物理学におけるパラドックス

パラドックスとは何ですか?

逆説とは、合意された意見に反する命題です（ギリシャ語のpara「並行」とdoxa「意見」に由来）。
言い換えれば、パラドックスとは次のようなステートメントです。 2つの排他的な概念が含まれているため、私たちの感覚に反します。逆説は、何かが可能であることと不可能であることの両方を示す場合があります。物理学では、これは次のことを明らかにします 多くの場合、関係する現象の一貫した解釈を見つけることを私たちに強いる興味深い謎です。逆説は隠れることがあるので教育的です これまで知られていなかった現実の概念。
私たちの知識は少しずつ豊かになり、世界に対する認識、ひいてはその解釈も進化します。 特定のパラドックスは説明が見つかり、多くの場合複雑であり、もはや矛盾ではありません。しかし、多くのパラドックスはまだ説明されていません。
要約すれば、 逆説は、説明がない限り、矛盾または幻想のように見えます。

パラドックスとは何かを理解するために、明らかに矛盾を含む物理学の例をいくつか挙げます。
以下の物理現象 複雑さにも関わらず、できるだけシンプルに表現されています。この短いリストには特定の分類はなく、任意の形式で読み取ることができます。 注文。

• 闇夜のパラドックス
• 若き弱い太陽のパラドックス
• マクスウェルの悪魔
• フェルミのパラドックス
• パラドックス ゼノ著
• ムペンバ効果
• 茶葉のパラドックス
• 双子のパラドックス
• シュレーディンガーの猫
• 波動粒子の二重性
• おじいさんのパラドックス

画像: 古代ギリシャの哲学者にとって、逆説は重要な問題でした。数学と物理学の発展に伴い、一部の 問題を提起するパラドックスは新しい知識を生み出しました。

闇夜のパラドックス

ダークナイトパラドックスまたはオルバースパラドックスは、「なぜ夜は暗いのか?」という質問に答えようとします。
私たち一人一人は単純に認めることができます 暗い夜の原因は地平線の上に太陽がないことが原因だと考えられていますが、これは良い答えではありません。明らかに夜はいつもそうだった 黒。しかし、もし宇宙が空間と時間において無限であるとしたら、私たちがどの方向を見ても、私たちの視線は斜めを横切らなければなりません。 たとえ非常に遠い星であっても。したがって、空はどこにいても太陽のように明るく見えるはずです。しかし、夜は本質的に真っ暗であることがわかります。
解決するには この暗夜のパラドックスにより、私たちは宇宙の概念を完全に見直す必要がありました。

オルバースのパラドックスの物語の背後には、20 世紀末にいくつかの概念が出現した不穏な宇宙現実がありました。
- 宇宙にはありません 常に存在し、歴史があり、有限の年齢があります。
- 光の速度は限界速度であり、観測可能な宇宙は測定可能です。
- 星たち 年齢には限界があり、したがって寿命があります。したがって、彼らの光源は一時的なものです。
- 観測可能な宇宙は加速膨張中です。空はどんどん暗くなっていきます なぜなら、遠くの銀河から来る光はますます赤方偏移するからです（ドップラー効果）。
解決するにはこれらすべての仮説を統合する必要があります 闇夜のパラドックス！

画像: 星には有限の年齢があり、したがって寿命があります。彼らの光源は短すぎて、その放射で空間を飽和させることができません。 クレジット: ステラリウムの画像

若き弱い太陽のパラドックス

若い太陽の弱い太陽光にもかかわらず、液体状態の水を必要とする生命に適した気候はどのようにして地球上に維持されたのでしょうか?
初めに 47億年前の太陽系の誕生以来、若い太陽は弱い熱核反応（〜70％）に関連する低い明るさしか持っていませんでした。 現在の明るさ)。このような明るさは、若い地球の表面に液体の海を維持するには不十分であり、完全に氷になっているはずです。 しかし、地質学的データは、地球形成の初期から液体の水と細菌の生命体が存在する暖かい地球の表面を示しています。そう思われるでしょう したがって、当時の地球は、若い太陽からの弱い太陽光にもかかわらず、すでに液体の水で覆われていました。
何が地球を維持できたのか その水は液体状態ですか？
確認するのが難しいいくつかの説明が提唱されています。

- 激しい火山活動によって生成された大気中の二酸化炭素濃度による温室効果により、地球は熱を保持できるようになりました。
- 地球のアルベド 表面は主に海洋で覆われていたため、宇宙への熱の反射は少なくなりました。
- 地熱エネルギーの放出 特定の放射性同位体の崩壊による熱により、若い地球は天然の核分裂炉を形成できたであろう。
- 月は 発生時には地球にはるかに近かったため、地球の熱を増加させる重大な潮汐効果が生じたであろう。
- 太陽は負けた しかし、原点における太陽のより大きな質量がより低い放射照度を補ったであろう。
謎はまだまだ続きます！

画像: シアノバクテリアは、サンゴ礁を構築できる最古の生命体です。少なくとも35億年前から存在している 若い太陽の明るさは弱いにもかかわらず。 7 億 5,000 万年前でさえ、太陽の明るさは 6% 低かった (当時の放射照度は 1280 W/m2 でした)。 現在では 1360.8 W/m2 の代わりに）。画像クレジット：ウィキメディア・コモンズ

マクスウェルの悪魔

James Clerk Maxwell は、分子スケールでドアで区切られた 2 つのコンパートメント (A と B) を持つ、ガスが入った箱を想像します。
悪魔がオープニングを命じる そして分子の速度に応じてドアが閉まります。
悪魔は、遅い分子をコンパートメント B からコンパートメント A に通過させます (したがって、より多くの分子が通過します) 冷たさ）、コンパートメント A の分子の平均速度よりも速く、分子を B の平均速度よりも速く（したがってより熱く） A から B に通過させます。

この思考実験では、B の温度は上昇し、A の温度は低下しました。
そこでマクスウェルの悪魔は、人が戻ることを可能にするプロセスを提案する。 不均一な温度状態でエネルギーを消費することなく、システムのエントロピーは増加するだけであるという熱力学の第 2 法則に反します。 ここで系の総エントロピーを減少させます。
150 年にわたり、この矛盾は多くの研究と議論を生み出してきました。

画像: 温度は分子の二乗平均平方根速度に比例します。

フェルミのパラドックス

天の川銀河にある 1,000 億個の星系の中には、おそらく地球に似た惑星がたくさんあるでしょう。 1950年にエンリコが尋ねた質問 非公式な会話中のフェルミ (1901-1954) はこの観察に基づいています。
それで、彼らはどこにいるのでしょうか？
つまり、もし地球外文明があったとしたら 技術的に進歩しているので、彼らの代表者はすでにそこにいるはずです。
テクノロジーの出現以来、なぜ科学的証拠が検出されなかったのか（何も検出されなかった） 探査機、宇宙船、無線送信、痕跡なし）?
ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた超深遠の空（反対側の画像） 月の直径の10分の1を占めます。この非常に小さな領域には、約 10,000 個の銀河が存在します。したがって、私たちの地球には約20000億個の銀河が存在することになります。 観測可能な宇宙。
恒星の周りに惑星が存在することは比較的ありふれたことです。宇宙の各星の周りに惑星が 1 つだけあるとしたらどうなるでしょうか。 そうすれば、惑星の数は想像を絶するでしょう。

宇宙全体、あらゆる規模で同じように構造化されている自然が、私たちの惑星上でのみ生命への道を見つけたとしたら、驚くべきことでしょう。そこには 私たちが地球上で目にする生命の粘り強さは、それが宇宙のあらゆる場所に存在し、有利な状況が続くのを辛抱強く待っているという証拠ではないでしょうか。 その進化。
しかし、宇宙が誕生し、銀河が合体し、すべての化学元素が生成されるために星が滅び、システムが誕生するためには必要でした。 恒星は銀河の保護ゾーンで安定し、その結果、知的生命体が私たちの惑星、つまり 136 億 1 千万年後（地球の年齢）に出現します。 天の川）。そして、私たちは銀河を旅行できる技術レベルには程遠いのです。
実際には140億の期間がかかるため、 地球を離れることができる文明が出現するまでに何年もかかりましたが、パラドックスはなく、私たちが最初であるため孤独であると結論付けることができます。
「彼らはどこにいるのか」は今のところ矛盾したままです。

画像: フルノー星座 (3.1 x 3.1 分角) に位置する南天のこの非常に小さな領域には、約 10,000 個の銀河があります。
クレジット :NASA、ESA、S. ベックウィズ (STScI)

ゼノンのパラドックス

アキレスと亀のパラドックスでは、非常に足が速いと評判のギリシャの英雄アキレスが、亀と徒競走に出場します。
アキレスなら許してくれるだろう 亀に優しく100メートル前進してください。エレアのゼノン (紀元前 490 ～ 430 年) は、速いアキレスは決して亀に追いつくことはできなかったと主張します。
効果的に 一定時間が経過すると、アキレスは 100 メートルの遅れを取り戻し、カメのスタート地点に到着します。しかし、この間、カメは長い旅をしたことになります。 特定の距離、確かにはるかに短いですが、ゼロではありません、たとえば 1 メートルです。これには、アキレスが 1 メートル移動するのに追加の時間が必要であり、その間にカメは さらに1cm進めます。

これには、アキレスが 1 cm 移動するのに追加の時間が必要であり、その間にカメはさらに前進することになります。
だからアキレスがその場所に着くたびに カメがいる場所、カメは少し遠くに移動しました。
したがって、足の速いアキレスは決して亀に追いつくことはできません。
複雑な方法で、 現代の分析では、厳密に正の数の無限和が有限の結果に収束するという事実を利用して、このパラドックスが解決されています。

画像: 速いアキレスは決してカメに追いつけない。

ムペンバ効果

タンザニアの科学者エラスト・ムペンバ（1950-）は、料理の授業中に、冷凍庫に入れたホットミルクが、 すでに冷えている同じ準備よりも早くアイスクリームになります。
ダルエスサラーム（タンザニア）の物理学教授の協力を得て、彼は次の論文を出版した。 1969年にこの主題に対して行われた実験のデータ。
30年近くにわたって行われた実験では、熱湯の方が冷たくなることが観察されています。 冷水よりも早く。

この効果は体系的に観察されるのではなく、ある特定の条件下でのみ観察されます。
これは逆説的な現象ですが、特定の条件下では、 正確な理由がわからないまま、温水は冷水よりも早く凍ります。

画像: 初期温度 35°C (赤色) と 25°C (青色) で凍結するまで水温が低下します。 35℃の水は40分で凍りますが、 25℃の水は50分で凍ります。

茶葉のパラドックス

茶葉のパラドックスは、抽出した茶葉が端ではなく中心に向かって移動するという、容易に観察できる物理現象です。 カップの。
実際、ティースプーンでお茶を回した後、回転速度に比例した遠心力を生成すると、次のことがわかります。 茶葉はカップの中央に引き寄せられますが、私たちは茶葉が端まで平らなままであることを期待しています。
解決策はアルバート・アインシュタインによって与えられました (1879-1955) 川の蛇行の原因に関する 1926 年の記事で。
壁と接触している回転液体は摩擦力を受けます。この強さ 摩擦により、遠心力によって生成される回転角速度が遅くなる傾向があります。

したがって、中心に位置する液体は、中心に位置するゆっくりと回転する液体よりも速く回転し、より強く外側に引き寄せられます。 端。
2 つのお茶 (速いものと遅いもの) の位置が入れ替わります。速いボリュームは端に集まり、遅いボリュームは端に向かって移動します。 中心。
動画のように、最初は茶葉が端に向かって飛び出し、その後中央に戻っていきます。ボリュームたっぷりの茶葉を浴びる スローティーのお茶は二次循環をたどり、最終的にカップの中央に到達します。
茶葉が自然にカップの底に溜まってしまうのは、 その密度はお茶よりも大きいです。

画像: 遠心力にもかかわらず、茶葉はカップの端ではなく中心に向かって移動します。

双子のパラドックス

双子のパラドックスは、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論が矛盾していることを示すと思われる思考実験に由来しています。時空の概念 特殊相対性理論は非常に複雑なので、以下では (時空図なしで) 概略的に説明します。
双子の片方は往復する 宇宙空間では光速に近い速度で移動します。二人が再会すると、旅をしていた双子のほうが地球に残っていた双子よりも若くなっていた。
によると、 特殊相対性理論 測定された継続時間は相対的であり、測定された基準系に依存します。絶対的な現在はない、それぞれの基準枠 自分の時間がある。これは直観に反する考えですが、光の速さのため、出来事の同時性は存在しません。
双子の場合 地球の基準系では、時間はその時計によって測定される速度で経過します。ロケットの座標系の双子についても同じですが、時計は次のようになります。 非同期化します。走行する双子の時計はもう一方の時計より遅れますが、この遅れはロケットの移動速度によって決まります。つまり、「時間」 ロケットに対して等直線運動する地球上よりも、地球に対して等直線運動するロケットの中では「ゆっくりと通過する」。 ロケットの速度がどうであれ、地球に戻ったら、二人の双子は実際にはもう同じ年齢ではありません。
しかし、速度は相対的な概念です。
双子の場合 地球上では彼の基準枠 (地球) は動かないが、ロケットに乗った双子が一定の速度で遠ざかっていくのが見える。逆に、双子の場合は、 ロケットの基準フレーム (ロケット) は固定されています。遠ざかっていくのは地球です。
つまり、地球上にある双子の観点からは、動いているのはロケットであり、 ロケットが膨張する時間、それはスローモーションで動作するロケットの時計であり、したがって、ロケット内に位置する「劣化が少ない」双子の時計です。

ロケットの中にある双子の視点から見ると、それは地球が動いていることであり、それは地球が膨張する時間であり、地球上にある双子が「老化する」のである。 もっとゆっくり。"
私たちには視点が対称的に見えるのに、なぜ地球に帰還するロケットの双子のほうが双子よりも若いのでしょうか?
この矛盾の最も一般的な説明は、2 つのクロックのうちの 1 つが慣性基準系を変更したに違いないというものです。
実際、ロケットが基準枠内に留まる限り、 慣性を持っているが、ロケットの観点から見ると、それは確かに「老化が遅い」地球の双子です。でもロケットが回転すると対称性が破れて変化する 現時点では、それは「老化が遅い」ロケットの双子です。
Uターンにより視点（同時性の線）が移動しました。しかし 特殊相対性理論では、2 つの基準系間の出来事の同時性は存在しないため、2 人の双子の年齢を比較することはできません。それらを比較するには 同じ視点、同じ時空の点、同じ参照枠、同じ特定の時間でそれらを見るためには、それらが一緒に集められるまで待たなければなりません。
その場合、最も適切な時間は、基準座標系を変更していない双子の時間となり、彼は確かに最年長です。時空での軌道は最大化されました 直線が距離を最小化するのと同じように、その世界線の適切な時間を表します。
クロックオフセットは実験的に観察された実際の現象です 1991 年に、ジョゼフ・ハーフェレとリチャード・キーティングという 2 人の物理学者が、同期した原子時計を 2 台の飛行機で地球を 2 周して移動させました。 同期した原子時計が地球上に残っている間に、1 機の飛行機は東へ、もう 1 機は西へ向かいました。到着すると、時計は実際に表示されました 理論によって予測される時間シフト (限定的および一般的)。
双子のパラドックスはもはやパラドックスではありません!

画像: 双子のパラドックスは、1911 年のボローニャ会議でポール ランジュバン (1872-1946) によって発表されました。特殊相対性理論によれば、影響を受けない物体は 一定の速度で直線に進む力はありません。したがって、2 つの慣性座標系 (地球とロケット) は常に 1 つずつ等速直線運動をしています。 他者との関係。時空では、ロケットは地球に帰還するため、等速直線運動をすることはできません。したがって、慣性座標系が変更されました。 2 人の双子の年齢を比較するには、同じ視点から見るために時空の同じ点で再会するまで待たなければなりません。

シュレーディンガーの猫

量子事象の中には、観測されたからこそ起こるものもあります。それを見る人がいなければ、それらは存在しないでしょう。これこそが経験の意味なのです 「シュレディンガーの猫」の。
1935 年、エルヴィン シュレディンガー (1887 ～ 1961) は、箱に閉じ込められた現実世界の猫を使った思考実験を想像しました。で この箱は、量子世界からの放射性同位体の崩壊を検出するとすぐに動物を殺す装置です。量子の世界では、放射性原子は、 たとえば、無傷と崩壊などの 2 つの重ねられた状態で存在します。
量子力学によれば、観測が行われるまで、原子は同時に存在します。 たとえば、無傷と崩壊の 2 つの状態。
しかし、極悪非道のメカニズムは猫の状態と放射性粒子の状態を結びつけます。つまり、猫は同時に 箱を開けるまでは死んでも生きていても。

観察によって 2 つの状態の間で選択が行われるため、箱を開ける前に猫が死んでいるか生きているかを判断することは絶対にできません。
私たちの脳 巨視的オブジェクトのこの種の状況を受け入れる準備ができていないため、ここに矛盾が存在します。
この重ね合わせ状態は世界に存在しない 本物。主な問題は、量子物理学では、古典物理学で記述される巨視的レベルではまったく未知の重ね合わせ状態が許容されることです。
説明 は量子デコヒーレンスの理論によって与えられます。
古典物理学の物体（車、猫など）は物理学で記述される原子で構成されていますが、 量子は、環境や他の何十億もの原子と相互作用しています。重ね合わされた状態の急速な消失を引き起こすのは、これらの相互作用です。

サイト普及動画すべては量子である量子状態の重ね合わせの表現 そして量子デコヒーレンス。

波動粒子の二重性

非常に小さな世界、つまり粒子（電子、光子、陽子、原子など）の世界には、脳を含む私たちの感覚を通してアクセスすることはできません。
画像はありません、何もありません 解釈は量子世界の現実を表すことはできません。私たちの言語の言葉でさえ、量子現象を説明するのに近似しています。
力学において 量子的には、粒子は微粒子であると同時に波動でもあるようです。これは量子物理学の唯一の奇妙な点ではなく、その他の点でも同様です（重ね合わせ） 量子、量子もつれ、さらには非局所性など) がここから生じます。
この主張が私たちに伝えていることは、どんな素粒子も見ることができるということです。 具体的な固体のようなものであると同時に、抽象的な概念である波のようなものでもあります。
そこにはパラドックスがあります！
粒子の状態は知識体系を表す (速度、角運動量、位置、エネルギーなど)、実験的な測定を行えば、粒子について得ることができます。
それで、何を見てみましょう ヤング突進と呼ばれる有名な実験について説明します (この実験を現代的な方法で説明している反対側のビデオを参照してください)。

1 - 2 つのスリットのある壁に微粒子 (固体) を送り込むと、各微粒子はどちらか一方のスリットを通過し、四方八方に跳ね返り、 衝撃点は、スロットの後ろなど、画面のほぼどこにでもマークされます。
2 - この同じ壁に波を送信すると、波は 2 つのスリットを通過し、 スリットを通過すると 2 つの小さな波が発生し、それらが重なり合い、ある場所では加算され、別の場所では打ち消し合い、干渉縞が形成されます。 画面に表示されます。
3 - 量子オブジェクトを送信すると、2 つのスリットを通過し、波のように干渉しますが、画面に当たると縮小します。 2 つの小さな波が加算される点で突然発生します。多数のテストの後、両方の影響が小体と同様に現れる そして波のような干渉縞。
4 - しかし、粒子がどのスリットを通過するかを知るために観測者を追加すると、波は減少します。 スリットで微粒子になり、一度に 1 つのスリットのみを通過します。次に、干渉ではなく、画面上の衝撃点を測定します。
観察者 彼の存在で経験が変わりました！

サイト普及動画すべては量子である。波動と粒子の二重性の現代的な解釈。 観察には粒子の状態を破壊する効果があります。

祖父のパラドックス

時間を超えて旅行することはできますか?
特殊相対性理論は理論的には未来への旅行を許可しますが、SF 作家は許可しません 奪わないでください。双子のパラドックスは、この未来への旅を表しています。
おじいさんのパラドックスは、旅行を禁止する時間的なパラドックスです。 過去。
なぜこれがパラドックスなのでしょうか?
タイムトラベラーが自分自身を過去に投影すれば、子供が生まれる前に祖父を殺すことができます。 子供たち。
そして、そこで私たちは矛盾を理解します。なぜなら、私たちの旅行者は決してこの世に生まれることができず、過去に戻ることができず、祖父を殺すことができなかったからです!!!

人は生まれることも、生まれないことも両方はできません。
物理学では因果律を破ることはできません。原因は常にその結果に先行し、結果は その原因を後戻りさせることはできません。言い換えれば、結果が原因より先に存在することはあり得ません。
おじいさんのパラドックスが初めて現れた気がする 1944 年のルネ・バルジャベル (1911-1985) の SF 小説『Le Voyageur imprudent』では、まさにこの形で描かれています。

画像: 祖父のパラドックス。物理学では因果律を破ることはできません。