Философия физики - Philosophy of physics

В философии , философия физика занимается концептуальными и интерпретационными проблемами в современной физике , многие из которых пересекаются с исследованиями , проведенных некоторыми видами физиков - теоретиков. Философию физики в общих чертах можно разделить на три области:

  • интерпретации квантовой механики : в основном касаются вопросов о том, как сформулировать адекватный ответ на проблему измерения и понять, что теория говорит о реальности
  • природа пространства и времени : являются ли пространство и время субстанциями или чисто относительными? Одновременность условна или только относительна? Может ли временная асимметрия сводиться к термодинамической асимметрии?
  • Межтеоретические отношения: отношения между различными физическими теориями, такими как термодинамика и статистическая механика . Это перекликается с проблемой научной редукции.

Философия пространства и времени

Существование и природа пространства и времени (или пространства-времени) являются центральными темами философии физики.

Время

Во многих философиях время рассматривается как изменение.

Время часто считается фундаментальной величиной (то есть величиной, которую нельзя определить в терминах других величин), потому что время кажется фундаментально основным понятием, так что его невозможно определить в терминах чего-то более простого. Однако некоторые теории, такие как петлевая квантовая гравитация, утверждают, что пространство-время возникает. Как сказал Карло Ровелли, один из основателей петлевой квантовой гравитации: «Больше никаких полей в пространстве-времени: только поля на полях». Время определяется измерением - его стандартным временным интервалом. В настоящее время стандарт временной интервал ( так называемый «обычный второй », или просто «второй») определяется как 9192631770 колебаний одного сверхтонкого перехода в 133 цезия атома . ( ISO 31-1 ). Что такое время и как оно работает, следует из приведенного выше определения. Затем время можно математически объединить с фундаментальными величинами пространства и массы для определения таких понятий, как скорость , импульс , энергия и поля .

И Ньютон, и Галилей , а также большинство людей вплоть до 20-го века считали, что время одинаково для всех и везде. Современная концепция времени основана на Эйнштейна «с теорией относительности и Минковского » s пространства - времени , в котором показатели времени запуска по- разному в различных инерциальных системах отсчета, а пространство и время объединяются в пространстве - времени . Время можно квантовать, при этом теоретическое наименьшее время порядка планковского времени . Общая теория относительности Эйнштейна, а также красное смещение света удаляющихся далеких галактик указывают на то, что вся Вселенная и, возможно, само пространство-время возникли около 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва . Специальная теория относительности Эйнштейна в основном (хотя и не всегда) сделала теории времени, в которых есть что-то метафизически особенное в настоящем, казались менее правдоподобными, поскольку зависимость времени от системы отсчета, похоже, не допускает идею привилегированного настоящего момента.

Путешествие во времени

Некоторые теории, в первую очередь специальная и общая теория относительности, предполагают, что подходящая геометрия пространства-времени или определенные типы движения в пространстве могут позволить путешествовать во времени в прошлое и будущее. Концепции, способствующие такому пониманию, включают замкнутую времениподобную кривую .

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (и, в более широком смысле, общая теория) предсказывает замедление времени, которое можно интерпретировать как путешествие во времени. Теория утверждает, что по сравнению с неподвижным наблюдателем время, кажется, течет медленнее для более быстро движущихся тел: например, движущиеся часы будут казаться медленными; когда часы приближаются к скорости света, кажется, что их стрелки почти перестают двигаться. Эффекты такого замедления времени далее обсуждаются в популярном « парадоксе близнецов ». Хотя эти результаты можно наблюдать экспериментально, неотъемлемым аспектом теории Эйнштейна является уравнение, применимое к работе спутников GPS и других высокотехнологичных систем, используемых в повседневной жизни.

Второй, похожий тип путешествий во времени разрешен общей теорией относительности . В этом типе удаленный наблюдатель видит время, идущее медленнее для часов на дне глубокого гравитационного колодца , а часы, опущенные в глубокий гравитационный колодец и отведенные назад, будут указывать на то, что прошло меньше времени по сравнению со стационарными часами, которые остались. с дальним наблюдателем.

Многие в научном сообществе считают, что путешествие в обратном направлении во времени крайне маловероятно, поскольку оно нарушает причинно-следственную связь, то есть причинно-следственную логику. Например, что произойдет, если вы попытаетесь вернуться в прошлое и убить себя на более раннем этапе своей жизни (или своего деда, что приводит к парадоксу дедушки )? Стивен Хокинг однажды предположил, что отсутствие туристов из будущего является сильным аргументом против существования путешествий во времени - вариант парадокса Ферми , с путешественниками во времени вместо пришельцев.

