Закони фізики через всесвіт

Як ми знаємо, що закони фізики однакові у всьому Всесвіті? Інтуїтивно я б сказав, що вони змінюватимуться двома природними способами: константи в рівняннях можуть змінюватися або математика в рівняннях може змінюватися. Як здогадка, вони могли змінитися протягом тривалого часу. Який найдальший радіус, який ми можемо довести із землі, з абсолютною впевненістю вважає, що закони фізики не змінюються? Я знаю, що це може бути не радіус, а більш складна форма, яку не можна просто описати радіусом.

Найближча відповідь, яку я можу придумати для радіусу, - це здогад. І ця здогадка заснована на найдальшому фізичному експерименті, який ми зробили із землі. Я думаю, що це експеримент з дзеркалами на Місяці. Тому, якщо припустити (я не знаю, чи це припущення абсолютно на 100% розумне), всі закони фізики дотримуються, оскільки цей експеримент працює. Тоді радіус - до Місяця. Це не дає конкретної відповіді на радіус, лише освічена здогадка.

Нічого не можна довести «з абсолютною впевненістю»; це не так, як працює наука.

Ми приймаємо робочу гіпотезу, що константи природи саме такі; як постійні у часі, так і в просторі. Потім ми проводимо експерименти, які намагаються фальсифікувати цю гіпотезу або принаймні встановити обмеження на те, наскільки може змінюватися щось.

З причин, які пояснюються у відповідях на це питання щодо фізики SE (див. Також це питання ), лише їх безрозмірні параметри, такі як константа тонкої структури, можуть оцінювати за їх варіацією - інші константи, такі як , і , пов'язані в нашій системі (вимірювальні) одиниці, тому ми не можемо сказати, змінюються вони чи ні.c $G$$c$$h$

Беручи до прикладу постійну тонку структуру, спостереження ліній поглинання у напрямку віддалених квазарів встановлюють сильні межі того, наскільки це може змінюватись у просторі та часі (обидва вони нероздільні, оскільки для отримання інформації до нас потрібен обмежений час). Тож у літературі можна знайти багато різних спроб зробити це - я викопав декілька. Альбарети та ін. (2015) говорять, що варіація менша, ніж пара частин, на 100 000 до червоного зміщення 1 (час огляду приблизно 8 мільярдів років або більше. Подібні обмеження існують для експериментів, проведених в різних частинах Сонячної системи. з іншого боку, деякі автори заявляють про відхилення в декількох частинах на мільйон у подібні часи огляду або в різні сторони ( Murphy et al. 2008 ; King et al. 2012), але ці вимоги оскаржують багато, якщо не більшість працівників галузі.

Існує масовий огляд цієї теми Узаном (2011) , який ви могли прочитати - це справді питання широке. Моє резюме було б - на даний момент немає переконливих доказів будь-яких змін у просторі та часі.

Почнемо з середини:

Який найдальший радіус, який ми можемо довести із землі, з абсолютною впевненістю, що закони фізики не змінюються?

Нуль. Докази знайдені в кабінетах з математики та судових засідань, а в природничих науках неможливі. Найкраще, що ми можемо зробити - це підроблені теорії. Це стосується кожного опису реальності - немає навіть «доказів» навіть для Законів Гравітації.

Отже, що ми могли б спостерігати, що говорило б про те, що фізичні константи або зв’язки між фізичними величинами різні в інших частинах Всесвіту або в інші часи його існування?

