Prawa fizyki w całym wszechświecie

Skąd wiemy, że prawa fizyki są takie same w całym wszechświecie? Intuicyjnie powiedziałbym, że różnią się na dwa naturalne sposoby: stałe w równaniach mogą się różnić lub matematyka w równaniach może się różnić. Domyślają się, że mogą się zmieniać przez długi czas. Jaki jest najdalszy promień, jaki możemy udowodnić z Ziemi, z absolutną pewnością, że prawa fizyki się nie różnią? Wiem, że może to nie być promień, ale bardziej złożony kształt, którego nie można po prostu opisać za pomocą promienia.

Najbliższą odpowiedzią, jaką mogę wymyślić dla promienia, jest przypuszczenie. To przypuszczenie opiera się na najdalszym eksperymencie fizyki, jaki przeprowadziliśmy z Ziemi. Myślę, że to eksperyment z lustrami na Księżycu. Dlatego jeśli założymy (nie wiem, czy to założenie jest całkowicie w 100% uzasadnione), wszystkie prawa fizyki będą obowiązywać, ponieważ eksperyment ten działa. Wtedy promień jest do księżyca. To nie daje konkretnej odpowiedzi na promień, a jedynie wykształcone przypuszczenie.

Nic nie można udowodnić „z absolutną pewnością”; nie tak działa nauka.

Przyjmujemy roboczą hipotezę, że stałe natury są właśnie takie; zarówno stałe w czasie i przestrzeni. Następnie przeprowadzamy eksperymenty, które próbują sfałszować tę hipotezę lub przynajmniej nałożyć ograniczenia na to, o ile rzeczy mogą się różnić.

Z powodów wyjaśnionych w odpowiedziach na to pytanie Physics SE (patrz także to pytanie ) tylko parametry bezwymiarowe, takie jak stała drobnej struktury, mogą być oceniane pod kątem ich zmienności - inne stałe, takie jak , i są powiązane w naszym systemie (pomiar) jednostek, więc nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy się zmieniają, czy nie.c $G$$c$$h$

Biorąc przykład stałej stałej struktury, obserwacje linii absorpcji w kierunku odległych kwazarów nakładają silne ograniczenia na to, jak bardzo może się ona różnić w przestrzeni i czasie (oba są nierozłączne, ponieważ informacja potrzebuje skończonego czasu). W literaturze można znaleźć wiele różnych prób zrobienia tego - kilka wykopałem. Albareti i in. (2015) twierdzą, że odchylenie jest mniejsze niż kilka części na 100 000 do przesunięcia ku czerwieni o 1 (czas ważności około 8 miliardów lat). Podobne ograniczenia istnieją w przypadku eksperymentów przeprowadzanych w różnych częściach Układu Słonecznego. z drugiej strony, niektórzy autorzy twierdzą, że różnią się o kilka części na milion przy podobnych czasach retrospekcji lub w różnych kierunkach ( Murphy i in. 2008 ; King i in. 2012), ale roszczenia te są kwestionowane przez wielu, jeśli nie przez większość pracowników w terenie.

Istnieje obszerna recenzja tego tematu autorstwa Uzana (2011) , którą można przeczytać - to naprawdę szerokie pytanie. Moje streszczenie byłoby - w tej chwili nie ma przekonujących dowodów na jakiekolwiek różnice w przestrzeni i czasie.

Zacznijmy od środka:

Jaki jest najdalszy promień, jaki możemy udowodnić z Ziemi, z absolutną pewnością, że prawa fizyki się nie różnią?

Zero. Dowody znajdują się w matematyce i salach sądowych i są niemożliwe w naukach przyrodniczych. Najlepsze, co możemy zrobić, to mieć fałszywe teorie. Dotyczy to każdego opisu rzeczywistości - nie ma „dowodu” nawet na prawa grawitacji.

Co więc moglibyśmy zaobserwować, co powiedziałoby nam, że stałe fizyczne lub relacje między wielkościami fizycznymi są różne w innych częściach wszechświata lub w innym czasie jego istnienia?

• Grawitacja: w przypadku gromad galaktyk mamy niezależne pomiary masy z kilku różnych źródeł, które zgadzają się w obrębie (co prawda dużych) słupków błędów. Soczewkowanie grawitacyjne, dyspersja prędkości galaktyk prętowych i temperatury promieni rentgenowskich są zgodne. Wydaje się, że prawa grawitacji działają nawet przy przesunięciach ku czerwieni do 0,5 lub nawet więcej.
• Fizyka atomowa: Obserwujemy obiekty o bardzo przesuniętych ku czerwieni. Długość fali światła emitowanego przez te obiekty wydłuża się przez ekspansję wszechświata. Obserwacja przesuniętych ku czerwieni linii widmowych różnych pierwiastków chemicznych (lub cząsteczek) mówi nam, że fizyka atomowa działała tak samo, kiedy i gdzie emitowane jest to światło. Gdyby poziomy przejścia między orbitami elektronowymi zmieniały się w czasie, otrzymywalibyśmy różne przesunięcia ku czerwieni dla tych samych obiektów, w zależności od obserwowanej linii widmowej elementu.
• Nukleosyteza: Krótko po Wielkim Wybuchu temperatura obniżyła się tak, że protony i neutrony nie były już dłużej tworzone i niszczone. Wolny neutron ma pół życia około 8,5 minuty, zanim rozpadnie się na proton i elektron. Nasze teorie przewidują, że otrzymamy zawartość helu (2x proton, 2x neutron) we wszechświecie około 25%. (Reszta „normalnej” materii składa się zasadniczo z całego wodoru) i to właśnie obserwujemy. Teraz zawartość helu zależy zarówno od gęstości materii w czasie, kiedy to miało miejsce, jak i od połowy życia neutronu. Z innych spostrzeżeń (przychodzi mi na myśl BAO) jesteśmy dość pewni, że gęstość materii osiągnęła właściwą wartość. Co pozostawia jedynie niewielką przestrzeń do poruszania się na pół życia neutronu, a zatem na zmiany w słabej sile.
• Pokryliśmy grawitację, elektromagnetyzm i słabą siłę. Nie znam żadnego dobrego testu na siłę.

Aby zmienić prawa naturalne w czasie, możemy przyjrzeć się rozkładowi izotopów w skałach tutaj na ziemi. Powinniśmy być w stanie stwierdzić, czy szybkość rozpadu różnych pierwiastków była wcześniejsza, patrząc na liczbę dostępnych produktów rozpadu.

Podsumowując, nie możemy powiedzieć z „absolutną pewnością”, ale to, co obserwujemy, wydaje się wskazywać, że prawa naturalne są takie same w całym wszechświecie.

Nie możemy być tego pewni. Możemy jednak z pewnością stwierdzić, co by się złamało, gdyby nie było to prawdą, pod warunkiem, że pewne sformułowanie matematyczne jest prawidłowe. To jest twierdzenie Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR, co psuje, to zachowanie pędu liniowego. Jeśli weźmiesz pod uwagę, że prawa fizyki mogą zmieniać się w czasie, a nie w miejscu, łamie się zachowanie energii. Oba podlegają ograniczeniu, że sformułowanie Lagrangian jest ważne.

Spotkałem poważnych fizyków omawiających możliwość, że ta niezmienność czasu może nie mieć zastosowania w początkowych stadiach wszechświata. Konsekwencją tego byłby brak zachowania energii w największych skalach kosmologicznych, czyli tam, gdzie dowody na to prawo zachowania są najmniej mocne. (Musimy założyć istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, a także nie cały wszechświat jest obserwowalny).

Jednym z problemów związanych z twoim pytaniem jest to, że jest to trochę paradoks. Jeśli wydaje się, że prawo fizyki różni się w zależności od obserwowanego czasu / miejsca, z powodu tego, co to znaczy być prawem fizycznym, po prostu źle zrozumieliśmy samo prawo lub nie obserwujemy wszystkich działających sił.

Oto bardzo prosty przykład.

Ci ludzie nie znaleźli miejsca we wszechświecie, w którym grawitacja działa inaczej, są po prostu mocniej popychani przez wachlarz, niż grawitacja na nich przyciąga. Oczywiście, jeśli jedyną posiadaną przez nich informacją byłby ten obraz, nie wiedziałbyś o tym i mógłbyś pomyśleć, że grawitacja działa inaczej w miejscu, w którym się znajduje.

Jeśli naukowcy obserwują wariancje, jak zachowuje się prawo i po prostu machają ręką, mówiąc „och, prawo działa tam inaczej”, to nie jest to już nauka. Chcielibyśmy wiedzieć, dlaczego prawo wydaje się działać inaczej w zależności od miejsca.

Edytować:

Jednym z przykładów, które mogą być bardziej na punkcie OP, jest ciemna energia. Zauważamy, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, mimo że nasze prawa fizyki, a zwłaszcza grawitacja, przewidują, że jego ekspansja spowoduje spowolnienie. Zamiast wzruszyć ramionami i powiedzieć „dobrze, że prawa fizyki po prostu działają inaczej na krawędzi Wszechświata”, naukowcy opracowali teorię zwaną ciemną materią, aby wyjaśnić, dlaczego ekspansja Wszechświata przyspiesza pomimo grawitacji.

„Oni (prawa fizyki) różnią się na dwa naturalne sposoby:”

1. stałe w równaniach mogą się różnić lub

   Możliwy. Jesteśmy dość pewni co do wartości stałych aż do mniejszych skal astronomicznych (sub-galaktyk). W skali galaktycznej i poza nią mamy dziwne odchylenia od tego, czego byśmy się spodziewali. W skali galaktycznej obecnie przypisujemy odchylenia „ciemnej materii”, która wydaje mi się niczym więcej niż symbolem zastępczym dla nieznanego.

   W skali uniwersalnej pozornie przyspieszająca ekspansja wszechświata jest zwykle przypisywana innemu symbolowi zastępczemu nieznanej „ciemnej energii”; lub może to być ta ogólna teoria względności, jaką rozumiemy, że nie utrzymuje się na dużych skalach astronomicznych, tak że na przykład stała grawitacyjna w rzeczywistości nie jest stała, ani nic takiego. Jest to dość silny dowód na to, że to, co naszym zdaniem wiemy, jest złe lub niekompletne, więc odpowiedź brzmi „w skali uniwersalnej wiemy , że się mylimy”.

2. matematyka w równaniach może się różnić.

   To jedna z rzeczy, których jesteśmy dość pewni: matematyka się nie zmieni. Może być niekompletny, niewłaściwie zastosowany lub cokolwiek innego; ale matematyka jest jedyną rzeczą, która się nie zmienia.

3. Nie zapominajmy też, że na dole słynie „dużo miejsca”. Nie znamy nawet liczby wymiarów w bardzo małych skalach (pod jądrowych), nie wiemy, jak pojedyncze nici tkaniny czasoprzestrzeni są ze sobą połączone itp.

4. Na bardziej spekulacyjnym poziomie może to nie być jedyny wszechświat, ale na przykład tylko jeden odłamek wieloświata; Lee Smolin pisał o idei ewolucji wszechświatów. Pozostałe miałyby najprawdopodobniej różne stałe lub różniłyby się w inny zabawny sposób.

5. Na jeszcze bardziej spekulatywnym poziomie: jeśli zapytasz Elona Muska i innych, i tak żyjemy w Matrycy, a wszystkie prawa natury mogą ulec zmianie pod wpływem uderzenia klawisza równoważnego ze strony administratora systemu. Coś w stylu /gamemode 1 qwerty10, a twoja karta kredytowa nigdy nie jest pusta.

Nauka oparta jest na domysłach, parafrazując Feynmana. Domyślamy się, że coś działa w określony sposób. Dobre odgadnięcie wyjaśnia istniejące dane i pozwala przewidzieć, które można przetestować. Najlepsze zgadywanie to dobre zgadywanie, które jest najprostsze, tzn. Minimalizuje liczbę dodatkowych założeń. Więc założenie Newtona, że ​​grawitacja działa na planety w taki sam sposób, jak działa na rzucanie kamieniami podczas spaceru wzdłuż plaży, było w zasadzie tylko przypuszczeniem.

w żadnym wypadku nie jestem naukowcem, ani też astrofizykiem. Mam doświadczenie w elektrotechnice i ciekawość kosmologii. skończyłem tutaj zasadniczo, ponieważ szukam odpowiedzi na pytanie zadane powyżej.

wydaje mi się, że następujące informacje są istotne dla pytania: dość nowy (2017.09.20) artykuł opublikowany na stronie NASA wspomina badanie, które ujawnia, że ​​dwie metody obliczenia stałej Hubble'a (jedna oparta jest na obserwacjach typu Supernowe 1a, inne na CMB) nie zgadzają się (chociaż Standardowy Model Kosmologii przewiduje ich zgodność):

«Ostatnie badania z zastosowaniem pierwszej metody dały o 8% większą ekspansję niż wynik drugiej metody. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

w artykule nie wspomniano jasnego wyjaśnienia tej rozbieżności. na przykład być może są dziury w jednej lub obu metodach obliczeniowych.

jeśli dobrze rozumiem: ponieważ uważa się, że CMB informuje nas o wczesnym wszechświecie, ale nie jest tak w przypadku supernowych typu 1a, to innym możliwym wyjaśnieniem jest to, że oba pomiary są prawidłowe, a rozbieżność oznacza, że ​​coś się zmieniło w czasie . na przykład w artykule zadaje się pytanie «Czy właściwości ciemnej energii lub ciemnej materii zmieniają się w czasie? ». biorąc pod uwagę znaczenie stałej Hubble'a, być może wskazuje to na fakt, że fizyka zmieniła się z czasem.