Fyzikální paradox je zdánlivý rozpor vztahující se k fyzikálním popisům vesmíru. Jako takový existuje mnoho různých použití pro tento termín od náročného myšlenkového experimentu, který se zdá být v rozporu se zdravým rozumem, až po skutečný rozpad matematické teorie, která popisuje fyzikální vesmír. Zatímco mnoho fyzikálních paradoxů přijalo rozlišení, která z nich dělají něco málo víc než kuriozity, jiné se mohou vzepřít rozlišení a být výsledkem neadekvátní interpretace teorie, předpokladu o fyzikálním světě, který je porušen, nebo náznaku, že teorie neadekvátně popisuje podmínky. Ve fyzice, stejně jako ve všech vědách, jsou rozpory a paradoxy obecně považovány za artefakty omylů a neúplnosti, protože se předpokládá, že realita je zcela konzistentní, i když to je sám o sobě filozofický předpoklad. Když se jako v oblastech, jako je kvantová fyzika a teorie relativity, ukázalo, že se stávající předpoklady o realitě rozpadají, obvykle se to řešilo změnou našeho chápání reality na nové, které zůstává za přítomnosti nových důkazů samo o sobě konzistentní.
Paradoxy týkající se chybných předpokladů
Paradox dvojčat ukazuje, že neexistuje absolutní čas.
Dalším paradoxem spojeným s relativitou je Suppleeův paradox, který zřejmě popisuje dva referenční rámce, které jsou neslučitelné. V tomto případě se předpokládá, že problém je dobře položen ve speciální relativitě, ale protože účinek je závislý na objektech a tekutinách s hmotností, je třeba vzít v úvahu účinky obecné relativity. Vezmeme-li v úvahu správné předpoklady, řešení je vlastně způsob, jak znovu formulovat princip ekvivalence.
Babinetovým paradoxem je, že oproti naivním očekáváním je množství záření odstraněného z paprsku v limitě ohybu úměrné dvojnásobku plochy průřezu. Je to proto, že existují dva oddělené procesy, které odstraňují záření z paprsku ve stejném množství: absorpce a difrakce.
Podobně existuje soubor fyzikálních paradoxů, které se přímo opírají o jeden nebo více předpokladů, které jsou nesprávné. Gibbsův paradox statistické mechaniky přináší zdánlivý rozpor při výpočtu entropie mísení. Pokud není vhodně zohledněn předpoklad, že částice v ideálním plynu jsou nerozlišitelné, není vypočítaná entropie rozsáhlou proměnnou, jak by měla být.
Olbersův paradox ukazuje, že nekonečný vesmír s rovnoměrným rozložením hvězd nutně vede k obloze, která je jasná jako hvězda. Pozorovanou tmavou noční oblohu lze alternativně vyřešit konstatováním, že jeden ze dvou předpokladů je nesprávný. Tento paradox byl někdy používán k tvrzení, že homogenní a izotropní vesmír, jak vyžaduje kosmologický princip, je nutně konečný ve svém rozsahu, ale ukazuje se, že existují způsoby, jak předpoklady zmírnit jinými způsoby, které připouštějí alternativní rozlišení.
Mpembův paradox je, že za určitých podmínek bude teplá voda mrznout rychleji než voda studená, i když musí během zmrazování procházet stejnou teplotou jako voda studená. To je zdánlivé porušení Newtonova zákona chlazení, ale ve skutečnosti je to způsobeno nelineárními vlivy, které ovlivňují zmrazování. Předpoklad, že zmrazování ovlivní pouze teplota vody, není správný.
Paradoxy týkající se nehyzikálních matematických idealizací
Nekonečně hustá gravitační singularita nalezená v okamžiku, kdy se čas blíží počátečnímu bodu ve vesmíru Velkého třesku, je příkladem fyzikálního paradoxu.