Космос

Пространство - одна из немногих фундаментальных величин в физике , а это означает, что его нельзя определить через другие величины, потому что в настоящее время не известно ничего более фундаментального. Таким образом, подобно определению других фундаментальных величин (таких как время и масса ), пространство определяется через измерение . В настоящее время стандартный космический интервал, называемый стандартным метром или просто метром, определяется как расстояние, проходимое светом в вакууме за промежуток времени 1/299792458 секунды (точно).

В классической физике пространство - это трехмерное евклидово пространство, в котором любое положение может быть описано с помощью трех координат и параметризовано по времени. Специальная и общая теория относительности использует четырехмерное пространство - время, а не трехмерное пространство; и в настоящее время существует множество умозрительных теорий, в которых используется более четырех пространственных измерений.

Философия квантовой механики

Квантовая механика является важным направлением современной философии физики, особенно в отношении правильной интерпретации квантовой механики. В широком смысле, большая часть философской работы, которая проводится в квантовой теории, пытается понять смысл суперпозиционных состояний: свойство, заключающееся в том, что частицы, кажется, не просто находятся в одном определенном положении в один момент времени, но находятся где-то «здесь», а также « там 'в то же время. Такой радикальный взгляд переворачивает с ног на голову многие метафизические идеи здравого смысла. Большая часть современной философии квантовой механики направлена ​​на то, чтобы разобраться в том, что очень успешный эмпирический формализм квантовой механики говорит нам о физическом мире.

Интерпретация Эверетта

Эвереттовская или многомировая интерпретация квантовой механики утверждает, что волновая функция квантовой системы сообщает нам утверждения о реальности этой физической системы. Он отрицает коллапс волновой функции и утверждает, что состояния суперпозиции следует интерпретировать буквально как описание реальности многих миров, в которых расположены объекты, а не просто указание на неопределенность этих переменных. Иногда это утверждают как следствие научного реализма , который утверждает, что научные теории стремятся дать нам буквально истинное описание мира.

Одним из вопросов для интерпретации Эверетта является роль, которую в этом отношении играет вероятность. Теория Эверетта полностью детерминирована, в то время как вероятность, по-видимому, играет неотъемлемую роль в квантовой механике. Современные эвереттианцы утверждали, что можно получить представление о вероятности, которое следует правилу Борна, с помощью определенных теоретических доказательств.

Физик Роланд Омнес отметил, что невозможно экспериментально провести различие между точкой зрения Эверетта, согласно которой волновая функция декогерентируется на отдельные миры, каждый из которых существует одинаково, и более традиционной точкой зрения, согласно которой декогерентная волновая функция оставляет только один уникальный реальный результат. Следовательно, спор между двумя взглядами представляет собой огромную пропасть. «Каждая характеристика реальности вновь проявилась в ее реконструкции с помощью нашей теоретической модели; каждая черта, кроме одной: уникальности фактов».

Принцип неопределенности

Принцип неопределенности - это математическое соотношение, устанавливающее верхний предел точности одновременного измерения любой пары сопряженных переменных , например положения и импульса. В формализме обозначений операторов этот предел является вычислением коммутатора соответствующих операторов переменных.

Принцип неопределенности возник как ответ на вопрос: как измерить положение электрона вокруг ядра, если электрон является волной? Когда была разработана квантовая механика, это было замечено как связь между классическим и квантовым описаниями системы с использованием волновой механики.

В марте 1927 года, работая в институте Нильса Бора , Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, заложив тем самым основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Гейзенберг изучал работы Поля Дирака и Паскуаля Жордана . Он обнаружил проблему с измерением основных переменных в уравнениях. Его анализ показал, что неопределенности или неточности всегда возникают, если пытаться одновременно измерить положение и импульс частицы. Гейзенберг пришел к выводу, что эти неопределенности или неточности в измерениях были не по вине экспериментатора, а фундаментальны по своей природе и являются неотъемлемыми математическими свойствами операторов в квантовой механике, вытекающими из определений этих операторов.

Термин Копенгагенская интерпретация квантовой механики часто использовался как синоним принципа неопределенности Гейзенберга недоброжелателями (такими как Эйнштейн и физик Альфред Ланде ), которые верили в детерминизм и видели в общих чертах теорий Бора-Гейзенберга угрозу. . В копенгагенской интерпретации квантовой механики принцип неопределенности означал, что на элементарном уровне физическая вселенная существует не в детерминированной форме, а скорее как совокупность вероятностей или возможных результатов. Например, образец ( распределение вероятностей ), создаваемый миллионами фотонов, проходящих через дифракционную щель, можно рассчитать с помощью квантовой механики, но точный путь каждого фотона нельзя предсказать ни одним из известных методов. Копенгагенская интерпретация утверждает, что это невозможно предсказать никаким методом, даже с теоретически бесконечно точными измерениями.

