遍及宇宙的物理定律

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。

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该原因（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，c和h）与我们的（测量）单位，因此我们无法确定它们是否正在更改。$G$$c$$h$

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，2008；King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。

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。

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）。

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。

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。

“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。

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。

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。