遍及宇宙的物理定律


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我们如何知道整个宇宙的物理定律是相同的?直观地说,它们将以两种自然的方式变化:方程式中的常数可能会变化,或者方程式中的数学可能会变化。猜测他们可能会在很长一段时间内发生变化。我们可以绝对确定地从地球证明最远的半径是什么?我知道这可能不是半径,而是无法通过半径简单描述的更复杂的形状。

我能想到的最接近半径的答案是猜测。这个猜测是基于我们从地球上进行的最深入的物理实验得出的。我认为这是对月球镜的实验。因此,如果我们假设(我不知道这个假设是否完全100%合理),则所有物理定律都成立,因为该实验有效。那么半径就是到月球。这并不能给出半径的具体答案,而只是有根据的猜测。


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好吧,人们在18世纪在地球上进行的实验比今天的地球在太空(和时间)上的距离要远得多,而这对于这里的生命已有很长的距离。您是否假设我们通过时空与我们“拖拉”我们的物理学?对于没有问题可以解释,也没有做出预测的事情,这似乎开始变得非常复杂。我敢说这个想法不科学-您正试图用非常复杂的,没有任何观察力(甚至推理)的简单事物替换那些看起来很简单的东西。
a安

正如我之前在问题中所写的那样,您所指的第二段是关于月球的,这仅仅是有根据的猜测。当然这意味着第二段关于半径可能是不正确的,因为正如我之前(在该段中)所写的那样。但是这是我写这个问题时能为自己想到的最好的答案。
qwerty10年

因此,您不认为这是一个很好的猜测
qwerty10,2016年

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一旦您了解了科学方法的核心,我认为这不是一个好问题。考虑不能​​被证明的事情是一个坏主意-那就是疯狂和龙的谎言:)看看那里所有的crackpot理论-他们中的大多数要么积极地避免进行科学测试,要么没有办法被证明。第一名。和任何地球是为中心的可疑-你认为你的做法是保守的,因为我们没有观察到了某事,但它实际上引入了复杂的模型,这本身赋予了它更多的举证责任。
a安

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这是宇宙学原理所假定的。科学家通常相信任何需要最少假设的假设,而假设宇宙是同质的则要比假设并非如此。
Cumference爵士,16年

Answers:


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没有任何东西可以“绝对确定”地证明;科学不是这样运作的。

我们采用一个有效的假设,即自然常数就是这样。时空不变。然后,我们进行实验以试图伪造该假设,或者至少对事物可能变化的程度施加限制。

由于此SE物理问题的答案已解释了原因(另请参见此问题),因此只能评估无量纲参数(如精细结构常数)的变化-其他常数(如ch)与我们的(测量)单位,因此我们无法确定它们是否正在更改。Gch

以精细的结构常数为例,观察到朝向遥远类星体的吸收线会强烈限制其空间和时间的变化量(两者是不可分割的,因为信息需要有限的时间传递给我们)。因此,您可以在文献中找到许多不同的尝试来进行此操作-我列举了一些。Albareti等。(2015年)说,这种变化少于十万分之一到红移1的部分(回溯时间约为80亿年左右。在太阳系的不同部分进行的实验也存在类似的约束。另一方面,有些作者确实声称在相似的回溯时间或不同方向上,百万分之几的变化(Murphy等,2008King等,2012)。),但许多(即使不是大多数)该领域的工人也对这些主张提出了争议。

Uzan(2011)对这个话题进行了大量评论,您可以阅读-这确实是一个广泛的问题。我的总结是-目前尚无令人信服的证据证明时空会发生变化。


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离家近一点,天然的Oklo核裂变反应堆提供了非常有力的证据,表明过去20亿年以来精细结构常数一直是恒定的(在非常严格的范围内)。
David Hammen

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@DavidHammen绝对正确。如果有人希望基于“基于实验室”的实验写出答案,我会赞成。
罗布·杰弗里斯

也许更深层的问题是“为什么物理定律是什么”?(或“它们看起来是什么”)。如果一个基本常数变化很大,我们可能就不会意识到相关的定律。
JonesTheAstronomer '16

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让我们从中间开始:

我们可以绝对肯定地从地球证明最远的半径,即物理学定律不变。

零。证明可以在数学和法庭上找到,而在自然科学中则不可能。我们能做的最好的就是拥有可证伪的理论。这适用于对现实的每一种描述-即使对于万有引力定律也没有“证明”。

那么,我们能观察到什么,这将告诉我们在宇宙的其他部分或宇宙存在期间的其他时间,物理常数或物理量之间的关系是不同的?