История философии физики

Аристотелевская физика

Аристотелевская физика рассматривала Вселенную как сферу с центром. Материя, состоящая из классических элементов , земли, воды, воздуха и огня, стремилась спуститься вниз к центру вселенной, центру земли или вверх, прочь от него. Вещи в эфире, такие как луна, солнце, планеты или звезды, вращались вокруг центра вселенной. Движение определяется как изменение места, то есть пространства.

Ньютоновская физика

Неявные Аксиомы аристотелевской физики относительно движения материи в пространстве были вытеснены в ньютоновской физике на Ньютон первого закон движения .

Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного движения по прямой, за исключением тех случаев, когда оно вынуждено изменить свое состояние под воздействием воздействующих сил.

«Каждое тело» включает в себя Луну и яблоко; и включает в себя все типы материи, воздух, а также воду, камни или даже пламя. Ничто не имеет естественного или присущего движения. Абсолютное пространство является трехмерным евклидовым пространством , бесконечно и без центра. «Спокойствие» означает пребывание в одном и том же месте в абсолютном пространстве во времени. Топология и аффинная структура пространства должны допускать движение в прямой линии с равномерной скоростью; таким образом, и пространство, и время должны иметь определенные стабильные измерения .

Лейбниц

Готфрид Вильгельм Лейбниц , 1646–1716, был современником Ньютона. Он внес значительный вклад в статику и динамику, возникающие вокруг него, часто не соглашаясь с Декартом и Ньютоном . Он разработал новую теорию движения ( динамики ), основанную на кинетической энергии и потенциальной энергии , которая постулировала пространство как относительное, тогда как Ньютон был полностью убежден, что пространство было абсолютным. Важным примером зрелого физического мышления Лейбница является его Specimen Dynamicum 1695 года.

До открытия субатомных частиц и управляющей ими квантовой механики многие умозрительные идеи Лейбница об аспектах природы, не сводимых к статике и динамике, не имели смысла.

Он предвосхитил Альберта Эйнштейна , аргументируя это против Ньютона, что пространство , время и движение относительны, а не абсолютны: «Что касается моего собственного мнения, я неоднократно говорил, что считаю пространство чем-то просто относительным, как время, что я считаю это порядком сосуществования, как время - порядком следования ".

Цитаты из работы Эйнштейна о важности философии физики

Эйнштейна интересовали философские последствия своей теории.

Альберта Эйнштейна чрезвычайно интересовали философские выводы своей работы. Он пишет:

«Я полностью согласен с вами в отношении значения и образовательной ценности методологии, а также истории и философии науки . Многие люди сегодня - и даже профессиональные ученые - кажутся мне теми, кто видел тысячи деревьев, но никогда не видел леса. .Знание исторической и философской основы дает такую ​​независимость от предрассудков его поколения, от которой страдает большинство ученых. Эта независимость, созданная философским пониманием, является, на мой взгляд, отличительным признаком между простым ремесленником или специалистом и настоящий искатель истины ". Эйнштейн . письмо Роберту А. Торнтону от 7 декабря 1944 г. EA 61–574.

В другом месте:

«Как может получиться, что должным образом одаренный естествоиспытатель начинает заниматься эпистемологией ? Нет ли более ценных работ по его специальности? Я слышу, как многие мои коллеги говорят, и я чувствую это от многих других, что они так думают. Я не могу разделить это мнение ... Концепции, которые оказались полезными для упорядочивания вещей, легко достигают такой власти над нами, что мы забываем их земное происхождение и принимаем их как неизменные данности. 'a priori givens' и т. д. "

«Путь научного прогресса часто становится непроходимым в течение длительного времени из-за таких ошибок. По этой причине, это отнюдь не праздная игра, если мы станем практиковаться в анализе давно общепринятых концепций и демонстрации [выявления, разоблачения? - Ред. ...] те обстоятельства, от которых зависит их оправдание и полезность, как они выросли, индивидуально, из данных опыта. Этим путем будет сломлен их слишком большой авторитет ". Эйнштейн , 1916, "Памятная записка Эрнсту Маху ", Physikalische Zeitschrift 17: 101–02.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки