Die Gesetze der Physik durch das Universum

Woher wissen wir, dass die Gesetze der Physik im gesamten Universum gleich sind? Intuitiv würde ich sagen, dass sie auf zwei natürliche Arten variieren: Die Konstanten in den Gleichungen können variieren oder die Mathematik in den Gleichungen kann variieren. Vermutlich könnten sie sich über einen langen Zeitraum ändern. Was ist der weiteste Radius, den wir von der Erde aus mit absoluter Gewissheit nachweisen können, dass die Gesetze der Physik nicht variieren? Mir ist bewusst, dass dies kein Radius ist, sondern eine komplexere Form, die nicht einfach durch einen Radius beschrieben werden kann.

Die nächste Antwort, die ich mir für einen Radius vorstellen kann, ist eine Vermutung. Und diese Vermutung basiert auf dem weitesten physikalischen Experiment, das wir von der Erde aus durchgeführt haben. Was ich für ein Experiment mit Spiegeln auf dem Mond halte. Wenn wir davon ausgehen (ich weiß nicht, ob diese Annahme zu 100% vernünftig ist), gelten daher alle physikalischen Gesetze, da dieses Experiment funktioniert. Dann ist der Radius zum Mond. Dies gibt keine konkrete Antwort auf den Radius, nur eine fundierte Vermutung.

Nichts kann "mit absoluter Sicherheit" bewiesen werden; So funktioniert Wissenschaft nicht.

Wir nehmen eine Arbeitshypothese an, dass die Konstanten der Natur genau das sind; sowohl zeitlich als auch räumlich konstant. Dann führen wir Experimente durch, die versuchen, diese Hypothese zu verfälschen oder zumindest einzugrenzen, um wie viel sich die Dinge ändern könnten.

Aus Gründen, die in den Antworten auf diese Physics SE-Frage erläutert werden (siehe auch diese Frage ), können nur dimensionslose Parameter wie die Feinstrukturkonstante auf ihre Variation hin bewertet werden - andere Konstanten wie , und sind in unserem System von gebunden (Mess-) Einheiten können wir also nicht sagen, ob sie sich ändern oder nicht.c $G$$c$$h$

Am Beispiel der Feinstrukturkonstante schränken Beobachtungen von Absorptionslinien in Richtung entfernter Quasare stark ein, um wie viel sich diese räumlich und zeitlich verändert haben können (die beiden sind untrennbar miteinander verbunden, da Informationen nur in begrenzter Zeit zu uns gelangen). Man findet also in der Literatur viele verschiedene Versuche, dies zu tun - ich habe ein paar ausgegraben. Albareti et al. (2015) sagen, die Variation beträgt weniger als ein paar Teile in 100.000 zu einer Rotverschiebung von 1 (eine Rückblickzeit von ungefähr 8 Milliarden Jahren). Ähnliche Einschränkungen bestehen für Experimente, die in verschiedenen Teilen des Sonnensystems durchgeführt wurden Auf der anderen Seite behaupten einige Autoren, Variationen von wenigen Teilen pro Million bei ähnlichen Lookback-Zeiten oder in verschiedenen Richtungen ( Murphy et al. 2008 ; King et al. 2012)), aber diese Behauptungen werden von vielen, wenn nicht den meisten Arbeitnehmern in diesem Bereich bestritten.

Es gibt eine massive Rezension zu diesem Thema von Uzan (2011) , die Sie lesen können - das ist wirklich eine breite Frage. Meine Zusammenfassung wäre - im Moment gibt es keine überzeugenden Beweise für eine Variation in Raum und Zeit.

Beginnen wir in der Mitte:

Was ist der weiteste Radius, den wir von der Erde aus mit absoluter Gewissheit nachweisen können, dass die Gesetze der Physik nicht variieren?

Null. Beweise finden sich in Mathematik und Gerichtssälen und sind in den Naturwissenschaften unmöglich. Das Beste, was wir tun können, ist, fälschbare Theorien zu haben. Dies gilt für jede Beschreibung der Realität - selbst für die Gesetze der Schwerkraft gibt es keinen "Beweis".

Was könnten wir also beobachten, das uns sagen würde, dass physikalische Konstanten oder Beziehungen zwischen physikalischen Größen in anderen Teilen des Universums oder zu anderen Zeiten während seiner Existenz unterschiedlich sind?

