Các định luật vật lý xuyên qua vũ trụ

Làm thế nào để chúng ta biết các định luật vật lý là giống nhau trong toàn vũ trụ? Theo trực giác tôi sẽ nói rằng chúng sẽ thay đổi theo hai cách tự nhiên: các hằng số trong các phương trình có thể thay đổi hoặc toán học trong các phương trình có thể khác nhau. Như một phỏng đoán họ có thể thay đổi trong một thời gian dài. Bán kính xa nhất mà chúng ta có thể chứng minh từ trái đất, với sự chắc chắn tuyệt đối, rằng các định luật vật lý không thay đổi? Tôi biết rằng đây có thể không phải là bán kính mà là một hình dạng phức tạp hơn không thể được mô tả đơn giản bằng bán kính.

Câu trả lời gần nhất tôi có thể nghĩ cho bán kính là một phỏng đoán. Và dự đoán đó dựa trên thí nghiệm vật lý xa nhất mà chúng ta đã thực hiện từ trái đất. Mà tôi nghĩ là một thí nghiệm với gương trên mặt trăng. Do đó, nếu chúng ta giả định (tôi không biết liệu giả định này hoàn toàn hợp lý 100%) thì tất cả các định luật vật lý đều áp dụng vì thí nghiệm này có hiệu quả. Sau đó bán kính là đến mặt trăng. Điều này không đưa ra một câu trả lời cụ thể cho bán kính, chỉ là một phỏng đoán có giáo dục.

Không có gì có thể được chứng minh "với sự chắc chắn tuyệt đối"; đó không phải là cách khoa học hoạt động.

Chúng tôi áp dụng một giả thuyết làm việc rằng các hằng số của tự nhiên là chính xác; cả không đổi trong thời gian và không gian. Sau đó, chúng tôi tiến hành các thí nghiệm cố gắng làm sai lệch giả thuyết đó hoặc ít nhất là giới hạn về mức độ có thể thay đổi của mọi thứ.

Vì các lý do được giải thích trong câu trả lời cho câu hỏi Vật lý SE này (cũng xem câu hỏi này ), chỉ có thể đánh giá các tham số không thứ nguyên như hằng số cấu trúc mịn cho các biến thể của chúng - các hằng số khác như , và được gắn trong hệ thống của chúng tôi (đo lường) đơn vị để chúng tôi không thể nói liệu chúng có thay đổi hay không.c $G$$c$$h$

Lấy ví dụ về hằng số cấu trúc tinh tế, các quan sát đường hấp thụ đối với các quasar ở xa đặt ra giới hạn mạnh mẽ về mức độ có thể thay đổi của không gian và thời gian (cả hai không thể tách rời, vì phải mất thời gian để thông tin truyền đến chúng ta). Vì vậy, bạn có thể tìm thấy rất nhiều nỗ lực khác nhau để làm điều này trong tài liệu - tôi đã đào một vài. Albareti và cộng sự. (2015) cho biết biến thể này ít hơn một vài phần trong 100.000 chuyển sang dịch chuyển đỏ 1 (thời gian xem lại khoảng 8 tỷ năm hoặc lâu hơn. Có những hạn chế tương tự đối với các thí nghiệm được thực hiện ở các phần khác nhau của hệ mặt trời. mặt khác, một số tác giả tuyên bố các biến thể của một vài phần triệu trong thời gian nhìn lại tương tự hoặc theo các hướng khác nhau ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), nhưng những tuyên bố này bị tranh chấp bởi nhiều người, nếu không phải hầu hết công nhân trong lĩnh vực này.

Có một đánh giá lớn về chủ đề này của Uzan (2011) , mà bạn có thể đọc - đây thực sự là một câu hỏi rộng. Tóm tắt của tôi sẽ là - tại thời điểm này không có bằng chứng thuyết phục cho bất kỳ sự thay đổi trong không gian và thời gian.

Hãy bắt đầu ở giữa:

Bán kính xa nhất mà chúng ta có thể chứng minh từ trái đất, với sự chắc chắn tuyệt đối, rằng các định luật vật lý không thay đổi?

Số không. Bằng chứng được tìm thấy trong toán học và phòng xử án, và không thể có trong khoa học tự nhiên. Điều tốt nhất chúng ta có thể làm là có những lý thuyết sai lệch . Điều này đúng với mọi mô tả về thực tế - không có "bằng chứng" nào ngay cả đối với Định luật hấp dẫn.

Vì vậy, những gì chúng ta có thể quan sát sẽ cho chúng ta biết rằng hằng số vật lý hoặc mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý là khác nhau trong các phần khác của vũ trụ, hoặc tại thời điểm khác trong quá trình tồn tại của nó?

• Trọng lực: Đối với các cụm thiên hà, chúng tôi có các phép đo khối lượng độc lập từ một số nguồn khác nhau đồng ý trong các thanh lỗi (lớn được thừa nhận) của chúng. Thấu kính hấp dẫn, sự phân tán vận tốc của các thiên hà thành viên và nhiệt độ tia X đều đồng thuận. Vì vậy, định luật hấp dẫn dường như hoạt động ngay cả khi dịch chuyển đỏ lên tới 0,5 hoặc thậm chí cao hơn.
• Vật lý nguyên tử: Chúng tôi quan sát các vật thể bị dịch chuyển đỏ. Bước sóng của ánh sáng phát ra từ các vật thể này được tạo ra lâu hơn bởi sự giãn nở của vũ trụ. Quan sát các vạch quang phổ đỏ của các nguyên tố hóa học (hoặc phân tử) khác nhau cho chúng ta biết rằng vật lý nguyên tử hoạt động giống nhau khi và nơi ánh sáng này được phát ra. Nếu các mức chuyển đổi giữa các quỹ đạo của electron đã thay đổi theo thời gian, chúng ta sẽ nhận được các dịch chuyển đỏ khác nhau cho cùng một đối tượng tùy thuộc vào đường quang phổ của nguyên tố nào mà chúng ta quan sát được.
• Nucleosythesis: Ngay sau vụ nổ lớn, nhiệt độ hạ thấp đến mức các proton và neutron không còn được tạo ra và phá hủy liên tục. Một neutron tự do có một nửa sống khoảng 8,5 phút trước khi phân rã thành proton và electron. Các lý thuyết của chúng tôi dự đoán rằng chúng ta sẽ có được hàm lượng helium (2x proton, 2x neutron) trong vũ trụ khoảng 25%. (Phần còn lại của vật chất "bình thường" thực chất là tất cả hydro), và đó thực sự là những gì chúng ta quan sát được. Bây giờ, hàm lượng heli phụ thuộc cả vào mật độ vật chất tại thời điểm này diễn ra và một nửa sống của neutron. Từ những quan sát khác (BAO đến với tâm trí), chúng tôi khá chắc chắn rằng chúng tôi có mật độ vật chất đúng. Mà chỉ để lại một căn phòng nhỏ lung lay cho một nửa số neutron sống, và do đó cho những thay đổi trong lực yếu.
• Chúng tôi đã bao phủ trọng lực, điện từ và lực yếu. Tôi không biết bất kỳ bài kiểm tra tốt cho lực mạnh.

Để thay đổi quy luật tự nhiên theo thời gian, chúng ta có thể nhìn vào sự phân bố đồng vị trong đá ở đây trên trái đất. Chúng ta có thể biết liệu tốc độ phân rã của các yếu tố khác nhau có khác nhau ở thời điểm trước hay không bằng cách xem có bao nhiêu trong số các sản phẩm phân rã của chúng xung quanh.

Tóm lại, chúng ta không thể nói với "sự chắc chắn tuyệt đối", nhưng những gì chúng ta quan sát dường như chỉ ra rằng các quy luật tự nhiên là giống nhau trong toàn vũ trụ.

Chúng tôi không thể biết chắc chắn. Tuy nhiên, chúng ta có thể tự tin tuyên bố những gì sẽ bị phá vỡ là không đúng sự thật, với điều kiện một công thức toán học nhất định là hợp lệ. Đây là định lý của Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR những gì phá vỡ là bảo tồn động lượng tuyến tính. Nếu bạn cho rằng các định luật vật lý có thể thay đổi theo thời gian chứ không phải địa điểm, thì điều phá vỡ là sự bảo tồn năng lượng. Cả hai đều chịu sự ràng buộc rằng một công thức Lagrangian là hợp lệ.

Tôi đã gặp các nhà vật lý nghiêm túc thảo luận về khả năng rằng sự bất biến theo thời gian có thể không giữ được trong giai đoạn đầu của vũ trụ. Hậu quả sẽ là không bảo tồn năng lượng trên quy mô vũ trụ lớn nhất, đó là nơi mà bằng chứng cho định luật bảo tồn này là ít mạnh nhất. (Chúng ta phải đặt ra sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối, và cũng không phải tất cả vũ trụ đều có thể quan sát được).

Một vấn đề với câu hỏi của bạn là nó có một chút nghịch lý. Nếu một định luật vật lý có vẻ khác nhau tùy thuộc vào thời gian / địa điểm được quan sát sau đó, vì ý nghĩa của nó là một định luật vật lý, chúng ta chỉ đơn giản là hiểu sai luật hoặc không quan sát tất cả các lực tại nơi làm việc.

Đây là một ví dụ siêu đơn giản.

Những người này đã không tìm thấy một vị trí trong vũ trụ nơi trọng lực hoạt động khác đi, họ chỉ đơn giản là bị một người hâm mộ đẩy mạnh hơn là trọng lực đang kéo họ xuống. Tất nhiên, nếu thông tin duy nhất bạn có về họ là bức ảnh này thì bạn sẽ không biết điều đó và có thể nghĩ rằng trọng lực tác động khác đi nơi họ đang ở.

Nếu các nhà khoa học quan sát phương sai là cách một luật hành xử và chỉ đơn giản vẫy tay nói rằng "ồ luật hoạt động khác ở đó" thì đó không còn là khoa học nữa. Chúng tôi muốn biết lý do tại sao luật pháp dường như hoạt động khác nhau ở một nơi so với nơi khác.

Chỉnh sửa:

Một ví dụ có lẽ nhiều hơn với quan điểm của OP là năng lượng tối. Chúng tôi quan sát rằng Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng tăng mặc dù Định luật Vật lý của chúng ta, cụ thể là trọng lực dự đoán rằng sự giãn nở của nó sẽ khiến nó giảm tốc. Thay vì nhún vai và nói "tốt, các định luật vật lý chỉ hoạt động khác nhau ở rìa vũ trụ", các nhà khoa học đưa ra giả thuyết về một thứ gọi là vật chất tối để giải thích tại sao sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc bất chấp trọng lực.

"Chúng (định luật vật lý) sẽ thay đổi theo hai cách tự nhiên:"

1. các hằng số trong các phương trình có thể thay đổi hoặc

   Khả thi. Chúng tôi khá chắc chắn về các giá trị của hằng số cho đến quy mô thiên văn nhỏ hơn (tiểu thiên hà). Ở quy mô thiên hà và xa hơn chúng ta có những sai lệch kỳ lạ so với những gì chúng ta mong đợi. Ở quy mô thiên hà, chúng ta hiện đang gán các độ lệch cho "vật chất tối" mà đối với tôi dường như ít hơn một người giữ chỗ cho những điều chưa biết.

   Trên quy mô phổ quát, sự giãn nở rõ rệt đang gia tăng của vũ trụ thường được quy cho một trình giữ chỗ khác cho "năng lượng tối" chưa biết; hoặc có thể là thuyết tương đối rộng như chúng ta hiểu, nó không có quy mô thiên văn lớn, do đó, ví dụ như hằng số hấp dẫn trên thực tế không phải là hằng số, hay bất cứ điều gì. Đây là bằng chứng khá mạnh mẽ cho thấy những gì chúng ta nghĩ là biết là sai hoặc không đầy đủ, vì vậy câu trả lời là "ở quy mô phổ quát, chúng ta biết rằng mình đã sai".

2. toán học trong các phương trình có thể thay đổi.

   Đó là một điều mà chúng tôi khá chắc chắn về: Toán học sẽ không thay đổi. Nó có thể không đầy đủ, hoặc áp dụng sai, hoặc bất cứ điều gì; nhưng toán học là một thứ không thay đổi.

3. Chúng ta cũng đừng quên rằng có "nhiều phòng ở phía dưới" nổi tiếng. Chúng ta thậm chí không biết số lượng kích thước ở quy mô rất nhỏ (hạt nhân), chúng ta không biết làm thế nào các sợi duy nhất của kết cấu không gian được đan vào nhau, v.v.

4. Ở cấp độ đầu cơ hơn, đây có thể không phải là vũ trụ duy nhất mà ví dụ chỉ là một mảnh vỡ của đa vũ trụ; Lee Smolin đã viết về ý tưởng về sự tiến hóa của vũ trụ. Những cái khác sẽ có nhiều hằng số khác nhau, hoặc khác nhau theo một số cách hài hước khác.

5. Ở mức độ đầu cơ hơn nữa: Nếu bạn hỏi Elon Musk và những người khác, dù sao chúng ta cũng sống trong Ma trận và tất cả các quy luật tự nhiên có thể thay đổi theo ý thích của người quản trị khóa. Một cái gì đó như /gamemode 1 qwerty10, và thẻ tín dụng của bạn chạy không bao giờ trống.

Khoa học dựa trên phỏng đoán, diễn giải Feynman. Chúng tôi đoán rằng một cái gì đó hoạt động theo một cách nhất định. Dự đoán tốt giải thích dữ liệu hiện có và đưa ra dự đoán có thể được kiểm tra Dự đoán tốt nhất là dự đoán tốt nhất là đơn giản nhất tức là giảm thiểu số lượng giả định bổ sung. Vì vậy, giả định của Newton rằng trọng lực hoạt động đối với các hành tinh giống như cách ném đá khi đi dọc bãi biển, về bản chất, chỉ là phỏng đoán.

Tôi không có nghĩa là một nhà khoa học, do đó cũng không phải là nhà vật lý thiên văn. tôi có một nền tảng về kỹ thuật điện và sự tò mò về vũ trụ học. Tôi đã kết thúc ở đây vì tôi đang tìm câu trả lời cho câu hỏi được hỏi ở trên.

Dường như với tôi rằng các thông tin sau đây được tiết lộ cho câu hỏi: một bài báo khá gần đây (2017 / 09.20) được công bố trên trang web của NASA đề cập đến một nghiên cứu cho thấy hai phương pháp được sử dụng để tính hằng số của Hubble (một phương pháp dựa trên các quan sát về loại Siêu tân tinh 1a, người khác trên CMB) không đồng ý (mặc dù Mô hình vũ trụ tiêu chuẩn dự đoán thỏa thuận của họ):

«Một nghiên cứu gần đây sử dụng phương pháp đầu tiên mang lại tỷ lệ mở rộng lớn hơn 8% so với kết quả của phương pháp thứ hai. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbled-contentious-constant-news

bài báo không đề cập đến một lời giải thích rõ ràng cho sự khác biệt này. ví dụ, có lẽ có lỗ hổng trong một hoặc cả hai phương pháp tính toán.

Nếu tôi hiểu chính xác: vì người ta tin rằng CMB thông báo cho chúng ta về vũ trụ sơ khai, nhưng điều này không đúng với siêu tân tinh loại 1a, thì một cách giải thích khác là cả hai phép đo đều hợp lệ và sự khác biệt có nghĩa là có gì đó đã thay đổi theo thời gian . chẳng hạn, bài báo đặt câu hỏi «Hoặc là các tính chất của năng lượng tối hoặc vật chất tối thay đổi theo thời gian? ». với tầm quan trọng của hằng số Hubble, có lẽ điều này chỉ ra thực tế là vật lý đã thay đổi theo thời gian.