物理的なパラドックス

物理的パラドックスは、宇宙の物理的記述における明らかな矛盾である。多くの物理的パラドックスは受け入れられた解決法があるが、解決が困難なものもあり、理論の欠陥を示している可能性がある。すべての科学と同様に物理学においても、矛盾やパラドックスは一般に誤りや不完全さから生じたものであると考えられている。なぜなら、現実は完全に一貫していると想定されているが、それ自体は哲学的な仮定である。量子物理学や相対性理論などの分野のように、現実についての既存の仮定が崩れることが示された場合、これは通常、現実についての理解を、新しい証拠があっても自己矛盾のない新しい理解に変更することによって対処されてきた。

ある種の物理的パラドックスは、物理的状況に関する常識的な予測に反する。場合によっては、これは現代物理学が日常の経験から大きく外れた状況における自然界を正しく記述した結果である。たとえば、特殊相対性理論は伝統的に、双子のパラドックスと梯子のパラドックスという 2 つの一般的なパラドックスを生み出してきた。これらのパラドックスは両方とも、時間と空間に関する従来の常識的な仮定に反する思考実験を伴う。特に、時間の遅れと長さの収縮の効果がこれらのパラドックスの両方で使用され、一見矛盾する状況が作り出されている。特殊相対性理論の基本公理である「光の速度はすべての参照フレームで不変である」には、同時性や絶対時間などの概念が根本的に異なる参照フレームを比較するときには適用できないことが求められることが判明している。

相対性理論に関連するもう 1 つのパラドックスは、両立しない2 つの基準フレームを説明しているように見えるサプリーのパラドックスです。この場合、問題は特殊相対性理論で適切に設定されていると想定されますが、効果は質量を持つ物体と流体に依存するため、一般相対性理論の効果を考慮する必要があります。正しい仮定をとると、解決は実際には等価原理を言い換える方法です。

バビネのパラドックスとは、単純な予想に反して、回折限界においてビームから除去される放射線の量は、断面積の2 倍に等しいというものです。これは、吸収と回折という、ビームから同量の放射線を除去する 2 つの別々のプロセスがあるためです。

同様に、1 つ以上の誤った仮定に直接依存する一連の物理的パラドックスが存在します。統計力学のギブスのパラドックスは、混合のエントロピーを計算するときに明らかな矛盾を生じます。理想気体内の粒子は区別できないという仮定が適切に考慮されていない場合、計算されたエントロピーは、本来あるべき 拡張変数ではありません。

オルバースのパラドックスは、星が均一に分布する無限の宇宙は、必然的に星と同じくらい明るい空につながることを示しています。観測された暗い夜空は、2 つの仮定のうちの 1 つが間違っていると述べることによって、別の方法で解決できます。このパラドックスは、宇宙論の原理によって要求される均質で等方的な 宇宙の範囲は必然的に有限であると主張するために時々使用されましたが、別の方法で仮定を緩和して代替の解決を可能にする方法があることが判明しました。

Mpemba パラドックスとは、特定の条件下では、凍結プロセス中に温水が冷水と同じ温度を通過する必要があるにもかかわらず、温水が冷水よりも速く凍結するというものです。これはニュートンの冷却法則に違反しているように見えますが、実際には凍結プロセスに影響を与える非線形効果によるものです。水温のみが凍結に影響を与えるという仮定は正しくありません。

数学的な理想化では、点源など、遠隔または全体的スケールでは物理現象をよく記述するが、点自体では機能しなくなるような一般的なパラドックスが発生する。これらのパラドックスは、ゼノンのパラドックスに関連していると見なされることもある。ゼノンのパラドックスはすべて、空間と時間によく関連する連続性、無限小、無限大という数学的特性の物理的現れを扱っている。たとえば、点電荷に関連する電場は、点電荷の位置では無限大である。この明らかなパラドックスの結果、点電荷の電場は、慎重に構築されたディラックのデルタ関数によって限定された意味でのみ記述できる。この数学的には洗練されていないが物理的に有用な概念により、関連する物理的条件を効率的に計算できると同時に、無限小に定義された点で実際に何が起こるかという哲学的な問題を都合よく回避できる。この質問は、物理学ではまだ答えられていない。幸い、量子電磁力学の一貫した理論により、無限小の点電荷はまったく必要なくなる。

