المفارقة الفيزيائية

المفارقة الفيزيائية هي تناقض ظاهري في الأوصاف الفيزيائية للكون . وبينما وُجدت حلول مقبولة للعديد من المفارقات الفيزيائية، فإن بعضها الآخر عصيّ على الحل، وقد يشير إلى وجود خلل في النظرية . في الفيزياء ، كما في جميع العلوم، يُفترض عمومًا أن التناقضات والمفارقات ناتجة عن أخطاء ونقص في الفهم ، لأن الواقع يُفترض أنه متسق تمامًا ، مع أن هذا في حد ذاته افتراض فلسفي. عندما يتبين، كما في مجالات مثل فيزياء الكم ونظرية النسبية ، أن الافتراضات القائمة حول الواقع غير صحيحة، يُعالج هذا الأمر عادةً بتغيير فهمنا للواقع إلى فهم جديد يظل متسقًا مع نفسه في ظل الأدلة الجديدة.

تُخالف بعض المفارقات الفيزيائية التوقعات المنطقية الشائعة حول الأوضاع الفيزيائية. في بعض الحالات، يكون هذا نتيجةً لوصف الفيزياء الحديثة للعالم الطبيعي بدقة في ظروفٍ تتجاوز بكثير نطاق التجربة اليومية. على سبيل المثال، لطالما أسفرت النسبية الخاصة عن مفارقتين شائعتين: مفارقة التوأم ومفارقة السلم . تتضمن كلتا المفارقتين تجارب فكرية تتحدى الافتراضات المنطقية الشائعة حول الزمان والمكان . على وجه الخصوص، تُستخدم تأثيرات تمدد الزمن وانكماش الطول في كلتا المفارقتين لخلق أوضاع تبدو متناقضة. يتضح أن الفرضية الأساسية للنسبية الخاصة، وهي أن سرعة الضوء ثابتة في جميع الأطر المرجعية، تستلزم عدم انطباق مفاهيم مثل التزامن والزمن المطلق عند مقارنة أطر مرجعية مختلفة جذريًا.

من المفارقات الأخرى المرتبطة بنظرية النسبية مفارقة سوبلي ، التي تبدو وكأنها تصف إطارين مرجعيين غير قابلين للتوفيق. في هذه الحالة، يُفترض أن المسألة محددة جيدًا في النسبية الخاصة، ولكن نظرًا لأن التأثير يعتمد على الأجسام والسوائل ذات الكتلة، فإنه يجب مراعاة تأثيرات النسبية العامة . وبافتراض صحة هذه الافتراضات، فإن الحل في الواقع هو إعادة صياغة لمبدأ التكافؤ .

تكمن مفارقة بابينيه في أنه خلافًا للتوقعات الساذجة، فإن كمية الإشعاع المُزال من حزمة ضوئية في حد الانعراج تساوي ضعف مساحة المقطع العرضي . ويعود ذلك إلى وجود عمليتين منفصلتين تُزيلان الإشعاع من الحزمة بكميات متساوية: الامتصاص والانعراج .

وبالمثل، توجد مجموعة من المفارقات الفيزيائية التي تعتمد بشكل مباشر على افتراض واحد أو أكثر غير صحيح. فمفارقة جيبس ​​في الميكانيكا الإحصائية تُنتج تناقضًا ظاهريًا عند حساب إنتروبيا الخلط. فإذا لم يُؤخذ في الاعتبار افتراض أن الجسيمات في الغاز المثالي غير قابلة للتمييز، فإن الإنتروبيا المحسوبة لا تُعدّ متغيرًا شاملًا كما ينبغي.

تُظهر مفارقة أولبرز أن كونًا لانهائيًا بتوزيع منتظم للنجوم يؤدي بالضرورة إلى سماء ساطعة كالنجم. ويمكن تفسير سماء الليل المظلمة المرصودة بطريقة أخرى، وهي أن أحد الافتراضين خاطئ. وقد استُخدمت هذه المفارقة أحيانًا للقول بأن الكون المتجانس والمتناحي، كما يقتضيه المبدأ الكوني، محدود بالضرورة في امتداده، ولكن اتضح أن هناك طرقًا أخرى لتخفيف هذه الافتراضات، مما يسمح بحلول بديلة.

تكمن مفارقة مبيمبا في أنه في ظل ظروف معينة، يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يمر بنفس درجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجمد. قد يبدو هذا مخالفًا لقانون نيوتن للتبريد، ولكنه في الواقع ناتج عن تأثيرات غير خطية تؤثر على عملية التجمد. إن افتراض أن درجة حرارة الماء وحدها هي التي تؤثر على التجمد غير صحيح.

تؤدي التبسيطات الرياضية المستخدمة في التقريبات إلى مفارقات إذا تجاوزت نطاق صلاحيتها. على سبيل المثال، تصف المصادر النقطية الظواهر الفيزيائية بدقة على نطاقات بعيدة أو عالمية ، لكنها تفشل عند النقطة نفسها. تُعتبر هذه المفارقات أحيانًا مرتبطة بمفارقات زينون ، التي تتناول جميعها المظاهر الفيزيائية للخصائص الرياضية للاستمرارية ، والمتناهيات في الصغر، واللانهايات ، والتي غالبًا ما ترتبط بالمكان والزمان . على سبيل المثال، لا يُعرَّف المجال الكهربائي المرتبط بشحنة نقطية عند موقعها. وهذا يعكس حدود تقريب نظرية المجال الكلاسيكية. تُغني نظرية متسقة للديناميكا الكهربائية الكمومية عن الحاجة إلى الشحنات النقطية تمامًا.

وبالمثل، فإن النسبية العامة ، وهي نظرية حقل كلاسيكية أخرى، تتضمن تفردًا جاذبيًا مرتبطًا بحل شوارزشيلد الذي يصف هندسة الثقب الأسود . انحناء الزمكان عند هذا التفرد غير مُحدد، لكن النظرية التقريبية تتنبأ بأن الجسيم الساقط يجب أن يصل إليه خلال فترة زمنية محددة . ويُؤمل أن يُكتشف حل هذه المفارقة من خلال نظرية متسقة للجاذبية الكمومية . كما يُشكل وجود التفردات النسبية إشكالية في نظرية الانفجار العظيم . فقبل إمكانية استقراء التفرد نظريًا، تُصبح التأثيرات الكمومية ذات أهمية بالغة خلال حقبة بلانك . وبدون نظرية متسقة، لا يُمكن التوصل إلى أي استنتاج ذي معنى حول الظروف الفيزيائية المرتبطة بالكون وهو يقترب من هذه المرحلة.

من المفارقات الأخرى الناتجة عن التبسيط الرياضي مفارقة دالمبير في ميكانيكا الموائع . فعند حساب القوى المصاحبة لتدفق ثنائي الأبعاد ، غير قابل للانضغاط ، غير دوراني ، وغير لزج ، ومستقر عبر جسم ما، لا توجد مقاومة . إلا أن هذه الشروط لا تنطبق على معظم الأنظمة الفيزيائية، باستثناء الموائع الفائقة التي تتحرك بسرعة أقل من سرعة لاندو الحرجة. وتعمل النماذج الرياضية الأكثر عمومية دون بعض أو كل هذه الافتراضات، مما يفسح المجال لحلول أكثر دقة تتضمن الطبقات الحدية .

ترتبط مجموعة كبيرة من المفارقات الفيزيائية بالموقع المتميز للمراقب في ميكانيكا الكم . اثنتان من هذه المفارقات هما:

1. مفارقة إي بي آر و
2. مفارقة قطة شرودنغر ،

تزعم هذه التجارب الفكرية أنها تستخدم مبادئ من ميكانيكا الكم للتوصل إلى استنتاجات تبدو متناقضة.

في حالة قطة شرودنغر، يتخذ هذا شكلاً من أشكال العبث الظاهري.

وُضِعَت قطة في صندوق مُغلق عن الأنظار، مزود بمفتاح ميكانيكي كمومي مُصمم لقتل القطة عند تفعيله بشكل صحيح. وُصِفَت القطة داخل الصندوق بأنها في حالة تراكب كمومي بين حالتي "الموت" و"الحياة"، إلا أن فتح الصندوق يُؤدي فعلياً إلى انهيار دالة الموجة الخاصة بالقطة إلى إحدى هاتين الحالتين.

في حالة مفارقة إي بي آر ، يبدو أن التشابك الكمومي يسمح باستحالة نقل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء ، مما ينتهك النسبية الخاصة . ويرتبط بمفارقة إي بي آر ظاهرة التخاطر الكمومي الزائف، حيث تتمكن أطراف ممنوعة من التواصل من إنجاز مهام تبدو وكأنها تتطلب اتصالاً مباشراً.

تنشأ هذه المفارقات عند تفسير ميكانيكا الكم تفسيراً خاطئاً. ^{[ 1 ] : 5} على سبيل المثال، لا تدّعي ميكانيكا الكم تمثيل "قطة". إنما تمثل احتمالات وقوع أحداث محددة؛ إذ يمكنها التنبؤ باحتمالية بقاء القطة على قيد الحياة عند فتح الصندوق. ^{[ 2 ]} وبالمثل، فإن مفارقة إي بي آر هي نتيجة للتفكير في "جسيمين" مختلفين. ^{[ 1 ] : 169}

تُعاني النظريات التخمينية للجاذبية الكمومية، التي تجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم، من مفارقات خاصة بها، يُعتقد عمومًا أنها ناتجة عن غياب نموذج فيزيائي متسق يربط بين هذين المفهومين. ومن هذه المفارقات مفارقة معلومات الثقب الأسود ، التي تُشير إلى أن المعلومات المرتبطة بجسيم يسقط في ثقب أسود لا تُحفظ عندما يتسبب إشعاع هوكينغ النظري في تبخر الثقب الأسود.

تظهر مجموعة من المفارقات المشابهة في مجال الفيزياء، تتعلق بسهم الزمن والسببية . إحدى هذه المفارقات، مفارقة الجد ، تتناول الطبيعة الغريبة للسببية في الحلقات الزمنية المغلقة . في أبسط صورها، تنطوي المفارقة على شخص يسافر عبر الزمن ويقتل أحد أسلافه الذي لم تتح له فرصة الإنجاب بعد. إن الطبيعة التخمينية للسفر عبر الزمن إلى الماضي تعني أنه لا يوجد حل متفق عليه لهذه المفارقة، بل إنه ليس من الواضح حتى وجود حلول فيزيائية ممكنة لمعادلات أينشتاين تسمح بتحقيق الشروط اللازمة لحدوثها. مع ذلك، هناك تفسيران شائعان لحلول محتملة لهذه المفارقة، وهما متشابهان في مضمونهما مع تفسيرات مفارقات ميكانيكا الكم. في ما يُسمى بالحل المتسق ذاتيًا ، يُبنى الواقع بطريقة تمنع حدوث مثل هذه المفارقات بشكل حتمي . تُثير هذه الفكرة استياء بعض أنصار حرية الإرادة ، رغم أنها تُرضي عدداً من الفلاسفة الطبيعيين . وبدلاً من ذلك، يُفترض أحياناً أن مفهوم الأكوان المتعددة أو الأكوان المتوازية يسمح بتشعب مستمر للخطوط الزمنية الممكنة إلى وقائع بديلة متعددة. وهذا يعني أن أي شخص يسافر عبر الزمن سيدخل بالضرورة كوناً موازياً مختلفاً له تاريخ مختلف عن تاريخ سفره عبر الزمن.

