Filosofía de la física

En filosofía, la filosofía de la física se ocupa de los problemas conceptuales y de interpretación de la física moderna, muchos de los cuales se superponen con la investigación realizada por ciertos tipos de físicos teóricos. La filosofía de la física se puede dividir ampliamente en tres áreas:

• interpretaciones de la mecánica cuántica: principalmente en relación con cuestiones sobre cómo formular una respuesta adecuada al problema de medición y comprender lo que dice la teoría sobre la realidad.
• la naturaleza del espacio y el tiempo: ¿Son sustancias el espacio y el tiempo, o son puramente relacionales? ¿La simultaneidad es convencional o solo relativa? ¿Es la asimetría temporal puramente reducible a la asimetría termodinámica?
• relaciones interteóricas: la relación entre varias teorías físicas, como la termodinámica y la mecánica estadística. Esto se superpone con la cuestión de la reducción científica.

Filosofía del espacio y el tiempo.

La existencia y naturaleza del espacio y el tiempo (o espacio-tiempo) son temas centrales en la filosofía de la física.

Tiempo

A menudo se piensa que el tiempo es una cantidad fundamental (es decir, una cantidad que no se puede definir en términos de otras cantidades), porque el tiempo parece un concepto fundamentalmente básico, de modo que no se puede definir en términos de nada más simple. Sin embargo, ciertas teorías, como la gravedad cuántica de bucles, afirman que el espacio-tiempo es emergente. Como dijo Carlo Rovelli, uno de los fundadores de la gravedad cuántica de bucles: "No más campos en el espacio-tiempo: solo campos en campos".El tiempo se define a través de la medición, por su intervalo de tiempo estándar. Actualmente, el intervalo de tiempo estándar (llamado "segundo convencional", o simplemente "segundo") se define como 9.192.631.770 oscilaciones de una transición hiperfina en el átomo de cesio 133. (ISO 31-1). Qué hora es y cómo funciona se desprende de la definición anterior. Entonces, el tiempo se puede combinar matemáticamente con las cantidades fundamentales de espacio y masa para definir conceptos como velocidad, cantidad de movimiento, energía y campos.

Tanto Newton como Galileo, así como la mayoría de la gente hasta el siglo XX, pensaba que el tiempo era el mismo para todos en todas partes. La concepción moderna del tiempo se basa en la teoría de la relatividad de Einstein y el espacio-tiempo de Minkowski, en los que las tasas de tiempo funcionan de manera diferente en diferentes marcos de referencia inerciales, y el espacio y el tiempo se fusionan en el espacio-tiempo. El tiempo se puede cuantificar, siendo el tiempo más pequeño teórico del orden del tiempo de Planck. La relatividad general de Einstein, así como el desplazamiento hacia el rojo de la luz de las galaxias distantes que se alejan, indican que todo el Universo y posiblemente el espacio-tiempo comenzó hace unos 13.800 millones de años en el Big Bang. La teoría de la relatividad especial de Einstein en su mayoría (aunque no universalmente) hizo que las teorías del tiempo donde hay algo metafísicamente especial en el presente parezcan mucho menos plausibles.

Viaje en el tiempo

Algunas teorías, sobre todo la relatividad especial y general, sugieren que las geometrías adecuadas del espacio-tiempo, o ciertos tipos de movimiento en el espacio, pueden permitir viajar en el tiempo hacia el pasado y el futuro. Los conceptos que ayudan a tal comprensión incluyen la curva temporal cerrada.

La teoría especial de la relatividad de Albert Einstein (y, por extensión, la teoría general) predice la dilatación del tiempo que podría interpretarse como un viaje en el tiempo. La teoría establece que, en relación con un observador estacionario, el tiempo parece pasar más lentamente para los cuerpos que se mueven más rápido: por ejemplo, un reloj en movimiento parecerá ir más lento; a medida que un reloj se acerca a la velocidad de la luz, parecerá que sus manecillas casi dejan de moverse. Los efectos de este tipo de dilatación del tiempo se discuten más adelante en la popular "paradoja de los gemelos". Aunque estos resultados son observables experimentalmente, un aspecto intrínseco de la teoría de Einstein es una ecuación aplicable al funcionamiento de los satélites GPS y otros sistemas de alta tecnología utilizados en la vida diaria.

La relatividad general permite un segundo tipo similar de viaje en el tiempo. En este tipo, un observador distante ve el tiempo pasar más lentamente para un reloj en el fondo de un pozo de gravedad profundo, y un reloj sumergido en un pozo de gravedad profundo y levantado indicará que ha pasado menos tiempo en comparación con un reloj estacionario que permaneció con el observador distante.

Muchos en la comunidad científica creen que el viaje en el tiempo hacia atrás es muy poco probable, porque viola la causalidad, es decir, la lógica de causa y efecto. Por ejemplo, ¿qué sucede si intenta retroceder en el tiempo y suicidarse en una etapa anterior de su vida (o matar a su abuelo, lo que lleva a la paradoja del abuelo)? Stephen Hawking sugirió una vez que la ausencia de turistas del futuro constituye un fuerte argumento en contra de la existencia del viaje en el tiempo, una variante de la paradoja de Fermi, con viajeros en el tiempo en lugar de visitantes extraterrestres.

Espacio

El espacio es una de las pocas cantidades fundamentales en la física, lo que significa que no se puede definir a través de otras cantidades porque no se conoce nada más fundamental en la actualidad. Por lo tanto, similar a la definición de otras cantidades fundamentales (como el tiempo y la masa), el espacio se define a través de la medición. Actualmente, el intervalo espacial estándar, llamado metro estándar o simplemente metro, se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 de segundo (exacto).

En la física clásica, el espacio es un espacio euclidiano tridimensional en el que cualquier posición puede describirse mediante tres coordenadas y parametrizarse mediante el tiempo. La relatividad especial y general utiliza un espacio-tiempo de cuatro dimensiones en lugar de un espacio tridimensional; y actualmente hay muchas teorías especulativas que utilizan más de cuatro dimensiones espaciales.

Filosofía de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es un gran enfoque de la filosofía de la física contemporánea, específicamente en lo que respecta a la interpretación correcta de la mecánica cuántica. En términos muy generales, gran parte del trabajo filosófico que se realiza en la teoría cuántica trata de dar sentido a los estados de superposición: la propiedad de que las partículas parecen no solo estar en una posición determinada en un momento dado, sino que están en algún lugar 'aquí' y también ' allí al mismo tiempo. Una visión tan radical pone patas arriba muchas ideas metafísicas de sentido común. Gran parte de la filosofía contemporánea de la mecánica cuántica tiene como objetivo dar sentido a lo que el formalismo empíricamente exitoso de la mecánica cuántica nos dice sobre el mundo físico.

La interpretación de Everett

La interpretación de Everett, o de muchos mundos, de la mecánica cuántica afirma que la función de onda de un sistema cuántico nos dice afirmaciones sobre la realidad de ese sistema físico. Niega el colapso de la función de onda y afirma que los estados de superposición deben interpretarse literalmente como una descripción de la realidad de muchos mundos donde se encuentran los objetos, y no simplemente como una indicación de la indeterminación de esas variables. Esto a veces se argumenta como un corolario del realismo científico, que establece que las teorías científicas tienen como objetivo darnos descripciones literalmente verdaderas del mundo.

Un problema para la interpretación de Everett es el papel que juega la probabilidad en esta cuenta. La cuenta de Everett es completamente determinista, mientras que la probabilidad parece jugar un papel ineliminable en la mecánica cuántica. Los Everettianos contemporáneos han argumentado que uno puede obtener una explicación de la probabilidad que sigue la regla de Born a través de ciertas pruebas de teoría de decisiones.

El físico Roland Omnés señaló que es imposible diferenciar experimentalmente entre el punto de vista de Everett, que dice que a medida que la función de onda se descohere en mundos distintos, cada uno de los cuales existe por igual, y el punto de vista más tradicional que dice que una función de onda decoherente deja solo un resultado real único. Por lo tanto, la disputa entre los dos puntos de vista representa un gran "abismo". "Cada característica de la realidad ha reaparecido en su reconstrucción por nuestro modelo teórico; cada característica excepto una: la unicidad de los hechos".

Principio de incertidumbre

El principio de incertidumbre es una relación matemática que afirma un límite superior a la precisión de la medición simultánea de cualquier par de variables conjugadas, por ejemplo, posición y momento. En el formalismo de la notación de operadores, este límite es la evaluación del conmutador de los operadores correspondientes de las variables.

El principio de incertidumbre surgió como respuesta a la pregunta: ¿Cómo se mide la ubicación de un electrón alrededor de un núcleo si un electrón es una onda? Cuando se desarrolló la mecánica cuántica, se vio que era una relación entre las descripciones clásica y cuántica de un sistema que utilizaba la mecánica ondulatoria.

En marzo de 1927, trabajando en el instituto de Niels Bohr, Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre sentando así las bases de lo que se conoció como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Heisenberg había estado estudiando los artículos de Paul Dirac y Pascual Jordan. Descubrió un problema con la medición de variables básicas en las ecuaciones. Su análisis mostró que siempre surgían incertidumbres o imprecisiones si se intentaba medir la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo. Heisenberg concluyó que estas incertidumbres o imprecisiones en las mediciones no eran culpa del experimentador, sino de naturaleza fundamental y son propiedades matemáticas inherentes de los operadores en la mecánica cuántica que surgen de las definiciones de estos operadores.

El término interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica a menudo se usaba indistintamente y como sinónimo del principio de incertidumbre de Heisenberg por detractores (como Einstein y el físico Alfred Landé) que creían en el determinismo y veían las características comunes de las teorías de Bohr-Heisenberg como una amenaza.. Dentro de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, se consideró que el principio de incertidumbre significaba que, en un nivel elemental, el universo físico no existe en una forma determinista, sino más bien como una colección de probabilidades o resultados posibles. Por ejemplo, el patrón (distribución de probabilidad) producido por millones de fotones que pasan a través de una rendija de difracción se puede calcular utilizando la mecánica cuántica, pero la ruta exacta de cada fotón no se puede predecir mediante ningún método conocido.

Historia de la filosofia de la fisica

Física aristotélica

La física aristotélica veía el universo como una esfera con un centro. La materia, compuesta por los elementos clásicos, tierra, agua, aire y fuego, buscaba bajar hacia el centro del universo, el centro de la tierra, o subir, alejándose de él. Las cosas en el éter, como la luna, el sol, los planetas o las estrellas, giraban alrededor del centro del universo. El movimiento se define como cambio de lugar, es decir, de espacio.

Física newtoniana

Los axiomas implícitos de la física aristotélica con respecto al movimiento de la materia en el espacio fueron reemplazados en la física newtoniana por la Primera Ley del Movimiento de Newton.

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, excepto en la medida en que se ve obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas.

"Cada cuerpo" incluye la Luna y una manzana; e incluye todo tipo de materia, tanto aire como agua, piedras o incluso una llama. Nada tiene un movimiento natural o inherente. El espacio absoluto es el espacio euclidiano tridimensional, infinito y sin centro. Estar "en reposo" significa estar en el mismo lugar en el espacio absoluto a lo largo del tiempo. La topología y la estructura afín del espacio deben permitir el movimiento en línea recta a una velocidad uniforme; por tanto, tanto el espacio como el tiempo deben tener dimensiones definidas y estables.

Leibniz

Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646 - 1716, fue contemporáneo de Newton. Contribuyó en gran medida a la estática y la dinámica que surgían a su alrededor, a menudo en desacuerdo con Descartes y Newton. Ideó una nueva teoría del movimiento (dinámica) basada en la energía cinética y la energía potencial, que postulaba el espacio como relativo, mientras que Newton estaba completamente convencido de que el espacio era absoluto. Un ejemplo importante del pensamiento físico maduro de Leibniz es su Specimen Dynamicum de 1695.

Hasta el descubrimiento de las partículas subatómicas y la mecánica cuántica que las gobierna, muchas de las ideas especulativas de Leibniz sobre aspectos de la naturaleza no reducibles a la estática y la dinámica tenían poco sentido.

Se anticipó a Albert Einstein argumentando, en contra de Newton, que el espacio, el tiempo y el movimiento son relativos, no absolutos: "En cuanto a mi propia opinión, he dicho más de una vez que considero que el espacio es algo meramente relativo, como lo es el tiempo, que lo tengo por un orden de coexistencias, como el tiempo es un orden de sucesiones".

Citas del trabajo de Einstein sobre la importancia de la filosofía de la física

Albert Einstein estaba extremadamente interesado en las conclusiones filosóficas de su trabajo. El escribe:

Estoy totalmente de acuerdo contigo sobre la importancia y el valor educativo de la metodología, así como de la historia y la filosofía de la ciencia. Muchas personas hoy en día, e incluso científicos profesionales, me parecen alguien que ha visto miles de árboles pero nunca ha visto un bosque. Un conocimiento de los antecedentes históricos y filosóficos da ese tipo de independencia de los prejuicios de su generación que sufren la mayoría de los científicos. Esta independencia creada por la intuición filosófica es, en mi opinión, la marca de distinción entre un mero artesano o especialista y un verdadero buscador de la verdad. Einstein. carta a Robert A. Thornton, 7 de diciembre de 1944. EA 61–574.

En otra parte:

¿Cómo sucede que un científico natural debidamente dotado llega a preocuparse por la epistemología? ¿No hay obra más valiosa en su especialidad? Escucho a muchos de mis colegas decir, y lo siento de muchos más, que se sienten así. No puedo compartir este sentimiento.... Los conceptos que han demostrado ser útiles para ordenar las cosas alcanzan fácilmente tal autoridad sobre nosotros que olvidamos sus orígenes terrenales y los aceptamos como datos inalterables. De este modo, llegan a ser sellados como 'necesidades del pensamiento', 'datos a priori', etc.

El camino del avance científico a menudo se vuelve intransitable durante mucho tiempo debido a tales errores. Por esa razón, de ninguna manera es un juego ocioso si nos acostumbramos a analizar los conceptos comunes durante mucho tiempo y exhibir [¿revelar, exponer? -Ed.] aquellas circunstancias de las que depende su justificación y utilidad, cómo han crecido, individualmente, a partir de los datos de la experiencia. De esta manera, su autoridad demasiado grande será quebrantada. Einstein, 1916, "Aviso conmemorativo de Ernst Mach", Physikalische Zeitschrift 17: 101–02.