同様の状況は、一般相対性理論において、ブラックホールの形状を記述するシュバルツシルト解に関連する重力特異点でも発生する。特異点における時空の曲率は無限大であり、これは、理論がこの時点での物理的状態を記述していないことを別の言い方で述べている。このパラドックスの解決が、これまで解明されていなかった量子重力の一貫した理論によって見つかるのではないかと期待されている。このパラドックスの結果、宇宙の想定される開始点（ビッグバンを参照）で発生した関連する特異点は、物理学では適切に記述されない。特異点の理論的外挿が行われる前に、プランク時代に量子力学的効果が重要になる。一貫した理論がなければ、この時点より前の宇宙に関連する物理的状態について意味のある説明はあり得ない。

数学的理想化によるもう 1 つのパラドックスは、流体力学のダランベールのパラドックスです。物体を横切る2 次元、非圧縮、非回転、非粘性の定常流れに関連する力を計算すると、抗力は発生しません。これは、このような流れの観察結果と矛盾していますが、結局のところ、すべての条件を厳密に満たす流体は物理的に不可能です。数学モデルは物体の表面で破綻するため、抗力効果を正しくモデル化するには、境界層を含む新しいソリューションを考慮する必要があります。

量子力学における観察者の特権的立場には、多くの重要な物理的パラドックスが関連しています。 そのうちの 2 つは次のとおりです。

1. EPRパラドックスと
2. シュレーディンガーの猫のパラドックス、

これらの思考実験は、量子力学の原理を使用して、一見矛盾する結論を導き出すと考えられています。

シュレーディンガーの猫の場合、これは一見不条理な形をとります。

猫は、適切に作動すると猫を殺すように設計された量子力学スイッチを備えた、観察から封印された箱に入れられます。箱の中にいる間、猫は「死んでいる」状態と「生きている」状態の量子重ね合わせ状態にあると説明されますが、箱を開けると、猫の波動関数は2 つの状態のいずれかに効果的に崩壊します。

EPR パラドックスの場合、量子もつれにより、光速よりも速く情報を伝送することは物理的に不可能となり、特殊相対性理論に反するように見えます。EPR パラドックスに関連しているのが量子疑似テレパシーという現象で、通信が妨げられている当事者が、直接の接触を必要とすると思われるタスクをなんとか達成することができます。

これらのパラドックスは、量子力学が誤って解釈されたときに発生します。^{[1] : 5}たとえば、量子力学は「猫」を表現していると主張していません。量子力学は特定のイベントの発生確率を表現します。箱を開けたときに生きている確率を予測できます。^[2]同様に、EPR パラドックスは、2 つの異なる「粒子」について推論した結果です。^{[1] : 169}

一般相対性理論と量子力学を組み合わせた量子重力の仮説理論には、2 つの定式化を統合する一貫した物理モデルが欠如していることから生じる産物であると一般に認められている独自のパラドックスがあります。そのようなパラドックスの 1 つがブラック ホール情報のパラドックスです。これは、理論上のホーキング放射によってブラック ホールが蒸発すると、ブラック ホールに落ちる粒子に関連する情報が保存されないことを指摘しています。

