Filosofia della fisica - Philosophy of physics

Parte di una serie su
Filosofia
Plato Kant Nietzsche Buddha Confucius AverroesDa sinistra a destra: Platone, Kant, Nietzsche, Buddha, Confucio, Averroè
A proposito di questa immagine
Rami
periodi
Tradizioni

Tradizioni per regione

Letteratura
Filosofi
Elenchi
Socrates.png Portale di filosofia

In filosofia , la filosofia della fisica si occupa di questioni concettuali e interpretative nella fisica moderna , molte delle quali si sovrappongono alla ricerca svolta da certi tipi di fisici teorici. La filosofia della fisica può essere suddivisa in tre aree:

  • interpretazioni della meccanica quantistica : principalmente riguardanti questioni su come formulare una risposta adeguata al problema della misurazione e capire cosa dice la teoria sulla realtà
  • la natura dello spazio e del tempo : lo spazio e il tempo sono sostanze o puramente relazionali? La simultaneità è convenzionale o solo relativa? L'asimmetria temporale è puramente riducibile all'asimmetria termodinamica?
  • relazioni interteoriche: la relazione tra varie teorie fisiche, come la termodinamica e la meccanica statistica . Ciò si sovrappone alla questione della riduzione scientifica.

Filosofia dello spazio e del tempo

Articolo principale: Filosofia dello spazio e del tempo

L'esistenza e la natura dello spazio e del tempo (o spazio-tempo) sono argomenti centrali nella filosofia della fisica.

Tempo

Articolo principale: Il tempo in fisica
Il tempo, in molte filosofie, è visto come cambiamento.

Il tempo è spesso pensato per essere una grandezza fondamentale (che è, un quantitativo che non può essere definito in termini di altre grandezze), perché il tempo sembra un concetto fondamentalmente di base, in modo tale che non si può definire in termini di qualcosa di più semplice. Tuttavia, alcune teorie come la gravità quantistica a loop affermano che lo spaziotempo è emergente. Come ha detto Carlo Rovelli, uno dei fondatori della gravità quantistica a loop: "Niente più campi nello spaziotempo: solo campi su campi". Il tempo è definito tramite la misurazione, dal suo intervallo di tempo standard. Attualmente, l'intervallo di tempo standard (chiamato " secondo convenzionale ", o semplicemente "secondo") è definito come 9.192.631.770 oscillazioni di una transizione iperfine nell'atomo di cesio 133 . ( ISO 31-1 ). Che cos'è l'ora e come funziona segue dalla definizione di cui sopra. Il tempo quindi può essere combinato matematicamente con le quantità fondamentali di spazio e massa per definire concetti come velocità , quantità di moto , energia e campi .

Sia Newton che Galileo , così come la maggior parte delle persone fino al XX secolo, pensavano che il tempo fosse lo stesso per tutti e ovunque. La concezione moderna del tempo si basa su Einstein 's teoria della relatività e Minkowski ' s spazio-tempo , in cui i tassi di tempo di esecuzione diverso nei diversi sistemi di riferimento inerziali, e lo spazio e il tempo sono fusi in spazio-tempo . Il tempo può essere quantizzato, con il più piccolo tempo teorico dell'ordine del tempo di Planck . La relatività generale di Einstein e lo spostamento verso il rosso della luce proveniente da galassie lontane che si allontanano indicano che l'intero Universo e forse lo stesso spazio-tempo sono iniziati circa 13,8 miliardi di anni fa nel Big Bang . La teoria della relatività ristretta di Einstein per lo più (anche se non universalmente) ha fatto sembrare molto meno plausibili le teorie del tempo in cui c'è qualcosa di metafisicamente speciale nel presente, poiché la dipendenza del tempo dal quadro di riferimento sembra non consentire l'idea di un momento presente privilegiato.

Viaggio nel tempo

Articolo principale: Viaggio nel tempo

Alcune teorie, in particolare la relatività ristretta e generale, suggeriscono che adeguate geometrie dello spaziotempo , o certi tipi di movimento nello spazio , possono consentire il viaggio nel tempo nel passato e nel futuro. I concetti che aiutano tale comprensione includono la curva chiusa simile al tempo .