• Гравітація: Для кластерів галактик ми маємо незалежні вимірювання маси з декількох різних джерел, які погоджуються в межах їх (правда, великих) смуг помилок. Гравітаційне лінзування, дисперсія швидкостей галактик-членів та рентгенівські температури узгоджуються. Тож закони гравітації, здається, працюють навіть на червоних змінах до 0,5 і навіть вище.
• Атомна фізика: ми спостерігаємо сильно змінені предмети. Довжина хвилі світла, що випромінюється цими об'єктами, збільшується за рахунок розширення Всесвіту. Спостереження за червоними зміщеними спектральними лініями різних хімічних елементів (або молекул) говорить про те, що атомна фізика працювала однаково, коли і куди випромінювалося це світло. Якби рівні переходу між орбітами електронів змінювались з часом, ми отримали різні червоні зміщення для одних і тих же об'єктів залежно від спектральної лінії елемента, яку ми спостерігаємо.
• Нуклеосистеза: незабаром після великого удару температура знизилася настільки, що протони та нейтрони більше не створювались та руйнувалися постійно. Вільний нейтрон має напівжиття приблизно 8,5 хвилин, перш ніж він розпадається на протон і електрон. Наші теорії передбачають, що ми отримаємо вміст гелію (2x протон, 2x нейтрон) у Всесвіті приблизно 25%. (Решта "нормальної" матерії - це по суті весь водень), і саме це ми спостерігаємо. Тепер вміст гелію залежить як від густини речовини в той час, як це відбулося, так і від напівжиття нейтрона. З інших спостережень (BAO приходить на думку) ми досить впевнені, що ми правильно зрозуміли щільність речовини. Що залишає лише невелику трясовину для напівживого нейтрону, а отже, і для зміни слабкої сили.
• Ми охопили гравітацію, електромагнетизм та слабку силу. Я не знаю жодного хорошого випробування на сильну силу.

Для зміни природних законів у часі ми можемо подивитися на розподіл ізотопів у скелях тут, на землі. Ми повинні бути в змозі сказати, чи різнилася швидкість занепаду різних елементів у попередні часи, дивлячись, скільки навколо кожного з продуктів їх розпаду.

Підводячи підсумок, ми не можемо сказати з «абсолютною впевненістю», але те, що ми спостерігаємо, вказує на те, що природні закони однакові в усьому Всесвіті.

Ми не можемо знати напевно. Однак ми можемо з упевненістю констатувати, що було б порушено, якби це не було правдою, за умови, що певна математична постановка є дійсною. Це теорема Нітера https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR, що порушується, - це збереження лінійного імпульсу. Якщо ви вважаєте, що закони фізики можуть залежати від часу, а не від місця, то це порушує збереження енергії. Обидва обмежуються тим, що рецептура Лагрангія є дійсною.

Я зіштовхувався з серйозними фізиками, які обговорювали можливість того, що ця інваріантність за часом може не мати ранніх стадій Всесвіту. Наслідком цього було б незбереження енергії на найбільших космологічних масштабах, саме там докази цього закону збереження є найменш сильними. (Нам належить визначити існування темної матерії та темної енергії, а також не все Всесвіт спостерігається).

Одна з проблем вашого питання полягає в тому, що це трохи парадокс. Якщо здається, що Закон фізики змінюється залежно від часу / місця, що дотримується, то через те, що це означає бути фізичним законом, ми просто неправильно зрозуміли сам закон або не дотримуємося всіх сил на роботі.

Ось надзвичайно простий приклад.

Ці люди не знайшли місця у Всесвіті, де гравітація діє по-іншому, їх просто натискає вентилятор сильніше, ніж сила тяжіння на них. Звичайно, якби єдиною інформацією, яку ви мали про них, була ця картина, ви б цього не знали і могли б подумати, що гравітація діє по-іншому там, де вони є.

Якщо вчені спостерігають розбіжності в тому, як веде себе закон і просто махає рукою, кажучи "ой закон там працює інакше", то це вже не наука. Ми хотіли б знати, чому закон, схоже, діє в одному місці проти іншого.

Редагувати:

Одним із прикладів, що, можливо, більше стосується точки зору ОП - темна енергія. Ми спостерігаємо, що Всесвіт розширюється зі швидкістю, навіть якщо наші Закони фізики, зокрема, гравітація передбачають, що його розширення призведе до уповільнення. Замість того, щоб знизати плечима і сказати, "добре Закони фізики просто працюють по-різному на межі Всесвіту", вчені теоретизували щось, що називається темною речовиною, щоб пояснити, чому розширення Всесвіту прискорюється, незважаючи на тяжкість.

