子是不可区分的假设，则计算出来的熵就不是一个好的广泛变数(内含及外延性质)。
奥伯斯悖论显示恒星分布均匀的无限宇宙必然导致天空像恒星一样明亮。现实中观测到的星空当然是黑暗的，这可以透过说明两个假设中其一不正确来解决。这个悖论有时候被用来论证宇宙论原则中假设各向同性的宇宙在范围上必然是有限的，但事实证明有其他方法修改原假设，允许了其他解决方案。
姆潘巴现象显示，在某些情况下，热水会比冷水结冰得更快，即使它在结冰过程中必须经过与冷水相同的温度。这似乎违反了冷却定律，但实际上是由于非线性系统效应对冷冻过程的影响。只有水的温度会影响冻结是错误的假设。
与非物理性的数学理想化相关的悖论
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一个常见的悖论发生原因是数学的理想化，例如点源，它们在宇宙或全球尺度时很好地描述了物理现象，但在点(奇点(数学))本身时反而被打破了。这些悖论有时被视为与芝诺悖论有关，芝诺悖论通常与空间和时间相关的连续性、无穷小和无穷大等数学性质的物理表现有关。例如， 点电荷位置上点电荷造成的电场是无限大的这个悖论明显造成的结果是点电荷的电场被限制在特定的狄拉克δ函数上。这个在数学上不够漂亮但在物理上有用的概念允许有效地计算相关的物理条件且同时方便地回避了在无限小定义点上时实际发生的事情:一个物理学至今无法回答的哲学问题。幸运地，一致的量子电动力学理论完全消除了对无穷小点电荷的需求。
在广义相对论中也有类似的情况。与描述黑洞几何形状的史瓦西解相关的引力奇点。 引力奇点的时空曲率是无限的，这同时也显示了该理论没有描述此时的物理条件。人们希望透过一致的量子引力来找到这个悖论的解决方法，但我们至今仍不太了解量子引力理论。这个悖论造成的其中一个后果是，在宇宙的假定起点(详见大爆炸)发生的相关奇点没有被物理学充分描述。在奇点的理论被更进一步外推前量子力学效应在普朗克时代变得很重要，若无一致的理论就不可能有关于与宇宙相关的物理条件得有意义的描述。
另一个数学理想化造成的悖论是达朗贝尔的流体力学悖论。当计算穿过物理的二维、不可压缩、不旋转、无黏性稳态流动中的力时是没有阻力的。这与对这种流动状态的观察结果互相矛盾，但事实证明，严格满足上述所有条件的流体在物理上是不可能的，必须考虑涉及边界层的解决方案才能正确考虑组力效应。
量子力学悖论
[编辑]一系列重要的物理悖论与观察者在量子力学中的特殊性有关。
其中最有名的三个悖论:
它们都提出了与讨论正确的量子力学诠释有关的思想实验。
这些思想实验试图利用从量子力学的哥本哈根诠释中得出的原理来得出看似矛盾的结论。就薛丁格的猫而言，这表现出一种看似荒谬的形式。
一只猫被放在一个盒子里，用一个被设计会在适当操作下杀死猫的量子机械开关密封起来，在盒子里，猫被描述为同是处在"死"与"活"的状态的量子叠加态，尽管打开盒子可以有效地将猫的波函数坍缩成两种状态的其中之一。而在EPR悖论的条件下，量子纠缠似乎允许资讯在超越光速的速度下传输，然而这违反了狭义相对论。与EPR悖论相关的是量子伪心灵感应现象，在这个现象中，被阻止交流的各方确实法完成了似乎需要直接接触的任务。
许多人认为这些悖论的解决方案在哲学上不够令人满意，因为它们取决于观察与测量的具体含意，或者在思想实验中充当观察者的具体含意。在现实的物理意义上，无论以何种方式定义这两个术语结果都是一样的。对猫给定的任何观察都会产生一只死猫或活猫;叠加是计算预期结果的必要条件，但其本身永远是不可观察的。同样地，EPR悖论也无法以超过光速的速度传递资讯，尽管被测量的量子纠缠可观察物看似暂态守恒，但事实证明，利用这种效应在物理上是不可能的。而为甚么存在暂态守恒则是关于正确的量子力学诠释。
将广义相对论与量子力学相结合的量子引力推测理论有其自身的相关悖论。这些悖论被普遍认为是缺乏将两种公式结合在一起的一致性物理模型相关的产物。其中一个悖论是黑洞资讯悖论，这个悖论指出理论上的霍金辐射导致黑洞蒸发时，与落入黑洞的粒子相关的资讯是不守恒的。2004年时，史蒂芬·霍金声称对这个问题有一个可行的解决方案，但细节尚未公布，霍金辐射的推测性质意味尚不清楚这种悖论是否与物理现实有关。
因果关系悖论
[编辑]在涉及时间之箭和因果关系的物理学领域中也有一系列的类似悖论。其中之一是时间悖论，涉及闭合的时间回圈中因果关系的特殊性质。在最粗略的概念中，这个悖论涉及一个人回到过去并谋杀了一个还没有机会生育的祖先。时间旅行到过去的推测性质意味著悖论没有达成一致的解决方案，甚至也不清楚爱因斯坦方程式中物理上可能的解决方案是否允许满足悖论所需的条件。 然而，对于这个悖论的可能解决方案有两个常见的解释，它们和量子力学悖论的解释有些许相似性在所谓的自洽解决方案中，现实的建构方式是决定论的，意即此种悖论已经被决定注定无法发生。 这虽然让自由主义者感到不满意，但对哲学自然主义者来讲是相当令人满意的。另一方面，多世界诠释和平行宇宙论的概念有时允许可能的世界线不断分裂成许多不同的多元现实。这意味著任何回到过去的人都必然会进入一个不同的平行宇宙，这个平行宇宙与时间旅行的时间线不同。
另一个与时间的因果关系和单向性相关的悖论是洛施密特悖论，它提出了一个问题:时间可逆的微观过程如何产生时间不可逆的熵递增。涨落定理严格地提出了这个悖论部分的解决方案，它依赖于仔细追踪时间的平均量，以阐明从统计力学的角度来看，熵增加的可能性远大于减少的可能性。然而，如果不对初始边界条件做出假设，则涨落定理应同样适用于反方向，预测当前处于低熵状态的系统过去更有可能处于较高的熵状态，这与通常时间反演状态下由非平衡状态进入平衡状态的情况相矛盾。因此，作为洛施密克悖论核心的热力学的整体不对称性仍然没有被涨落定理解决。绝大多数的物理学家认为热力学的时间箭头只能透过诉诸大爆炸后不久的低熵条件来解释，尽管对大爆炸本身的低熵解释仍存在争议。
观测悖论
[编辑]另一系列物理悖论是基于一系列观察结果，这些观察结果无法用当前的物理模型充分解释。这些可能是当前理论不够完备的迹象。人们发觉，大统一理论尚未完成，这可能暗示了目前科学范式的根本问题。这是否预示著一场科学革命即将到来，或者这些观察结果是否会在未来得到修正或被发现是错误的，还有待确认。这些尚未充分解释的观测结果包括:暗示暗物质存在的观测、暗示暗能量存在的观测，观察到的物质-反物质的不对称性、GZK悖论、热寂悖论和费米悖论。
相关条目
[编辑]参考资料
[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
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