La teoria della relatività speciale di Albert Einstein (e, per estensione, la teoria generale) prevede una dilatazione del tempo che potrebbe essere interpretata come un viaggio nel tempo. La teoria afferma che, rispetto a un osservatore fermo, il tempo sembra scorrere più lentamente per i corpi che si muovono più velocemente: ad esempio, un orologio in movimento sembrerà scorrere lentamente; quando un orologio si avvicina alla velocità della luce, le sue lancette sembreranno quasi fermarsi. Gli effetti di questa sorta di dilatazione temporale sono discussi ulteriormente nel popolare " paradosso dei gemelli ". Sebbene questi risultati siano osservabili sperimentalmente, un aspetto intrinseco della teoria di Einstein è un'equazione applicabile al funzionamento dei satelliti GPS e di altri sistemi ad alta tecnologia utilizzati nella vita quotidiana.

Un secondo tipo di viaggio nel tempo simile è consentito dalla relatività generale . In questo tipo un osservatore distante vede il tempo passare più lentamente per un orologio sul fondo di un pozzo gravitazionale profondo , e un orologio calato in un pozzo gravitazionale profondo e tirato su indicherà che è passato meno tempo rispetto a un orologio fermo che è rimasto con l'osservatore lontano.

Molti nella comunità scientifica ritengono che il viaggio a ritroso nel tempo sia altamente improbabile, perché viola la causalità, cioè la logica di causa ed effetto. Ad esempio, cosa succede se tenti di tornare indietro nel tempo e suicidarti in una fase precedente della tua vita (o di tuo nonno, il che porta al paradosso del nonno )? Stephen Hawking una volta ha suggerito che l'assenza di turisti dal futuro costituisce un forte argomento contro l'esistenza del viaggio nel tempo, una variante del paradosso di Fermi , con viaggiatori nel tempo invece di visitatori alieni.

Spazio

Articolo principale: Spazio

Lo spazio è una delle poche grandezze fondamentali in fisica , nel senso che non può essere definito tramite altre grandezze perché non c'è nulla di più fondamentale conosciuto al momento. Così, analogamente alla definizione di altre grandezze fondamentali (come il tempo e la massa ), lo spazio è definito tramite la misurazione . Attualmente, l'intervallo spaziale standard, chiamato metro standard o semplicemente metro, è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299792458 di secondo (esatto).

Nella fisica classica , lo spazio è uno spazio euclideo tridimensionale in cui qualsiasi posizione può essere descritta utilizzando tre coordinate e parametrizzata dal tempo. La relatività speciale e generale usano lo spaziotempo quadridimensionale piuttosto che lo spazio tridimensionale; e attualmente ci sono molte teorie speculative che utilizzano più di quattro dimensioni spaziali.

Filosofia della meccanica quantistica

Articolo principale: Interpretazione della meccanica quantistica

La meccanica quantistica è un grande focus della filosofia della fisica contemporanea, in particolare per quanto riguarda la corretta interpretazione della meccanica quantistica. Molto in generale, gran parte del lavoro filosofico svolto nella teoria quantistica sta cercando di dare un senso agli stati di sovrapposizione: la proprietà che le particelle sembrano non essere solo in una determinata posizione in una volta, ma sono da qualche parte "qui", e anche " c'e' allo stesso tempo. Una visione così radicale capovolge molte idee metafisiche di buon senso. Gran parte della filosofia contemporanea della meccanica quantistica mira a dare un senso a ciò che il formalismo di grande successo empirico della meccanica quantistica ci dice sul mondo fisico.

L'interpretazione di Everett

Articolo principale: interpretazione a molti mondi

L'interpretazione di Everett, o dei molti mondi, della meccanica quantistica afferma che la funzione d' onda di un sistema quantistico ci dice affermazioni sulla realtà di quel sistema fisico. Nega il collasso della funzione d'onda e afferma che gli stati di sovrapposizione dovrebbero essere interpretati letteralmente come la descrizione della realtà dei molti mondi in cui si trovano gli oggetti, e non semplicemente come indicazione dell'indeterminatezza di tali variabili. Questo a volte è sostenuto come un corollario del realismo scientifico , che afferma che le teorie scientifiche mirano a darci descrizioni letteralmente vere del mondo.