  • 引力:对于星系团,我们有来自几个不同来源的独立质量测量值,这些测量值在它们的(误差很大)误差线内相一致。引力透镜,成员星系的速度色散和X射线温度都一致。因此,即使在红移达到0.5甚至更高时,重力定律似乎也起作用。
  • 原子物理学:我们观察到高度红移的物体。这些物体发出的光的波长通过宇宙的膨胀而变长。观察不同化学元素(或分子)的红移谱线可以告诉我们,原子物理在发射该光的时间和位置相同。如果电子轨道之间的跃迁能级随着时间而变化,则根据观察到的元素的光谱线,我们对相同物体将获得不同的红移。
  • 核修复:大爆炸后不久,温度降低,质子和中子不再产生并不断被破坏。自由中子在衰变成质子和电子之前的半衰期约为8.5分钟。我们的理论预测,宇宙中的氦(2x质子,2x中子)含量约为25%。(“正常”物质的其余部分基本上都是氢),这确实是我们观察到的。现在,氦含量取决于发生这种情况时的物质密度和中子的半衰期。从其他观察(BAO浮现在脑海中),我们可以肯定地说,我们得到了正确的物质密度。这只为中子的半衰期留出了很小的摆动空间,因此也为弱力的变化留了余地。
  • 我们已经介绍了重力,电磁力和弱力。我不知道对这种强大力量有什么好的考验。

对于随时间变化的自然规律,我们可以查看地球上岩石中的同位素分布。通过查看周围每个衰变积有多少,我们应该能够分辨出各种元素在早期的衰变率是否不同。

总而言之,我们不能说“绝对确定”,但是我们观察到的似乎表明自然定律在整个宇宙中都是相同的。


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我要说的是“法庭”,证明法庭“证明”与科学“证明”事物(即通过归纳推理过程)的方式相比,与数学证明具有更多的共同点。另外,“自由中子在衰变成质子和中子之前的半衰期约为8.5分钟。” ...那句话正确吗?我不确定,但听起来它衰减时质量几乎翻了一番。
jpmc26

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是的,审判室不太严重。也许我应该把它拿出来。是的,对不起,当然是电子。感谢@sds进行编辑!
Alex

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它使我的教育体系如何迫使人们接受超过十年的科学课程来获得文凭,却仍然无法真正地教人们科学是什么,这从未使我感到惊奇。不久前,我说了“我们如何假设几个假设,起草一些可以证实或否定这些假设的测试,然后重新组合以查看结果,就使整个会议室充满了受过大学教育的成年人的头脑”虽然我总是很高兴看起来像个向导,但这确实是任何三年级学生都应该知道的方法。
corsiKa

1
@MartinArgerami正如Temyr所写,redshift是光波的不断延伸。例子:钠D线在约。600nm相距1nm(数字四舍五入)。在红移1处,我们将看到它们相距1200nm和2nm。如果它们的间隔与红移所暗示的不同,那么我们就会知道光来自何处的电磁力就不同了。来自其他元素和其他轨道的光谱线也会受到不同的影响。我认为不可能以使所有轨道的能量水平保持一致的方式改变电磁力。
Alex

1
游离中子衰减为质子,电子和电子反中微子。
霍华德·米勒

3

我们无法确定。但是,只要确定一定的数学公式是正确的,我们就可以放心地陈述如果不正确的话将会打破的情况。这是Noether定理 https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR打破的是线性动量的守恒。如果您认为物理定律可能随时间而不是位置而变化,那么破坏的就是能量守恒。两者都受拉格朗日公式有效的约束。

我遇到过认真的物理学家,他们在讨论宇宙的早期不具有时不变性的可能性。结果将是在最大的宇宙学尺度上不守恒能量,这是守恒定律证据最弱的地方。(我们必须假定暗物质和暗能量的存在,而且并非所有宇宙都是可观测的)。


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您肯定是在位置或时间平移下对称吗?嗯,宇宙在时间平移下不是对称的,能量守恒定律不是宇宙的广义相对论描述的基本组成部分。
罗布·杰弗里斯

@RobJeffries这不是对称的(会想到熵),但是它违反守恒吗?(我的猜测不是;如果守恒定律在一个时间方向上成立,那么它们在相反方向上也同样显得微不足道。)在微观层面上仍然变得复杂(仅违反T对称性,而没有违反CPT),但我不在这里。
彼得-恢复莫妮卡

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@RobJeffries Re:“能量守恒的“定律”不是宇宙的广义相对论描述的基本组成部分”:令我惊讶的是;无赖;-)。红移是能量“消失”的一个很好的简单例子。在阅读了一些内容之后(preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/…有所帮助,包括一些讨论),似乎仍然存在着更为复杂的能量动量守恒形式……但这也许是一种误解(cf 。。physics.stackexchange.com/a/35438/72043
彼得-恢复莫妮卡

能量守恒已经在宇宙尺度上被打破了。是的,想想您的Noether定理。
Incnis Mrsi

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您的问题的一个问题是,这有点自相矛盾。如果物理定律似乎根据观察的时间/地点而有所不同,那么,由于这意味着要成为物理定律,我们只是误解了该定律本身,或者没有观察到所有作用力。

这是一个超级简单的例子。

在此处输入图片说明

这些人还没有在宇宙中找到一个重力作用不同的地方,他们只是被风扇更猛地推动,而不是重力对其施加作用。当然,如果您仅有的关于它们的信息就是这张照片,您将不会知道,并且可能会认为重力在它们所在的位置上会有所不同。

如果科学家观察到变化是法律的行为方式,只是挥挥手说“哦,法律在这里的工作方式有所不同”,那就不再是科学了。我们想知道为什么法律在一个地方和另一个地方似乎有不同的作用。

编辑:

一个可能更适合OP的例子是暗能量。我们观察到,即使我们的物理定律(特别是重力)预言宇宙的膨胀会导致其减速,但宇宙仍以不断增加的速度膨胀。科学家们没有耸耸肩说“物理定律在宇宙的边缘就发挥了不同的作用”,而是对一种叫做暗物质的东西进行了理论解释,以解释尽管有引力,宇宙的膨胀却在加速。


我认为这不是一个好答案。较早发布的其他三个答案(讨论数学,例如论文)更像是我想到的一个潜在答案。我的问题是从物理学家对问题的思考的角度写的。
qwerty10年

因此,我认为您的解决方案对我的问题是无效的答案。这不是我在寻找答案的目的。
qwerty10年

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我同意其他答案很棒,甚至比我的还要好。但是,我也认为您的问题存在缺陷,特别是暗示科学界会接受物理定律在一个空间区域内的作用与在另一个空间内的作用不同。如果在遥远空间中的观测结果与我们的已知定律相矛盾,则解释永远不会是“物理定律只是在其中起作用”。参见我的编辑以获得另一个示例。
迪安·麦格雷戈

我的问题并不意味着不可能发现新的数学物理学(或新的理论)来解释实验信息,例如您的暗能量示例。它考虑了实际定律,例如暗能量的数学物理方程式或另一种现象的另一个数学物理方程式。因此,我认为您对暗能量的编辑/段落不是答案。
qwerty10年

2

“它们(物理定律)将以两种自然方式变化:”

  1. 等式中的常数可能会变化或

    可能。对于较小的天文尺度(亚星系)的常数,我们相当确定。在银河系之外,我们与预期之间存在奇怪的偏差。在银河尺度上,我们目前将偏差归因于“暗物质”,在我看来,这仅仅是未知数的占位符。

    在普遍的尺度上,宇宙表面上明显加速的膨胀通常归因于未知“暗能量”的不同占位符。也可能是广义相对论在大天文尺度上不成立,例如,引力常数实际上不是常数,或其他常数。这是有力的证据,证明我们认为知道的东西是错误的或不完整的,因此答案是“从普遍的角度来看,我们知道自己是错误的”。

  2. 方程中的数学可能会有所不同。

    那是我们相当确定的一件事:数学不会改变。它可能是不完整的,或者应用错误的,或者是其他任何东西;但是数学是一成不变的。

  3. 我们也不要忘记著名的“底部有足够的空间”。我们甚至不知道很小(亚核)尺度下的维数,也不知道时空结构的单线如何编织在一起,等等。

  4. 从更投机的角度来看,这可能不是唯一的宇宙,而是例如一个多元宇宙的一个碎片。李·斯莫林(Lee Smolin)写了关于宇宙进化的思想。其他的变量很可能具有不同的常数,或者以其他有趣的方式有所不同。

  5. 在一个更加投机的层面上:如果您问埃隆·马斯克(Elon Musk)和其他人,无论如何我们都会生活在黑客帝国中,并且系统管理员在击键等效时会改变所有自然法则。之类的东西/gamemode 1 qwerty10,您的信用卡永远不会空了。


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什么是“编织在一起”的“空间结构的单线”?
罗兰·皮拉卡斯

@RolandPihlakas与希格斯玻色子相互作用?纠结?随你。我们并不真正知道,但是它是一个隐喻结构,因此其中包含隐喻线程;-)。Robert Laughlin似乎在想像某种复杂的以太。空间(时间)的行为就像振动的介质一样,以至于现代经典对介质的摒弃可能否认了房间里的大象。
彼得-恢复莫妮卡

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科学基于猜想,诠释了费曼。我们认为某些事情可以以某种方式起作用。好的猜测可以解释现有数据并做出可以检验的预测。最好的猜测是最简单的好的猜测,即可以最大程度地减少其他假设。因此,牛顿的假设实际上是重力对行星的作用与沿海滩行走时向石头投掷的作用相同。


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我绝不是科学家,也不是天体物理学家。我有电气工程方面的背景,并对宇宙学感兴趣。我之所以到这里来,基本上是因为我正在寻找上述问题的答案。

在我看来,以下信息与问题有关:NASA网站上最近发表的一篇文章(2017.09.20)提到一项研究,该研究揭示了用于计算哈勃常数的两种方法(一种基于对类型的观察1a超新星,CMB上的另一个)不同意(尽管“宇宙学标准模型”预言了它们的一致):

«最近使用第一种方法的研究得出的扩展率比第二种方法的结果高8%。» -https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

本文没有提及这种差异的明确解释。例如,在一种或两种计算方法中可能都有漏洞。

如果我没有正确理解:因为据信CMB可以告知我们有关早期宇宙的信息,但是对于1a型超新星并非如此,那么另一个可能的解释是这两个测量值都是有效的,并且差异意味着某些事物随时间而改变。例如,文章提出一个问题«暗能量或暗物质的特性是否随时间变化?»。考虑到哈勃常数的重要性,也许这表明了物理学随时间变化的事实。


芝加哥大学沙利文大学天文学和天体物理学教授温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)说:“可能是因为我们对不确定性的了解不够,无法知道这两种方法为何不同。”
Rob Jeffries

感谢您的评论。也许您可以使我了解Freedman所说的话实际上意味着什么?即不确定什么?对于那些不确定因素,人们还不了解什么呢?
poligraf '18

这是第三种方法,还是1a型超新星方法的另一个实例?nasa.gov/feature/goddard/2018/… «这两个值之间的差异约为9%。新的哈勃测量有助于将值的差异重合的可能性降低到5,000分之一。»
poligraf '18
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