Законы физики во вселенной

Откуда мы знаем, что законы физики одинаковы во всей вселенной? Интуитивно я бы сказал, что они будут меняться двумя естественными способами: константы в уравнениях могут меняться или математика в уравнениях может меняться. Как предположение, они могут измениться в течение длительного времени. Какой самый дальний радиус, который мы можем доказать с Земли, с абсолютной уверенностью, что законы физики не меняются? Я знаю, что это может быть не радиус, а более сложная форма, которую нельзя просто описать радиусом.

Ближайший ответ, который я могу придумать для радиуса - это предположение. И это предположение основано на самом дальнем физическом эксперименте, который мы провели с Земли. Я думаю, что это эксперимент с зеркалами на Луне. Поэтому, если мы предположим (я не знаю, является ли это предположение полностью обоснованным на 100%), все законы физики выполняются, потому что этот эксперимент работает. Тогда радиус до луны. Это не дает конкретного ответа для радиуса, просто обоснованное предположение.

Ничто не может быть доказано «с абсолютной уверенностью»; это не так, как работает наука.

Мы принимаем рабочую гипотезу о том, что константы природы являются именно такими; оба постоянны во времени и пространстве. Затем мы проводим эксперименты, которые пытаются опровергнуть эту гипотезу или, по крайней мере, наложить ограничения на то, насколько все может измениться.

По причинам, которые объясняются в ответах на этот вопрос Physics SE (см. Также этот вопрос ), только безразмерные параметры, такие как константа тонкой структуры, могут быть оценены для их изменения - другие константы, такие как , и , связаны в нашей системе (измерения), поэтому мы не можем сказать, меняются они или нет.с $G$$c$$h$

На примере постоянной тонкой структуры наблюдения за линиями поглощения в направлении далеких квазаров накладывают сильные ограничения на то, насколько сильно это может изменяться в пространстве и времени (они неразделимы, так как для перемещения информации к нам требуется ограниченное время). Так что вы можете найти много разных попыток сделать это в литературе - я выкопал несколько. Albareti et al. (2015) говорят, что изменение составляет менее пары частей на 100 000 с красным смещением 1 (время возврата около 8 миллиардов лет или около того. Аналогичные ограничения существуют для экспериментов, проводимых в разных частях Солнечной системы. с другой стороны, некоторые авторы утверждают, что вариации в несколько частей на миллион при одинаковом времени просмотра или в разных направлениях ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), но эти претензии оспариваются многими, если не большинством работников на местах.

Узан (2011) предлагает обширный обзор этой темы , который вы можете прочитать - это действительно широкий вопрос. Мое резюме было бы - на данный момент нет убедительных доказательств каких-либо изменений в пространстве и времени.

Давайте начнем с середины:

Какой самый дальний радиус, который мы можем доказать с Земли, с абсолютной уверенностью, что законы физики не меняются?

Нуль. Доказательства найдены в математике и залах суда, и невозможны в естествознании. Лучшее, что мы можем сделать, - это подделать теории. Это справедливо для любого описания реальности - нет «доказательств» даже для законов гравитации.

Итак, что мы можем наблюдать, чтобы сказать нам, что физические константы или отношения между физическими величинами различны в других частях вселенной или в другое время во время ее существования?

• Гравитация: для скоплений галактик у нас есть независимые измерения массы из нескольких различных источников, которые согласуются в пределах (предположительно больших) погрешностей. Гравитационное линзирование, дисперсия скоростей галактик-членов и рентгеновские температуры - все в согласии. Таким образом, законы гравитации работают даже при красных смещениях до 0,5 или даже выше.
• Атомная физика: мы наблюдаем очень красные объекты. Длина волны света, излучаемого этими объектами, увеличивается благодаря расширению Вселенной. Наблюдение красных смещенных спектральных линий различных химических элементов (или молекул) говорит нам о том, что атомная физика работала одинаково, когда и где испускался этот свет. Если бы уровни перехода между электронными орбитами менялись с течением времени, мы получали бы разные красные смещения для одних и тех же объектов в зависимости от того, какую спектральную линию элемента мы наблюдаем.
• Нуклеосинтез: вскоре после большого взрыва температура снизилась так, что протоны и нейтроны больше не создавались и не разрушались постоянно. Свободный нейтрон имеет период полураспада около 8,5 минут, прежде чем он распадается на протон и электрон. Наши теории предсказывают, что мы получим содержание гелия (2x протон, 2x нейтрон) во вселенной около 25%. (Остальная часть «нормальной» материи - это, по сути, весь водород), и это действительно то, что мы наблюдаем. Теперь содержание гелия зависит как от плотности вещества в то время, когда это произошло, так и от периода полураспада нейтрона. Из других наблюдений (на ум приходит BAO) мы совершенно уверены, что мы поняли плотность вещества примерно правильно. Что оставляет лишь небольшое пространство для маневра для периода полураспада нейтрона и, следовательно, для изменения слабой силы.
• Мы рассмотрели гравитацию, электромагнетизм и слабую силу. Я не знаю хорошего теста на сильную силу.

Для изменения естественных законов с течением времени мы можем посмотреть на распределение изотопов в горных породах здесь на земле. Мы должны быть в состоянии сказать, отличалась ли скорость распада различных элементов в более ранние времена, посмотрев, сколько из каждого из их продуктов распада вокруг.

Подводя итог, мы не можем сказать с «абсолютной уверенностью», но то, что мы наблюдаем, кажется, указывает, что естественные законы одинаковы во всей вселенной.

Мы не можем знать наверняка. Однако мы можем с уверенностью заявить, что было бы нарушено, если бы оно не было правдой, при условии, что определенная математическая формулировка верна. Это теорема Нётера https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR, что ломает, это сохранение линейного импульса. Если вы считаете, что законы физики могут меняться со временем, а не с места, то нарушается сохранение энергии. Оба подлежат ограничению, что лагранжева формулировка верна.

Я сталкивался с серьезными физиками, обсуждающими возможность того, что эта временная инвариантность может не иметь места для ранних стадий вселенной. Следствием этого будет несохранение энергии в самых больших космологических масштабах, где доказательства этого закона сохранения наименее убедительны. (Мы должны утверждать о существовании темной материи и темной энергии, а также не вся вселенная наблюдаема).

Одна проблема с вашим вопросом в том, что это немного парадокс. Если кажется, что закон физики меняется в зависимости от наблюдаемого времени / места, из-за того, что значит быть физическим законом, мы просто неправильно поняли сам закон или не наблюдаем все действующие силы.

Вот супер простой пример.

Эти люди не нашли места во вселенной, где гравитация действует по-другому, их просто толкает веер сильнее, чем гравитация обрушивает на них. Конечно, если бы единственная информация, которую вы имели о них, была эта картина, вы не знали бы об этом и могли бы подумать, что гравитация действует там, где они есть.

Если учёные наблюдают за отклонениями, это то, как закон ведет себя, и просто машет рукой, говоря: «О, закон там работает иначе», тогда это уже не наука. Мы хотели бы знать, почему закон работает по-разному в одном месте по сравнению с другим.

Редактировать:

Один пример, который, возможно, больше подходит для ОП, - это темная энергия. Мы наблюдаем, что Вселенная расширяется с возрастающей скоростью, хотя наши законы физики, в частности гравитация, предсказывают, что ее расширение приведет к ее замедлению. Вместо того, чтобы пожать плечами и сказать: «Ну, законы физики просто работают на краю Вселенной», ученые теоретизировали нечто, называемое темной материей, чтобы объяснить, почему расширение Вселенной ускоряется, несмотря на гравитацию.

«Они (законы физики) будут меняться двумя естественными способами:»

1. константы в уравнениях могут изменяться или

   Возможный. Мы достаточно уверены в значениях постоянных вплоть до меньших астрономических масштабов (субгалактика). В галактическом масштабе и за его пределами мы имеем странные отклонения от того, что мы ожидаем. В галактическом масштабе мы в настоящее время приписываем отклонения «темной материи», которая мне кажется немного больше, чем место для неизвестного.

   В универсальном масштабе очевидно ускоряющееся расширение вселенной обычно приписывается другому заполнителю неизвестной «темной энергии»; или это может быть из-за того, что общая теория относительности, как мы понимаем, не имеет места в больших астрономических масштабах, так что, например, гравитационная постоянная на самом деле не является постоянной или чем-то еще. Это довольно убедительное доказательство того, что то, что мы думаем узнать, является неправильным или неполным, поэтому ответ таков: «в универсальном масштабе мы знаем, что мы неправы».

2. математика в уравнениях может меняться.

   Это единственное, в чем мы уверены: математика не изменится. Это может быть неполным, или неправильно применено, или что-то еще; но математика - это то, что не меняется.

3. Давайте также не будем забывать, что есть "много места на дне". Мы даже не знаем количество измерений в очень малых (субъядерных) масштабах, мы не знаем, как связаны нити ткани пространства-времени и т. Д.

4. На более умозрительном уровне это может быть не единственная вселенная, а, например, только один осколок мультивселенной; Ли Смолин писал об идее эволюции вселенных. Другие, скорее всего, будут иметь разные константы или отличаться другим забавным способом.

5. На еще более спекулятивном уровне: если вы спросите Элона Маск и других, мы все равно будем жить в Матрице, и все законы природы могут быть изменены по желанию клавишного администратора. Что-то вроде /gamemode 1 qwerty10, и ваша кредитная карта никогда не пустует.

Наука основана на догадках, перефразируя Фейнмана. Мы предполагаем, что что-то работает определенным образом. Хорошее предположение объясняет существующие данные и делает прогнозы, которые можно проверить. Лучшее предположение - это хорошее предположение, которое является самым простым, то есть минимизирует количество дополнительных предположений. Таким образом, предположение Ньютона о том, что гравитация работает для планет так же, как и при бросании камней во время прогулки по пляжу, было, по сути, всего лишь предположением.

я ни в коем случае не ученый, а значит, и астрофизик. У меня есть опыт работы в области электротехники и интерес к космологии. Я оказался здесь, по сути, потому что я ищу ответы на вопрос, заданный выше.

мне кажется, что следующая информация относится к этому вопросу: в довольно недавней (2017.09.20) статье, опубликованной на веб-сайте НАСА, упоминается исследование, в котором показано, что два метода, используемых для вычисления постоянной Хаббла (один основан на наблюдениях типа 1a сверхновые, другой на CMB) не согласен (хотя Стандартная модель космологии предсказывает их согласие):

«Недавнее исследование с использованием первого метода дало на 8% большую степень расширения, чем результат второго метода. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contenious-constant-news

в статье не упоминается четкое объяснение этой несоответствия. например, возможно, есть дыры в одном или обоих методах вычисления.

если я правильно понимаю: так как считается, что CMB информирует нас о ранней вселенной, но это не так для сверхновых типа 1a, то другое возможное объяснение состоит в том, что оба измерения верны, а дискретность означает, что что-то изменилось со временем , например, в статье задается вопрос «Или свойства темной энергии или темной материи меняются со временем? ». учитывая важность постоянной Хаббла, возможно, это указывает на тот факт, что физика изменилась со временем.