物理学では、時間の矢と因果関係に関わる領域でも、同様のパラドックスがいくつか発生している。そのうちの 1 つである「祖父のパラドックス」は、閉じた時間的ループにおける因果関係の特異な性質を扱っている。最も大まかな概念では、このパラドックスは、ある人物が過去へ旅して、まだ子孫を残す機会のなかった先祖を殺害するというものである。過去へのタイムトラベルは推測的な性質を持つため、このパラドックスの解決法については合意が得られておらず、パラドックスが満たされるために必要な条件を満たすアインシュタイン方程式の物理的に可能な解が存在するかどうかさえ明らかではない。しかし、このパラドックスの可能な解決法として、量子力学的なパラドックスの説明に似た趣を持つ 2 つの一般的な説明がある。いわゆる自己無撞着な解決法では、現実は、そのようなパラドックスの発生を決定論的に防ぐように構築されている。この考えは多くの自由意志の支持者を不安にさせるが、多くの哲学的自然主義者にとっては非常に満足のいくものである。^{[どの？ ]}あるいは、多世界理想化または並行宇宙の概念は、可能な世界線が多くの異なる代替現実に継続的に分裂することを可能にすると推測されることがある。これは、過去へ旅した人は誰でも、必然的に、タイムトラベルの時点から異なる歴史を持つ別の並行宇宙に入ることになるということを意味する。

因果関係と時間の一方向性に関連するもう 1 つのパラドックスは、時間可逆なミクロプロセスがどのようにして時間不可逆なエントロピーの増加を生み出すのかという疑問を提起するロシュミットのパラドックスです。このパラドックスの部分的な解決は、時間平均量を注意深く追跡し、統計力学の観点から、エントロピーは減少するよりも増加する可能性が高いことを示す変動定理によって厳密に提供されます。ただし、初期境界条件について仮定を行わない場合、変動定理は逆にも同様に適用され、現在低エントロピー状態にあるシステムは、過去には高エントロピー状態にあった可能性が高いと予測されます。これは、非平衡状態から平衡に向かう反転フィルムで通常見られるものとは矛盾しています。したがって、ロシュ​​ミットのパラドックスの核心である熱力学の全体的な非対称性は、ゆらぎ定理によってはまだ解決されていません。ほとんどの物理学者は、熱力学的な時間の矢印は、ビッグバン直後の低エントロピー状態に訴えることによってのみ説明できると考えていますが、ビッグバン自体の低エントロピーの説明は依然として議論されています。

さらに別の一連の物理的パラドックスは、現在の物理モデルでは適切に説明できない一連の観察に基づいています。これらは、現在の理論の不完全さを単に示している可能性があります。統一はまだ達成されていないことが認識されており、これは現在の科学的パラダイムの基本的な問題を示唆している可能性があります。これが今後の科学革命の前兆なのか、これらの観察が将来の改良によって改善されるか、誤りであることが判明するのかはまだわかりません。これらのまだ十分に説明されていない観察の簡単なリストには、暗黒物質の存在を示唆する観察、暗黒エネルギーの存在を示唆する観察、観察された物質-反物質非対称性、GZKパラドックス、熱死のパラドックス、フェルミのパラドックスが含まれます。

• パラドックスのリスト

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• ゴット、J. リチャード (2002)。アインシュタインの宇宙におけるタイムトラベル。マリナーブックス。p. 291。ISBN 0-395-95563-7。
• ガモフ、ジョージ (1993)。『ミスター・トンプキンス』ペーパーバック版（再版）。ケンブリッジ大学出版局。202 ページ。ISBN 0-521-44771-2。
• ファインマン、リチャード P. (1988)。QED : 光と物質の奇妙な理論。プリンストン大学出版局。p. 176。ISBN 0-691-02417-0。
• ケネス・W・フォード、ポール・ヒューイット（2004年）。『量子の世界：すべての人のための量子物理学』ハーバード大学出版局、288ページ。ISBN 0-674-01342-5。
• トリブッチ、ヘルムート（2015）。自然と科学の非合理性？合理的なエネルギーと精神の世界を探る。CreateSpace。p. 217。ISBN 978-1514724859。

• ジョン・バエズによるUsenet物理学FAQ
• タイムトラベルと現代物理学