Un problema per l'interpretazione di Everett è il ruolo che la probabilità gioca su questo conto. Il resoconto di Everett è completamente deterministico, mentre la probabilità sembra giocare un ruolo ineliminabile nella meccanica quantistica. Gli Everettiani contemporanei hanno sostenuto che si può ottenere un resoconto della probabilità che segue la regola di Born attraverso alcune prove teoriche della decisione.

Il fisico Roland Omnés ha notato che è impossibile differenziare sperimentalmente tra la visione di Everett, che dice che quando la funzione d'onda decoerisce in mondi distinti, ognuno dei quali esiste allo stesso modo, e la visione più tradizionale che dice che una funzione d'onda decoerente lascia solo uno risultato reale unico. Quindi, la disputa tra le due visioni rappresenta un grande "abisso". "Ogni caratteristica della realtà è ricomparsa nella sua ricostruzione dal nostro modello teorico; ogni caratteristica tranne una: l'unicità dei fatti".

Principio di incertezza

Articolo principale: Principio di incertezza

Il principio di indeterminazione è una relazione matematica che afferma un limite superiore alla precisione della misurazione simultanea di qualsiasi coppia di variabili coniugate , ad esempio posizione e quantità di moto. Nel formalismo della notazione degli operatori , questo limite è la valutazione del commutatore degli operatori corrispondenti delle variabili.

Il principio di indeterminazione è sorto come risposta alla domanda: come si misura la posizione di un elettrone attorno a un nucleo se un elettrone è un'onda? Quando la meccanica quantistica è stata sviluppata, è stata vista come una relazione tra le descrizioni classiche e quantistiche di un sistema che utilizza la meccanica ondulatoria.

Nel marzo 1927, lavorando nell'istituto di Niels Bohr , Werner Heisenberg formulò il principio di incertezza ponendo così le basi di quella che divenne nota come l' interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica. Heisenberg aveva studiato le carte di Paul Dirac e Pascual Jordan . Ha scoperto un problema con la misurazione delle variabili di base nelle equazioni. La sua analisi ha mostrato che le incertezze, o imprecisioni, si manifestavano sempre se si cercava di misurare contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella. Heisenberg concluse che queste incertezze o imprecisioni nelle misurazioni non erano colpa dello sperimentatore, ma erano di natura fondamentale e sono proprietà matematiche intrinseche degli operatori nella meccanica quantistica derivanti dalle definizioni di questi operatori.

Il termine interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica è stato spesso usato in modo intercambiabile con e come sinonimo del principio di indeterminazione di Heisenberg da detrattori (come Einstein e il fisico Alfred Landé ) che credevano nel determinismo e vedevano le caratteristiche comuni delle teorie di Bohr-Heisenberg come una minaccia . Nell'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica il principio di indeterminazione è stato inteso nel senso che a livello elementare, l'universo fisico non esiste in una forma deterministica, ma piuttosto come un insieme di probabilità, o possibili esiti. Ad esempio, il modello ( distribuzione di probabilità ) prodotto da milioni di fotoni che passano attraverso una fenditura di diffrazione può essere calcolato utilizzando la meccanica quantistica, ma il percorso esatto di ciascun fotone non può essere previsto con alcun metodo noto. L'interpretazione di Copenhagen sostiene che non può essere prevista con alcun metodo, nemmeno con misurazioni teoricamente infinitamente precise.

Storia della filosofia della fisica

fisica aristotelica

La fisica aristotelica vedeva l'universo come una sfera con un centro. La materia, composta dagli elementi classici , terra, acqua, aria e fuoco, cercava di scendere verso il centro dell'universo, il centro della terra, o salire, allontanandosi da esso. Cose nell'etere come la luna, il sole, i pianeti o le stelle circondavano il centro dell'universo. Il movimento è definito come cambiamento di luogo, cioè spazio.

fisica newtoniana

Gli assiomi impliciti della fisica aristotelica rispetto al movimento della materia nello spazio sono stati sostituiti nella fisica newtoniana dalla prima legge del moto di Newton .

Ogni corpo persevera nel suo stato o di quiete o di moto uniforme in linea retta, eccetto in quanto è costretto a mutare il suo stato da forze impresse.

"Ogni corpo" include la Luna e una mela; e include tutti i tipi di materia, aria e acqua, pietre o persino una fiamma. Niente ha un movimento naturale o inerente. Lo spazio assoluto è lo spazio euclideo tridimensionale , infinito e senza centro. Essere "a riposo" significa essere nello stesso luogo nello spazio assoluto nel tempo. La topologia e la struttura affine dello spazio devono consentire il movimento in linea retta a velocità uniforme; quindi sia lo spazio che il tempo devono avere dimensioni definite e stabili .

Leibniz

Gottfried Wilhelm Leibniz , 1646 - 1716, era un contemporaneo di Newton. Ha contribuito in larga misura alla statica e alla dinamica che emergono intorno a lui, spesso in disaccordo con Cartesio e Newton . Ha ideato una nuova teoria del movimento ( dinamica ) basata sull'energia cinetica e sull'energia potenziale , che postulava lo spazio come relativo, mentre Newton era profondamente convinto che lo spazio fosse assoluto. Un importante esempio del pensiero fisico maturo di Leibniz è il suo Specimen Dynamicum del 1695.

Fino alla scoperta delle particelle subatomiche e della meccanica quantistica che le governa, molte delle idee speculative di Leibniz su aspetti della natura non riducibili alla statica e alla dinamica avevano poco senso.

Anticipò Albert Einstein sostenendo, contro Newton, che spazio , tempo e movimento sono relativi, non assoluti: "Per quanto riguarda la mia opinione, ho detto più di una volta, che ritengo lo spazio qualcosa di meramente relativo, come lo è il tempo, che lo ritengo un ordine di convivenze, come il tempo è un ordine di successioni".

Citazioni dal lavoro di Einstein sull'importanza della filosofia della fisica

Einstein era interessato alle implicazioni filosofiche della sua teoria.

Albert Einstein era estremamente interessato alle conclusioni filosofiche del suo lavoro. Lui scrive:

"Sono pienamente d'accordo con te sul significato e sul valore educativo della metodologia , nonché della storia e della filosofia della scienza . Tante persone oggi - e persino scienziati professionisti - mi sembrano qualcuno che ha visto migliaia di alberi ma non ha mai visto una foresta Una conoscenza del contesto storico e filosofico conferisce quel tipo di indipendenza dai pregiudizi della sua generazione di cui soffre la maggior parte degli scienziati.Questa indipendenza creata dall'intuizione filosofica è, a mio parere, il segno di distinzione tra un semplice artigiano o specialista e un vero cercatore della verità." Einstein . lettera a Robert A. Thornton, 7 dicembre 1944. EA 61–574.

Altrove:

"Com'è possibile che uno scienziato naturale adeguatamente dotato si occupi di epistemologia ? Non c'è lavoro più prezioso nella sua specialità? Sento molti dei miei colleghi dire, e lo percepisco da molti altri, che la pensano così. Non posso condividere questo sentimento... Concetti che si sono dimostrati utili nell'ordinare le cose raggiungono facilmente su di noi una tale autorità che dimentichiamo le loro origini terrene e le accettiamo come dati inalterabili. Così vengono bollate come "necessità di pensiero", 'dati a priori', ecc."

"Il percorso del progresso scientifico è spesso reso impraticabile per lungo tempo attraverso tali errori. Per questo motivo, non è affatto un gioco ozioso se ci abituiamo ad analizzare i concetti a lungo banali e ad esibire [rivelare, esporre? -Ed .] quelle circostanze da cui dipendono la loro giustificazione e utilità, come sono cresciuti, individualmente, fuori dai dati dell'esperienza. In questo modo, la loro fin troppo grande autorità sarà infranta." Einstein , 1916, "Avviso commemorativo per Ernst Mach ", Physikalische Zeitschrift 17: 101–02.

Vedi anche: Ilse Rosenthal-Schneider

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno