กฎแห่งฟิสิกส์ทั่วจักรวาล

เราจะรู้ได้อย่างไรว่ากฎของฟิสิกส์นั้นเหมือนกันทั่วทั้งจักรวาล? โดยสังหรณ์ใจฉันจะบอกว่าพวกเขาจะแตกต่างกันในสองวิธีธรรมชาติ: ค่าคงที่ในสมการอาจแตกต่างกันหรือคณิตศาสตร์ในสมการอาจแตกต่างกัน เดาได้เลยว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงได้เป็นเวลานาน รัศมีที่ไกลที่สุดที่เราสามารถพิสูจน์ได้จากโลกด้วยความแน่นอนที่สุดคือว่ากฎของฟิสิกส์ไม่แตกต่างกันอย่างไร ฉันรู้ว่านี่อาจไม่ใช่รัศมี แต่เป็นรูปร่างที่ซับซ้อนกว่าซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยรัศมี

คำตอบที่ใกล้ที่สุดที่ฉันนึกได้สำหรับรัศมีคือการเดา และการคาดเดานั้นขึ้นอยู่กับการทดลองทางฟิสิกส์ที่ไกลที่สุดที่เราทำจากโลก ซึ่งฉันคิดว่าเป็นการทดลองกับกระจกบนดวงจันทร์ ดังนั้นหากเราถือว่า (ฉันไม่รู้ว่าสมมติฐานนี้สมเหตุสมผลทั้งหมด 100%) กฎฟิสิกส์ทั้งหมดมีไว้เพราะการทดลองนี้ใช้งานได้ รัศมีนั้นก็คือดวงจันทร์ สิ่งนี้ไม่ได้ให้คำตอบที่เป็นรูปธรรมสำหรับรัศมีเพียงการเดาที่มีการศึกษา

ไม่มีอะไรสามารถพิสูจน์ได้ "ด้วยความมั่นใจแน่นอน"; นั่นไม่ใช่วิธีการทางวิทยาศาสตร์

เราใช้สมมุติฐานการทำงานว่าค่าคงที่ของธรรมชาติเป็นแบบนั้น ทั้งค่าคงที่ในเวลาและพื้นที่ จากนั้นเราจะทำการทดลองที่พยายามปลอมแปลงสมมติฐานนั้นหรืออย่างน้อยก็วางข้อ จำกัด เกี่ยวกับจำนวนสิ่งที่อาจแตกต่างกันไป

สำหรับเหตุผลที่มีการอธิบายในคำตอบของคำถามนี้ฟิสิกส์ SE (เห็นคำถามนี้ ) เพียงพารามิเตอร์มิติเหมือนคงปรับโครงสร้างสามารถประเมินการเปลี่ยนแปลงของพวกเขา - ค่าคงที่อื่น ๆ เช่น , CและHจะผูกขึ้นในระบบของเรา (การวัด) หน่วยดังนั้นเราจึงไม่สามารถบอกได้ว่ามันกำลังมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่$G$$c$$h$

ตัวอย่างของค่าคงที่ของโครงสร้างที่ดีการสังเกตของเส้นการดูดกลืนไปยังควาซาร์ระยะไกลทำให้เกิดข้อ จำกัด ที่แข็งแกร่งว่ามันสามารถแปรผันในอวกาศและเวลาได้มากน้อยเพียงใด (ทั้งสองแยกออกไม่ได้เนื่องจากต้องใช้เวลาอัน จำกัด ดังนั้นคุณสามารถค้นหาความพยายามที่แตกต่างกันมากมายในวรรณกรรม - ฉันขุดออกมาไม่กี่ อัลบาเร็ติและคณะ (2015)บอกว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นน้อยกว่าสองส่วนในจำนวน 100,000 ส่วนเป็น redshift 1 (เวลามองย้อนกลับไปประมาณ 8 พันล้านปีหรือมากกว่านั้น) มีข้อ จำกัด คล้ายกันสำหรับการทดลองในส่วนต่าง ๆ ของระบบสุริยะ ในทางกลับกันผู้เขียนบางคนอ้างว่ามีการเปลี่ยนแปลงบางส่วนต่อล้านในช่วงเวลาที่คล้ายกันหรือในทิศทางที่แตกต่างกัน ( Murphy et al 2008 ; King and al. 2012) แต่ข้อเรียกร้องเหล่านี้ถูกโต้แย้งโดยคนจำนวนมากหากไม่ใช่คนงานส่วนใหญ่ในสนาม

มีบทวิจารณ์มากมายในหัวข้อนี้โดยUzan (2011)ซึ่งคุณสามารถอ่านได้ - นี่เป็นคำถามที่กว้างมาก บทสรุปของฉันจะเป็น - ในขณะนี้ไม่มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือสำหรับการเปลี่ยนแปลงในอวกาศและเวลา

เริ่มกันตรงกลาง:

รัศมีที่ไกลที่สุดที่เราสามารถพิสูจน์ได้จากโลกด้วยความแน่นอนที่สุดคือกฎของฟิสิกส์ไม่แตกต่างกันอย่างไร

ศูนย์. พบหลักฐานในวิชาคณิตศาสตร์และห้องพิจารณาคดีและเป็นไปไม่ได้ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ ดีที่สุดที่เราสามารถทำได้คือต้องหลอกทฤษฎี สิ่งนี้ถือเป็นคำอธิบายทุกความเป็นจริง - ไม่มี "ข้อพิสูจน์" แม้แต่กฎแห่งแรงดึงดูด

ดังนั้นสิ่งที่เราสามารถสังเกตได้ว่าจะบอกเราว่าค่าคงที่ทางกายภาพหรือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทางกายภาพแตกต่างกันในส่วนอื่น ๆ ของจักรวาลหรือในเวลาอื่น ๆ ในระหว่างการดำรงอยู่ของมัน?

• แรงโน้มถ่วง: สำหรับกระจุกกาแลคซีเรามีการตรวจวัดมวลอิสระจากแหล่งต่าง ๆ หลายแห่งที่เห็นด้วยในแถบข้อผิดพลาด เลนส์แรงโน้มถ่วงการกระจายความเร็วของกาแลคซีสมาชิกและอุณหภูมิเอกซ์เรย์นั้นเป็นไปตามที่ตกลงกัน ดังนั้นกฎของแรงโน้มถ่วงดูเหมือนว่าจะทำงานได้แม้ในช่วงเปลี่ยนเกียร์สูงถึง 0.5 หรือสูงกว่า
• ฟิสิกส์อะตอม: เราสังเกตเห็นวัตถุที่มีการสับเปลี่ยนสูง ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุเหล่านี้ทำขึ้นโดยการขยายตัวของเอกภพ การสังเกตเส้นสเปกตรัมสีแดงที่เปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน (หรือโมเลกุล) บอกเราว่าฟิสิกส์ของอะตอมทำงานเหมือนกันทุกครั้งที่แสงนี้ถูกปล่อยออกมา หากระดับการเปลี่ยนแปลงระหว่างวงโคจรของอิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปเราจะได้รับการเปลี่ยนสีแดงที่แตกต่างกันสำหรับวัตถุเดียวกันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเส้นสเปกตรัมขององค์ประกอบที่เราสังเกต
• Nucleosythesis: ไม่นานหลังจากบิ๊กแบงอุณหภูมิที่ลดต่ำลงนั้นโปรตอนและนิวตรอนจะไม่ถูกสร้างและทำลายอย่างต่อเนื่อง นิวตรอนอิสระมีชีวิตครึ่งหนึ่งประมาณ 8.5 นาทีก่อนที่มันจะสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ทฤษฎีของเราทำนายว่าเราจะได้เนื้อหาฮีเลียม (2x โปรตอน, 2x นิวตรอน) ในจักรวาลประมาณ 25% (ส่วนที่เหลือของสสารปกติเป็นไฮโดรเจนทั้งหมด) และนั่นคือสิ่งที่เราสังเกต ตอนนี้ปริมาณฮีเลียมขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของสสารในเวลาที่เกิดขึ้นและครึ่งชีวิตของนิวตรอน จากข้อสังเกตอื่น ๆ (BAO เข้ามาในใจ) เราค่อนข้างมั่นใจว่าเรามีความหนาแน่นของสสารที่ถูกต้อง ซึ่งเหลือเพียงห้องเลื้อยเล็ก ๆ สำหรับครึ่งชีวิตของนิวตรอนและด้วยเหตุนี้การเปลี่ยนแปลงของกำลังอ่อน
• เราครอบคลุมแรงโน้มถ่วงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงที่อ่อนแอ ฉันไม่รู้จักการทดสอบที่ดีสำหรับแรงที่แข็งแกร่ง

สำหรับการเปลี่ยนแปลงของกฎธรรมชาติเมื่อเวลาผ่านไปเราสามารถดูการกระจายไอโซโทปในหินที่นี่บนโลก เราควรจะสามารถบอกได้ว่าอัตราการสลายตัวขององค์ประกอบต่าง ๆ นั้นแตกต่างกันในช่วงเวลาก่อนหน้าหรือไม่โดยดูจากจำนวนการสลายตัวของผลิตภัณฑ์แต่ละชิ้นที่อยู่รอบ ๆ

เพื่อสรุปเราไม่สามารถพูดด้วย "ความมั่นใจแน่นอน" แต่สิ่งที่เราสังเกตดูเหมือนจะบ่งบอกว่ากฎธรรมชาติเหมือนกันทั่วทั้งจักรวาล

เราไม่ทราบแน่ชัด อย่างไรก็ตามเราสามารถระบุด้วยความมั่นใจว่าสิ่งใดที่จะแตกถ้าไม่ใช่ความจริงหากสูตรทางคณิตศาสตร์บางอย่างนั้นถูกต้อง นี่คือทฤษฎีบทของ Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR การแบ่งคือการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น หากคุณพิจารณาว่ากฎของฟิสิกส์อาจแตกต่างกันไปตามกาลเวลามากกว่าที่จะเกิดขึ้นการอนุรักษ์พลังงานคืออะไร ทั้งสองขึ้นอยู่กับข้อ จำกัด ที่สูตรลากรองจ์นั้นถูกต้อง

ฉันได้พบกับนักฟิสิกส์ร้ายแรงที่พูดถึงความเป็นไปได้ที่การไม่แปรเปลี่ยนของเวลาอาจไม่เกิดขึ้นในช่วงแรกของจักรวาล ผลที่ตามมาจะไม่ใช่การอนุรักษ์พลังงานในระดับดาราศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดซึ่งเป็นที่ซึ่งหลักฐานสำหรับกฎหมายการอนุรักษ์นี้มีความแข็งแกร่งน้อยที่สุด (เราต้องวางตัวการมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืดและจักรวาลก็ไม่สามารถสังเกตได้ทั้งหมด)

ปัญหาหนึ่งที่เกิดขึ้นกับคำถามของคุณก็คือมันเป็นความขัดแย้งเล็กน้อย หากกฎของฟิสิกส์ดูเหมือนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเวลา / สถานที่ที่ถูกสังเกตเห็นเนื่องจากกฎหมายว่าด้วยสิ่งมีชีวิตหมายถึงอะไรเราแค่เข้าใจผิดกฎหมายเองหรือไม่ได้สังเกตกองกำลังทั้งหมดที่ทำงาน

นี่เป็นตัวอย่างง่ายๆ

คนเหล่านี้ไม่ได้พบสถานที่ในจักรวาลที่แรงโน้มถ่วงกระทำแตกต่างกันพวกเขาเพียงแค่ถูกผลักโดยแฟนกว่าแรงโน้มถ่วงดึงลงมา แน่นอนถ้าข้อมูลเดียวที่คุณมีเกี่ยวกับพวกเขาคือภาพนี้คุณจะไม่ทราบและอาจคิดว่าแรงโน้มถ่วงนั้นทำหน้าที่แตกต่างกันไป

หากนักวิทยาศาสตร์สังเกตความแปรปรวนเป็นวิธีการที่กฎหมายทำงานและเพียงแค่โบกมือของพวกเขาโดยพูดว่า "โอ้กฎหมายทำงานแตกต่างกันไปที่นั่น" นั่นก็ไม่ใช่วิทยาศาสตร์อีกต่อไป เราต้องการทราบว่าทำไมกฎหมายปรากฏว่าทำงานแตกต่างกันในที่เดียวกับอีกที่หนึ่ง

แก้ไข:

ตัวอย่างหนึ่งที่อาจเป็นจุดที่มากกว่าของ OP คือพลังงานมืด เราสังเกตว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราที่เพิ่มขึ้นแม้ว่ากฎของฟิสิกส์ของเราโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงโน้มถ่วงทำนายว่าการขยายตัวของมันจะทำให้มันชะลอตัวลง แทนที่จะยักไหล่และพูดว่า "กฎของฟิสิกส์ก็แค่ทำงานต่างไปจากขอบจักรวาล" นักวิทยาศาสตร์ตั้งทฤษฎีบางอย่างที่เรียกว่าสสารมืดเพื่ออธิบายว่าทำไมการขยายตัวของเอกภพจึงเร่งแม้ว่าแรงโน้มถ่วง

"พวกเขา (กฎแห่งฟิสิกส์) จะแตกต่างกันในสองวิธีธรรมชาติ:"

1. ค่าคงที่ในสมการอาจเปลี่ยนแปลงหรือ

   เป็นไปได้ เราค่อนข้างแน่ใจเกี่ยวกับค่าของค่าคงที่จนถึงระดับดาราศาสตร์ขนาดเล็ก (กาแลคซีย่อย) ในระดับกาแลคซีและที่อื่น ๆ เรามีการเบี่ยงเบนที่แปลกประหลาดจากสิ่งที่เราคาดหวัง ในระดับกาแลคซีในปัจจุบันนี้เราให้ความสำคัญกับการเบี่ยงเบนไปที่ "สสารมืด" ซึ่งสำหรับฉันดูเหมือนว่าจะมีอะไรมากกว่าตัวยึดตำแหน่งที่ไม่รู้จัก

   ในระดับสากลการขยายตัวของเอกภพที่เห็นได้ชัดอย่างเร่งด่วนมักเกิดจากตัวยึดตำแหน่งที่แตกต่างกันสำหรับสิ่งที่ไม่รู้จัก "พลังงานมืด"; หรืออาจเป็นไปได้ว่าทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปในขณะที่เราเข้าใจว่ามันไม่ได้อยู่ในระดับดาราศาสตร์ขนาดใหญ่ดังนั้นตัวอย่างเช่นค่าคงตัวแรงโน้มถ่วงไม่ได้เป็นค่าคงที่ในความเป็นจริงหรืออะไรก็ตาม นี่เป็นหลักฐานที่ค่อนข้างแข็งแกร่งว่าสิ่งที่เราคิดว่ารู้นั้นผิดหรือไม่สมบูรณ์ดังนั้นคำตอบคือ "ในระดับสากลที่เรารู้ว่าเราผิด"

2. คณิตศาสตร์ในสมการอาจแตกต่างกัน

   นั่นคือสิ่งหนึ่งที่เราค่อนข้างแน่ใจเกี่ยวกับ: คณิตศาสตร์จะไม่แตกต่างกัน มันอาจจะไม่สมบูรณ์หรือนำไปใช้อย่างผิด ๆ หรืออะไรก็ตาม แต่คณิตศาสตร์เป็นสิ่งหนึ่งที่ไม่แตกต่างกัน

