Le leggi della fisica attraverso l'universo

Come facciamo a sapere che le leggi della fisica sono le stesse in tutto l'universo? Intuitivamente direi che varierebbero in due modi naturali: le costanti nelle equazioni possono variare o la matematica nelle equazioni può variare. A quanto pare potrebbero cambiare a lungo. Qual è il raggio più lontano che possiamo provare dalla terra, con assoluta certezza, che le leggi della fisica non variano? Sono consapevole che questo potrebbe non essere un raggio ma una forma più complessa che non può essere semplicemente descritta da un raggio.

La risposta più vicina che mi viene in mente per un raggio è un'ipotesi. E quell'ipotesi si basa sull'esperimento di fisica più lontano che abbiamo fatto dalla terra. Il che penso sia un esperimento con specchi sulla luna. Pertanto, se assumiamo (non so se questo presupposto sia totalmente ragionevole al 100%) tutte le leggi della fisica valgono perché questo esperimento funziona. Quindi il raggio è verso la luna. Ciò non fornisce una risposta concreta al raggio, ma solo un'ipotesi colta.

Nulla può essere dimostrato "con assoluta certezza"; non è così che funziona la scienza.

Adottiamo un'ipotesi di lavoro secondo cui le costanti della natura sono esattamente questo; entrambi costanti nel tempo e nello spazio. Quindi conduciamo esperimenti che tentano di falsificare quell'ipotesi o almeno pongono dei limiti su quanto le cose potrebbero variare.

Per ragioni che sono spiegate nelle risposte a questa domanda di Physics SE (vedi anche questa domanda ), solo i parametri senza dimensioni come la costante di struttura fine possono essere valutati per la loro variazione - altre costanti come , c e $G$$c$$h$ sono legate nel nostro sistema di (misurazione) unità, quindi non siamo in grado di dire se stanno cambiando o meno.

Prendendo l'esempio della costante di struttura fine, le osservazioni delle linee di assorbimento verso quasar distanti pongono forti limiti a quanto ciò può essere variato nello spazio e nel tempo (i due sono inseparabili, poiché ci vuole tempo finito perché le informazioni viaggino verso di noi). Quindi puoi trovare molti diversi tentativi di farlo in letteratura - ne ho scoperti alcuni. Albareti et al. (2015) affermano che la variazione è inferiore a un paio di parti su 100.000 su uno spostamento verso il rosso di 1 (un tempo di ricerca di circa 8 miliardi di anni circa. Esistono vincoli simili per esperimenti condotti in diverse parti del sistema solare. d'altra parte, alcuni autori sostengono variazioni di alcune parti per milione in tempi di ricerca simili o in direzioni diverse ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), ma queste affermazioni sono contestate da molti, se non dalla maggior parte dei lavoratori sul campo.

C'è una recensione massiccia di questo argomento di Uzan (2011) , che potresti leggere - questa è davvero una domanda ampia. La mia sintesi sarebbe: al momento non ci sono prove convincenti per alcuna variazione nello spazio e nel tempo.

Cominciamo nel mezzo:

Qual è il raggio più lontano che possiamo dimostrare dalla terra, con assoluta certezza, che le leggi della fisica non variano?

Zero. Le prove si trovano in matematica e nelle aule di tribunale e sono impossibili nelle scienze naturali. Il meglio che possiamo fare è avere teorie falsificabili . Questo vale per ogni descrizione della realtà - non c'è "prova" nemmeno per le Leggi di Gravità.

Quindi, cosa potremmo osservare che ci direbbe che le costanti o le relazioni fisiche tra quantità fisiche sono diverse in altre parti dell'universo o altre volte durante la sua esistenza?

• Gravità: per i cluster di galassie, abbiamo misurazioni di massa indipendenti da diverse fonti che concordano con le loro barre di errore (certamente grandi). Obiettivo gravitazionale, dispersione di velocità delle galassie membro e temperature dei raggi X sono tutti d'accordo. Quindi le leggi di gravità sembrano funzionare anche con redshift fino a 0,5 o anche più in alto.
• Fisica atomica: osserviamo oggetti fortemente spostati verso il rosso. La lunghezza d'onda della luce emessa da questi oggetti è allungata dall'espansione dell'universo. Osservare le linee spettrali spostate in rosso di diversi elementi chimici (o molecole) ci dice che la fisica atomica ha funzionato allo stesso modo quando e dove questa luce veniva emessa. Se i livelli di transizione tra le orbite degli elettroni fossero cambiati nel tempo, avremmo diversi spostamenti in rosso per gli stessi oggetti a seconda della linea spettrale dell'elemento che osserviamo.
• Nucleosythesis: Poco dopo il big bang, la temperatura si abbassò in modo tale che protoni e neutroni non fossero più creati e distrutti costantemente. Un neutrone libero ha un'emivita di circa 8,5 minuti prima di decadere in un protone e un elettrone. Le nostre teorie prevedono che avremmo un contenuto di elio (2x protoni, 2x neutroni) nell'universo di circa il 25%. (Il resto della materia "normale" è essenzialmente tutto l'idrogeno), ed è proprio quello che osserviamo. Ora, il contenuto di elio dipende sia dalla densità della materia nel momento in cui questo ha avuto luogo, sia dalla metà viva del neutrone. Da altre osservazioni (mi viene in mente BAO) siamo abbastanza certi di aver ottenuto la densità della materia nel modo giusto. Il che lascia solo un piccolo spazio di manovra per la metà viva del neutrone, e quindi per i cambiamenti nella forza debole.
• Abbiamo coperto la gravità, l'elettromagnetismo e la forza debole. Non conosco nessun buon test per la forza forte.

Per un cambiamento delle leggi naturali nel tempo, possiamo osservare la distribuzione degli isotopi nelle rocce qui sulla terra. Dovremmo essere in grado di dire se il tasso di decadimento di vari elementi era diverso nei tempi precedenti osservando quanti di ciascuno dei loro prodotti di decadimento sono presenti.

Riassumendo, non possiamo dire con "assoluta certezza", ma ciò che osserviamo sembra indicare che le leggi naturali sono le stesse in tutto l'universo.

Non possiamo saperlo con certezza. Tuttavia, possiamo affermare con sicurezza cosa sarebbe rotto se non fosse vero, a condizione che una certa formulazione matematica sia valida. Questo è il teorema di Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR ciò che si rompe è la conservazione del momento lineare. Se si considera che le leggi della fisica possono variare con il tempo piuttosto che con il luogo, ciò che rompe è la conservazione dell'energia. Entrambi sono soggetti al vincolo che una formulazione lagrangiana è valida.

Ho incontrato fisici seri che discutevano della possibilità che quell'invarianza temporale potesse non valere per le prime fasi dell'universo. La conseguenza sarebbe la non conservazione dell'energia sulle più grandi scale cosmologiche, che è dove l'evidenza per questa legge di conservazione è meno forte. (Dobbiamo affermare l'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura, e inoltre non tutto l'Universo è osservabile).

Un problema con la tua domanda è che è un po 'un paradosso. Se una Legge della Fisica sembra variare a seconda del tempo / del luogo osservati, a causa di ciò che significa essere una legge fisica, abbiamo semplicemente frainteso la legge stessa o non stiamo osservando tutte le forze al lavoro.

Ecco un esempio semplicissimo.

Queste persone non hanno trovato un posto nell'universo in cui la gravità agisce in modo diverso, sono semplicemente spinte più forte da un fan di quanto la gravità si stia abbattendo su di loro. Certo, se l'unica informazione che avevi su di loro era questa immagine, non lo sapresti e potresti pensare che la gravità agisce diversamente da dove sono.

Se gli scienziati osservano le variazioni è il modo in cui una legge si comporta e semplicemente agita la mano dicendo "oh la legge funziona diversamente lì", allora quella non è più scienza. Vorremmo sapere perché la legge sembra funzionare diversamente in un posto rispetto a un altro.

Modificare:

Un esempio che è forse più importante per OP è l'energia oscura. Osserviamo che l'Universo si sta espandendo a un ritmo crescente anche se le nostre Leggi della Fisica, in particolare la gravità prevedono che la sua espansione lo farebbe rallentare. Invece di scrollare le spalle e dire "bene le leggi della fisica funzionano in modo diverso ai margini dell'Universo" gli scienziati hanno teorizzato qualcosa chiamato materia oscura per spiegare perché l'espansione dell'Universo sta accelerando nonostante la gravità.

"Loro (le leggi della fisica) potrebbero variare in due modi naturali:"

1. le costanti nelle equazioni possono variare o

   Possibile. Siamo abbastanza certi dei valori delle costanti fino alle scale astronomiche più piccole (sotto galassia). Su scala galattica e oltre abbiamo strane deviazioni da ciò che ci aspetteremmo. Su scala galattica attualmente attribuiamo le deviazioni alla "materia oscura" che a me sembra poco più che un segnaposto per l'ignoto.

   Su scala universale l'espansione apparentemente in accelerazione dell'universo è di solito attribuita a un diverso segnaposto per l'ignota "energia oscura"; oppure può essere che la relatività generale, come la comprendiamo, non regge su grandi scale astronomiche, cosicché ad esempio la costante gravitazionale non è in realtà una costante o altro. Questa è una prova abbastanza forte che ciò che pensiamo di sapere sia sbagliato o incompleto, quindi la risposta è "su scala universale sappiamo che abbiamo torto".

2. la matematica nelle equazioni può variare.

   Questa è l'unica cosa di cui siamo abbastanza sicuri: la matematica non varierà. Può essere incompleto o applicato in modo errato o altro; ma la matematica è l'unica cosa che non varia.

3. Non dimentichiamo inoltre che c'è notoriamente "ampio spazio nella parte inferiore". Non conosciamo nemmeno il numero di dimensioni su scale molto piccole (sub-nucleari), non sappiamo come i singoli fili del tessuto dello spazio-tempo si intrecciano, ecc.

4. A un livello più speculativo, questo potrebbe non essere l'unico universo ma, ad esempio, solo un frammento di un multiverso; Lee Smolin ha scritto sull'idea di un'evoluzione di universi. Gli altri avrebbero probabilmente costanti diverse o differirebbero in qualche altro modo divertente.

5. A un livello ancora più speculativo: se chiedi a Elon Musk e ad altri, viviamo comunque nella Matrice, e tutte le leggi della natura sono soggette a modifiche al capriccio di un equivalente di battitura da parte dell'amministratore di sistema. Qualcosa del genere /gamemode 1 qwerty10e la tua carta di credito non viene mai svuotata.

La scienza si basa su ipotesi, parafrasando Feynman. Supponiamo che qualcosa funzioni in un certo modo. Una buona ipotesi spiega i dati esistenti e fa previsioni che possono essere testate. La migliore ipotesi è la buona ipotesi che è la più semplice, cioè riduce al minimo il numero di ipotesi aggiuntive. Quindi l'ipotesi di Newton secondo cui la gravità funziona per i pianeti nello stesso modo in cui lancia pietre mentre cammina lungo una spiaggia era, in sostanza, solo una supposizione.

non sono affatto uno scienziato, quindi né un astrofisico. ho una formazione in ingegneria elettrica e una curiosità per la cosmologia. sono finito qui essenzialmente perché sto cercando risposte alla domanda posta sopra.

mi sembra che le seguenti informazioni rivelino la domanda: un articolo abbastanza recente (20.09.2017) pubblicato sul sito web della NASA menziona uno studio che rivela che i due metodi utilizzati per calcolare la costante di Hubble (uno si basa su osservazioni di tipo 1a supernovae, l'altra sul CMB) non sono d'accordo (sebbene il Modello Standard di Cosmologia preveda il loro accordo):

«Uno studio recente che utilizza il primo metodo ha prodotto un tasso di espansione dell'8% maggiore rispetto al risultato del secondo metodo. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

l'articolo non menziona una chiara spiegazione per questa discrepanza. per esempio, forse ci sono buchi in uno o entrambi i metodi di calcolo.

se ho capito bene: poiché si ritiene che il CMB ci informi sull'universo primordiale, ma non è così per le supernovae di tipo 1a, quindi un'altra possibile spiegazione è che entrambe le misurazioni sono valide e la discrepanza significa che qualcosa è cambiato nel tempo . ad esempio, l'articolo pone la domanda «O le proprietà dell'energia oscura o della materia oscura cambiano nel tempo? ». data l'importanza della costante di Hubble, forse questo indica il fatto che la fisica è cambiata nel tempo.