• Schwerkraft: Für Galaxienhaufen haben wir unabhängige Massenmessungen aus verschiedenen Quellen, die innerhalb ihrer (zugegebenermaßen großen) Fehlerbalken übereinstimmen. Gravitationslinsen, Geschwindigkeitsdispersion der Mitgliedsgalaxien und Röntgentemperaturen stimmen überein. Die Gesetze der Schwerkraft scheinen also auch bei Rotverschiebungen bis zu 0,5 oder noch höher zu wirken.
• Atomphysik: Wir beobachten stark rotverschobene Objekte. Die Wellenlänge des von diesen Objekten emittierten Lichts wird durch die Expansion des Universums verlängert. Die Beobachtung der rotverschobenen Spektrallinien verschiedener chemischer Elemente (oder Moleküle) zeigt, dass die Atomphysik zu dem Zeitpunkt und an dem Ort, an dem dieses Licht emittiert wurde, auf die gleiche Weise funktioniert hat. Wenn sich die Übergangspegel zwischen den Elektronenbahnen im Laufe der Zeit geändert hätten, würden wir für dieselben Objekte unterschiedliche Rotverschiebungen erhalten, je nachdem, welche Spektrallinie des Elements wir beobachten.
• Nucleosythese: Kurz nach dem Urknall wurde die Temperatur gesenkt, so dass keine Protonen und Neutronen mehr erzeugt und ständig zerstört wurden. Ein freies Neutron hat eine Halbwertszeit von etwa 8,5 Minuten, bevor es in ein Proton und ein Elektron zerfällt. Unsere Theorien sagen voraus, dass wir im Universum einen Heliumgehalt (2x Proton, 2x Neutron) von etwa 25% erhalten würden. (Der Rest der "normalen" Materie besteht im Wesentlichen nur aus Wasserstoff), und das beobachten wir in der Tat. Nun ist der Heliumgehalt sowohl von der Materiedichte zum Zeitpunkt dieses Vorgangs als auch von der Halbwertszeit des Neutrons abhängig. Aus anderen Beobachtungen (BAO kommen in den Sinn) sind wir ziemlich sicher, dass wir die Materiedichte ungefähr richtig verstanden haben. So bleibt nur ein kleiner Wackelraum für die Halbwertszeit des Neutrons und damit für Änderungen der schwachen Kraft.
• Wir haben die Schwerkraft, den Elektromagnetismus und die schwache Kraft behandelt. Ich kenne keinen guten Test für die starke Kraft.

Um die Naturgesetze im Laufe der Zeit zu ändern, können wir die Isotopenverteilung in Gesteinen hier auf der Erde untersuchen. Wir sollten in der Lage sein zu erkennen, ob die Zerfallsrate verschiedener Elemente zu früheren Zeiten unterschiedlich war, indem wir uns ansehen, wie viele ihrer Zerfallsprodukte es gibt.

Zusammenfassend kann man nicht mit "absoluter Gewissheit" sagen, aber was wir beobachten, scheint darauf hinzudeuten, dass die Naturgesetze im gesamten Universum gleich sind.

Wir können nicht sicher wissen. Wir können jedoch mit Zuversicht sagen, was zerbrochen wäre, wenn dies nicht der Fall wäre, sofern eine bestimmte mathematische Formulierung gültig ist. Dies ist der Satz von Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR, was bricht, ist die Erhaltung des linearen Impulses. Wenn Sie bedenken, dass die Gesetze der Physik mit der Zeit und nicht mit dem Ort variieren können, dann ist es die Erhaltung der Energie, die bricht. Beides unter der Bedingung, dass eine Lagrange-Formulierung gültig ist.

Ich habe ernsthafte Physiker getroffen, die über die Möglichkeit diskutiert haben, dass diese Zeitinvarianz für die frühen Stadien des Universums nicht gilt. Die Konsequenz wäre die Nichterhaltung von Energie auf den größten kosmologischen Skalen, wo die Beweise für dieses Erhaltungsgesetz am wenigsten stark sind. (Wir müssen die Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie unterstellen, und auch nicht alles Universum ist beobachtbar).

Ein Problem mit Ihrer Frage ist, dass es ein bisschen paradox ist. Wenn ein Gesetz der Physik abhängig von der Zeit und dem Ort, an dem es eingehalten wird, zu variieren scheint, haben wir das Gesetz selbst einfach falsch verstanden oder beobachten nicht alle Kräfte bei der Arbeit.

Hier ist ein super einfaches Beispiel.

Diese Menschen haben keinen Ort im Universum gefunden, an dem sich die Schwerkraft anders verhält. Sie werden einfach von einem Fan härter gedrückt, als die Schwerkraft auf sie drückt. Natürlich, wenn die einzige Information, die Sie über sie hatten, dieses Bild wäre, würden Sie das nicht wissen und könnten denken, dass die Schwerkraft sich anders verhält, wo sie sich befinden.

Wenn Wissenschaftler Abweichungen beobachten, wie sich ein Gesetz verhält und einfach mit der Hand wedelt und sagt "Oh, das Gesetz funktioniert dort anders", dann ist das keine Wissenschaft mehr. Wir möchten wissen, warum das Gesetz an einem Ort anders zu wirken scheint als an einem anderen.

Bearbeiten:

Ein Beispiel, das für OP vielleicht wichtiger ist, ist die Dunkle Energie. Wir beobachten, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt, obwohl unsere Gesetze der Physik, insbesondere die Schwerkraft, vorhersagen, dass seine Ausdehnung dazu führen würde, dass es langsamer wird. Anstatt mit den Schultern zu zucken und zu sagen, "Nun, die Gesetze der Physik funktionieren am Rande des Universums anders", theoretisierten Wissenschaftler etwas, das als dunkle Materie bezeichnet wird, um zu erklären, warum die Expansion des Universums trotz der Schwerkraft beschleunigt wird.

"Sie (die Gesetze der Physik) würden auf zwei natürliche Arten variieren:"

1. die Konstanten in den Gleichungen können variieren oder

   Möglich. Wir sind uns ziemlich sicher über die Werte von Konstanten bis zu kleineren astronomischen Maßstäben (Subgalaxie). Auf der galaktischen Skala und darüber hinaus haben wir merkwürdige Abweichungen von dem, was wir erwarten würden. Auf der galaktischen Skala führen wir die Abweichungen derzeit auf die "Dunkle Materie" zurück, die für mich kaum mehr als ein Platzhalter für das Unbekannte zu sein scheint.

   Auf einer universellen Skala wird die scheinbar beschleunigte Expansion des Universums gewöhnlich einem anderen Platzhalter für die unbekannte "Dunkle Energie" zugeschrieben; oder es kann sein, dass die allgemeine Relativitätstheorie, wie wir sie verstehen, keine großen astronomischen Maßstäbe hat, so dass zum Beispiel die Gravitationskonstante in Wirklichkeit keine Konstante ist, oder was auch immer. Dies ist ein ziemlich starker Beweis dafür, dass das, was wir zu wissen glauben, falsch oder unvollständig ist. Daher lautet die Antwort "auf der universellen Ebene wissen wir , dass wir falsch liegen".

2. Die Mathematik in den Gleichungen kann variieren.

   Da sind wir uns ziemlich sicher: Die Mathematik wird nicht variieren. Es kann unvollständig sein oder falsch angewendet werden oder was auch immer; Aber die Mathematik ist die einzige Sache, die nicht variiert.

3. Vergessen wir auch nicht, dass es bekanntlich "viel Platz unten" gibt. Wir kennen nicht einmal die Anzahl der Dimensionen in sehr kleinen (subnuklearen) Maßstäben, wir wissen nicht, wie die einzelnen Fäden des Gewebes der Raumzeit zusammengewirkt sind usw.

4. Auf einer spekulativeren Ebene ist dies möglicherweise nicht das einzige Universum, sondern beispielsweise nur eine Scherbe eines Multiversums. Lee Smolin schrieb über die Idee einer Evolution der Universen. Die anderen hätten höchstwahrscheinlich andere Konstanten oder würden sich auf andere witzige Weise unterscheiden.

5. Noch spekulativer: Wenn Sie Elon Musk und andere fragen, leben wir ohnehin in der Matrix, und alle Naturgesetze können sich auf Knopfdruck des Sys-Administrators ändern. Sowas /gamemode 1 qwerty10und deine Kreditkarte läuft nie leer.

Die Wissenschaft basiert auf Vermutungen, die Feynman umschreiben. Wir vermuten, dass etwas auf eine bestimmte Weise funktioniert. Eine gute Schätzung erklärt die vorhandenen Daten und macht Vorhersagen, die getestet werden können. Die beste Schätzung ist die einfachste, dh sie minimiert die Anzahl zusätzlicher Annahmen. Die Annahme von Newton, dass die Schwerkraft für Planeten genauso funktioniert wie für das Werfen von Steinen beim Gehen entlang eines Strandes, war im Wesentlichen nur eine Vermutung.

ich bin keineswegs wissenschaftler, also auch kein astrophysiker. Ich habe einen Hintergrund in Elektrotechnik und eine Neugier für Kosmologie. Ich bin im Wesentlichen hier gelandet, weil ich nach Antworten auf die oben gestellte Frage suche.

Die folgenden Informationen scheinen mir für die Frage relevant zu sein: In einem relativ neuen Artikel (20.09.2017) auf der NASA-Website wird eine Studie erwähnt, aus der hervorgeht, dass die beiden Methoden zur Berechnung der Hubble-Konstante (eine basiert auf Beobachtungen des Typs) verwendet werden 1a Supernovae, die andere auf der CMB) nicht einverstanden (obwohl das Standardmodell der Kosmologie ihre Übereinstimmung vorhersagt):

«Eine kürzlich durchgeführte Studie mit der ersten Methode ergab eine um 8% höhere Expansionsrate als das Ergebnis der zweiten Methode. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

Der Artikel enthält keine eindeutige Erklärung für diese Diskrepanz. Beispielsweise gibt es möglicherweise Lücken in einer oder beiden Berechnungsmethoden.

wenn ich richtig verstehe: da angenommen wird, dass der CMB uns über das frühe Universum informiert, dies jedoch nicht für Supernovae vom Typ 1a gilt, ist eine andere mögliche Erklärung, dass beide Messungen gültig sind und die Diskrepanz bedeutet, dass sich etwas im Laufe der Zeit geändert hat . Der Artikel stellt zum Beispiel die Frage: «Oder ändern sich die Eigenschaften der dunklen Energie oder der dunklen Materie im Laufe der Zeit? ». Angesichts der Bedeutung der Hubble-Konstante deutet dies möglicherweise auf die Tatsache hin, dass sich die Physik im Laufe der Zeit geändert hat.