من المفارقات الأخرى المرتبطة بالسببية وطبيعة الزمن أحادية الاتجاه مفارقة لوشميدت، التي تطرح السؤال التالي: كيف يمكن لعمليات دقيقة قابلة للانعكاس الزمني أن تُنتج زيادة غير قابلة للانعكاس الزمني في الإنتروبيا ؟ يُقدم حل جزئي لهذه المفارقة بشكل دقيق من خلال نظرية التقلبات ، التي تعتمد على تتبع الكميات المتوسطة زمنيًا بعناية لإثبات أنه من وجهة نظر الميكانيكا الإحصائية ، من المرجح أن تزداد الإنتروبيا أكثر من أن تنقص. مع ذلك، إذا لم تُوضع أي افتراضات حول الشروط الحدية الأولية، فينبغي أن تنطبق نظرية التقلبات بشكل مماثل في الاتجاه المعاكس، متوقعةً أن النظام الموجود حاليًا في حالة إنتروبيا منخفضة من المرجح أن يكون قد كان في حالة إنتروبيا أعلى في الماضي، وهو ما يتناقض مع ما يُلاحظ عادةً في طبقة معكوسة لحالة غير متوازنة تتجه نحو التوازن. وبالتالي، فإن عدم التناظر الكلي في الديناميكا الحرارية، والذي يُمثل جوهر مفارقة لوشميدت، لا يزال غير قابل للحل بواسطة نظرية التقلبات. ويعتقد معظم الفيزيائيين أن سهم الزمن في الديناميكا الحرارية لا يُمكن تفسيره إلا باللجوء إلى ظروف انخفاض الإنتروبيا بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة ، على الرغم من أن تفسير انخفاض إنتروبيا الانفجار العظيم نفسه لا يزال محل نقاش.

تستند مجموعة أخرى من المفارقات الفيزيائية إلى مجموعات من الملاحظات التي لا تستطيع النماذج الفيزيائية الحالية تفسيرها بشكل كافٍ. قد تكون هذه مجرد مؤشرات على عدم اكتمال النظريات الحالية. من المسلّم به أن التوحيد لم يتحقق بعد، مما قد يشير إلى مشاكل جوهرية في النماذج العلمية الحالية . يبقى أن نرى ما إذا كان هذا نذيرًا لثورة علمية قادمة، أو ما إذا كانت هذه الملاحظات ستخضع لتحسينات مستقبلية أو سيتبين أنها خاطئة. تتضمن قائمة مختصرة لهذه الملاحظات التي لم تُفسَّر بشكل كافٍ ملاحظات تشير إلى وجود المادة المظلمة ، وملاحظات تشير إلى وجود الطاقة المظلمة ، وعدم تناظر المادة والمادة المضادة الملحوظ ، ومفارقة GZK ، ومفارقة الموت الحراري ، ومفارقة فيرمي .

• قائمة المفارقات

• بوندي ، هيرمان (1980). النسبية والفطرة السليمة . منشورات دوفر. ص 177. ISBN  0-486-24021-5.
• جيروش، روبرت (1981). النسبية العامة من أ إلى ب . مطبعة جامعة شيكاغو. ص  233. ISBN 0-226-28864-1.
• جوت، ج . ريتشارد (2002). السفر عبر الزمن في كون أينشتاين . مارينر بوكس. ص 291. ISBN  0-395-95563-7.
• غاموف، جورج (1993). السيد تومبكينز في طبعة ورقية (  طبعة معاد إصدارها). مطبعة جامعة كامبريدج. ص  202. ISBN 0-521-44771-2.
• فاينمان ، ريتشارد ب. (1988). الكهروديناميكا الكمية: النظرية الغريبة للضوء والمادة . مطبعة جامعة برينستون. ص 176. ISBN  0-691-02417-0.
• فورد ، كينيث دبليو. وبول هيويت (2004). عالم الكم  : فيزياء الكم للجميع . مطبعة جامعة هارفارد. ص 288. ISBN  0-674-01342-5.
• تريبوتش، هيلموت (2015). اللاعقلانية في الطبيعة أم في العلم؟ استكشاف عالم عقلاني للطاقة والعقل . كريت سبيس. ص  217. ISBN 978-1514724859.

• أسئلة وأجوبة حول الفيزياء على يوزنت من جون بايز
• السفر عبر الزمن والفيزياء الحديثة