Podobná situace nastává v obecné teorii relativity s gravitační singularitou spojenou se Schwarzschildovým řešením, které popisuje geometrii černé díry. Zakřivení prostoročasu v singularitě je nekonečné, což je další způsob, jak říci, že teorie nepopisuje fyzikální podmínky v tomto bodě. Doufáme, že řešení tohoto paradoxu bude nalezeno s konzistentní teorií kvantové gravitace, což je něco, co dosud zůstávalo nepolapitelné. Důsledkem tohoto paradoxu je, že přidružená singularita, která nastala v předpokládaném výchozím bodě vesmíru (viz Velký třesk), není fyzikou dostatečně popsána. Než může dojít k teoretické extrapolaci singularity, stávají se kvantově mechanické účinky důležitými v éře známé jako Planckův čas. Bez konzistentní teorie nemůže existovat žádné smysluplné prohlášení o fyzikálních podmínkách spojených s vesmírem před tímto bodem.
Dalším paradoxem způsobeným matematickou idealizací je D’Alembertův paradox mechaniky tekutin. Když se vypočítají síly spojené s dvourozměrným, nestlačitelným, irrotačním, neviditelným rovnoměrným tokem tělesa, nedochází k žádnému odporu. To je v rozporu s pozorováním takových toků, ale jak se ukazuje, tekutina, která důsledně splňuje všechny podmínky, je fyzikálně nemožná. Matematický model se rozpadá na povrchu tělesa a musí se uvažovat o nových řešeních zahrnujících hraniční vrstvy, aby se správně modelovaly účinky odporu.
Kvantové mechanické paradoxy
Významný soubor fyzikálních paradoxů je spojen s výsadním postavením pozorovatele v kvantové mechanice. Dva z nejznámějších z nich jsou EPR paradox a Schrödingerova kočka, oba navrženy jako myšlenkové experimenty relevantní pro diskuse o tom, co je správná interpretace kvantové mechaniky. Oba tyto myšlenkové experimenty se snaží použít principy odvozené z kodaňské interpretace kvantové mechaniky k odvození závěrů, které jsou zdánlivě protichůdné. V případě Schrödingerovy kočky to má podobu zdánlivé absurdity. Kočka je umístěna do krabice uzavřené od pozorování s kvantově mechanickým spínačem navrženým tak, aby kočku zabila, když je vhodně rozmístěna. Zatímco v krabici je kočka popsána jako v kvantové superpozici „mrtvého“ a „živého“ stavu, ačkoliv otevření krabice efektivně zkolabuje koččinu vlnovou funkci na jednu ze dvou podmínek. V případě EPR paradoxu se zdá, že kvantové provázání umožňuje fyzickou nemožnost informace přenášené rychleji než rychlostí světla, což porušuje speciální relativitu.
„Rezoluce“ těchto paradoxů jsou mnohými považovány za filozoficky neuspokojivé, protože závisejí na tom, co je konkrétně míněno měřením pozorování nebo tím, co slouží jako pozorovatel v myšlenkových experimentech. V reálném fyzikálním smyslu, bez ohledu na to, jakým způsobem jsou tyto pojmy definovány, jsou výsledky stejné. Jakékoli dané pozorování kočky přinese buď tu, která je mrtvá, nebo živá, superpozice je nezbytnou podmínkou pro výpočet toho, co lze očekávat, ale nikdy nebude sama pozorována. Stejně tak myšlenkový experiment s EPR paradoxem nepřináší žádný způsob přenosu informace rychleji než rychlostí světla, i když existuje zdánlivě okamžitá konzervace kvantově provázaného pozorovatelného bytí měřeného, ukazuje se, že je fyzicky nemožné použít tento efekt k přenosu informace. Proč existuje okamžitá konzervace, je předmětem, který je správnou interpretací kvantové mechaniky.
Spekulativní teorie kvantové gravitace, které kombinují obecnou relativitu s kvantovou mechanikou, mají své vlastní přidružené paradoxy, které jsou obecně považovány za artefakty neexistence konzistentního fyzikálního modelu, který by obě formulace spojoval. Jedním z takových paradoxů je informační paradox černé díry, který poukazuje na to, že informace spojené s částicí, která spadne do černé díry, se nezachovávají, když teoretické Hawkingovo záření způsobí, že se černá díra vypaří. V roce 2004 Stephen Hawking tvrdil, že má funkční řešení tohoto problému, ale podrobnosti zatím nebyly zveřejněny a spekulativní povaha Hawkingova záření znamená, že není jasné, zda je tento paradox relevantní pro fyzikální realitu.
V oblasti fyziky dochází k souboru podobných paradoxů zahrnujících šíp času a kauzalitu. Jeden z nich, dědečkův paradox, se zabývá zvláštní povahou kauzality v uzavřených časových smyčkách. Ve svém nejhrubším pojetí paradox zahrnuje osobu, která cestuje zpět v čase a zavraždí předka, který ještě neměl šanci se rozmnožit. Spekulativní povaha cestování v čase do minulosti znamená, že neexistuje žádné dohodnuté řešení paradoxu, ani není jasné, že existují fyzikálně možná řešení Einsteinových rovnic, která by umožnila splnění podmínek požadovaných pro paradox. Nicméně existují dvě společná vysvětlení pro možná řešení tohoto paradoxu, která nabývají podobné příchuti pro vysvětlení kvantově mechanických paradoxů. V takzvaném samokonzistentním řešení je realita konstruována tak, aby deterministicky předcházela vzniku takových paradoxů. Tato myšlenka zneklidňuje mnoho zastánců svobodné vůle, i když je pro mnoho filosofických naturalistů velmi uspokojivá. Alternativně je idealizace mnoha světů nebo koncept paralelních vesmírů někdy domýšlen tak, aby umožňoval neustálé štěpení možných světočár do mnoha různých alternativních realit. To by znamenalo, že každý člověk, který cestuje zpět v čase, by nutně vstoupil do jiného paralelního vesmíru, který by měl jinou historii než bod cestování časem dopředu.
Dalším paradoxem spojeným s kauzalitou a jednosměrnou povahou času je Loschmidtův paradox, který klade otázku, jak mohou mikroprocesy, které jsou vratné v čase, vyvolat časově nezvratný nárůst entropie. Částečné řešení tohoto paradoxu je přísně zajištěno fluktuační větou, která se opírá o pečlivé sledování časově zprůměrovaných veličin, aby ukázala, že z hlediska statistické mechaniky je mnohem pravděpodobnější, že entropie vzroste, než že se sníží. Pokud však nejsou učiněny žádné předpoklady o počátečních okrajových podmínkách, měla by fluktuační věta platit stejně dobře i obráceně, předpovídající, že systém, který je v současnosti ve stavu nízké entropie, byl v minulosti pravděpodobněji ve stavu vyšší entropie, což je v rozporu s tím, co by bylo obvykle vidět v obráceném filmu o stavu nerovnovážného přecházejícím do rovnováhy. Celková asymetrie v termodynamice, která je jádrem Loschmidtova paradoxu, tedy stále není vyřešena fluktuační větou. Většina fyziků se domnívá, že termodynamická šipka času může být vysvětlena pouze odvoláním se na podmínky nízké entropie krátce po velkém třesku, i když vysvětlení nízké entropie samotného velkého třesku je stále diskutováno.
Další soubor fyzikálních paradoxů je založen na množinách pozorování, které se nedaří dostatečně vysvětlit současnými fyzikálními modely. To mohou být jen náznaky neúplnosti současných teorií. Je známo, že sjednocení dosud nebylo dokončeno, což může naznačovat zásadní problémy se současnými vědeckými paradigmaty. Zda se jedná o předzvěst vědecké revoluce, která teprve přijde, nebo zda tato pozorování ustoupí budoucímu upřesnění, nebo budou shledána chybnými, se teprve ukáže. Stručný seznam těchto dosud nedostatečně vysvětlených pozorování zahrnuje pozorování naznačující existenci temné hmoty, pozorování naznačující existenci temné energie, pozorovanou asymetrii hmoty a antihmoty, GZK paradox, kvantové Smarandcheho paradoxy, Pioneerovu anomálii a Fermiho paradox.