"Вони (закони фізики) відрізнялися б двома природними способами:"

1. константи в рівняннях можуть змінюватися або

   Можливо. Ми досить впевнені у значенні констант до менших астрономічних масштабів (підгалактика). У галактичному масштабі і далі ми маємо дивні відхилення від того, що ми очікували. У галактичному масштабі ми зараз приписуємо відхилення «темній матерії», що мені здається трохи більше, ніж заповнювач місця для невідомого.

   У універсальному масштабі, очевидно, що прискорюється розширення Всесвіту, як правило, приписують інший заповнювач для невідомої "темної енергії"; або це може бути те, що загальна відносність, як ми розуміємо, не тримається на великих астрономічних масштабах, так що, наприклад, гравітаційна константа насправді не є постійною, або будь-якою іншою Це досить вагомий доказ того, що те, що ми думаємо знати, є неправильним або неповним, тому відповідь "у загальному масштабі ми знаємо, що ми помиляємося".

2. математика в рівняннях може змінюватися.

   Це одне, в чому ми досить впевнені: математика не змінюватиметься. Він може бути неповним, неправильно застосованим чи будь-яким іншим; але математика - це одне, що не змінюється.

3. Не забуваймо і про те, що внизу є «багато місця внизу». Ми навіть не знаємо кількості розмірів на дуже малих (субядерних) масштабах, ми не знаємо, як з’єднуються одинарні нитки тканини космічного часу тощо.

4. На більш спекулятивному рівні це може бути не єдиний Всесвіт, а, наприклад, лише один осколок мультиварки; Лі Смолін писав про ідею еволюції всесвітів. Інші з них мали б, швидше за все, різні константи, або відрізнялися якимсь іншим смішним способом.

5. На ще більш спекулятивному рівні: якщо ви запитаєте Елона Маск та інших, ми все одно живемо в Матриці, і всі закони природи можуть змінюватися за примхою еквівалента натискання клавіш адміністратором sys. Щось на зразок /gamemode 1 qwerty10, і ваша кредитна картка ніколи не порожня.

Наука ґрунтується на здогадах, перефразовуючи Фейнмана. Ми здогадуємось, що щось працює певним чином. Хороша здогадка пояснює наявні дані та робить прогнози, які можна перевірити. Найкраща здогадка - це найпростіша здогадка, тобто мінімізує кількість додаткових припущень. Тож припущення Ньютона про те, що гравітація працює для планет так само, як і для кидання каміння під час прогулянки по пляжу, по суті, було лише здогадкою.

я ні в якому разі не вчений, а отже, і не астрофізик. У мене є досвід електротехніки та цікавість до космології. я закінчився тут по суті, тому що шукаю відповіді на питання, поставлене вище.

мені здається, що наступна інформація є критичною для цього питання: досить недавня стаття (2017.09.20), опублікована на веб-сайті NASA, згадує дослідження, яке показує, що два методи, що використовуються для обчислення константи Хаббла (один заснований на спостереженнях типу 1а супернові, інші в CMB) не згодні (хоча Стандартна модель космології передбачає їх згоду):

«Недавнє дослідження, що використовувало перший метод, дало 8% більший показник розширення, ніж результат другого методу. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

у статті не згадується чіткого пояснення цієї невідповідності. наприклад, можливо, в одному або обох методах обчислення є отвори.

якщо я правильно розумію: оскільки вважається, що КМБ повідомляє нас про ранній Всесвіт, але це не так для наднових типів 1а, то іншим можливим поясненням є те, що обидва вимірювання є дійсними, а невідповідність означає, що щось змінилося з часом . Наприклад, стаття задає питання «Чи змінюються властивості темної енергії або темної матерії з часом? ». зважаючи на важливість постійної Хаббла, можливо, це вказує на той факт, що фізика змінилася з часом.