3. อย่าลืมว่ามีห้อง "ด้านล่างมากมาย" ที่มีชื่อเสียง เราไม่รู้ด้วยซ้ำว่าจำนวนมิติของเครื่องชั่งขนาดเล็ก (sub-nuclear) เราไม่รู้เลยว่าการทอผ้าของเวลาอวกาศมีการรวมตัวกัน ฯลฯ

4. ในระดับที่มีการเก็งกำไรมากกว่านี้อาจไม่ได้เป็นเอกภพเพียงอย่างเดียว แต่ยกตัวอย่างเช่นเศษของจักรวาล Lee Smolin เขียนเกี่ยวกับแนวคิดของวิวัฒนาการของจักรวาล คนอื่นจะมีค่าคงที่ที่แตกต่างกันมากที่สุดหรือแตกต่างกันในวิธีที่ตลกอื่น ๆ

5. ในระดับการเก็งกำไรที่มากขึ้น: หากคุณถาม Elon Musk และคนอื่น ๆ เราอาศัยอยู่ในเมทริกซ์ต่อไปและกฎของธรรมชาติทั้งหมดอาจเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการของผู้ดูแลระบบของการกดแป้นพิมพ์ บางสิ่งบางอย่าง/gamemode 1 qwerty10และบัตรเครดิตของคุณจะไม่มีวันหมด

วิทยาศาสตร์ขึ้นอยู่กับการเดาการถอดความเฟย์แมน เราเดาว่ามีบางอย่างทำงานในลักษณะที่แน่นอน การเดาที่ดีจะอธิบายข้อมูลที่มีอยู่และทำการคาดการณ์ซึ่งสามารถทดสอบได้การเดาที่ดีที่สุดคือการเดาที่ดีที่สุดซึ่งง่ายที่สุดนั่นคือลดจำนวนของสมมติฐานเพิ่มเติม ดังนั้นสมมติฐานของนิวตันที่แรงโน้มถ่วงทำงานกับดาวเคราะห์ในแบบเดียวกับที่ใช้ในการขว้างก้อนหินขณะที่เดินไปตามชายหาดนั่นคือการคาดเดา

ฉันไม่ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์ดังนั้นหรือนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ฉันมีพื้นฐานด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและความอยากรู้เกี่ยวกับจักรวาลวิทยา ฉันสิ้นสุดที่นี่เพราะฉันกำลังมองหาคำตอบสำหรับคำถามที่ถามข้างต้น

ฉันดูเหมือนว่าข้อมูลต่อไปนี้เกี่ยวข้องกับคำถาม: บทความล่าสุด (2017.09.20) ที่เผยแพร่บนเว็บไซต์ของ NASA กล่าวถึงการศึกษาซึ่งเผยให้เห็นว่าทั้งสองวิธีใช้ในการคำนวณค่าคงที่ของฮับเบิล 1a supernovae คนอื่น ๆ ใน CMB) ไม่เห็นด้วย (แม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานจักรวาลวิทยาทำนายข้อตกลงของพวกเขา):

«การศึกษาล่าสุดโดยใช้วิธีแรกให้อัตราการขยายตัวที่ดีขึ้น 8% จากผลลัพธ์ของวิธีที่สอง » - https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

บทความไม่ได้กล่าวถึงคำอธิบายที่ชัดเจนสำหรับความคลาดเคลื่อนนี้ เช่นอาจมีช่องโหว่ในหนึ่งหรือทั้งสองวิธีการคำนวณ

ถ้าฉันเข้าใจอย่างถูกต้อง: เนื่องจากเชื่อว่า CMB แจ้งให้เราทราบเกี่ยวกับเอกภพยุคแรก แต่นี่ไม่ได้เป็นเช่นนั้นสำหรับซุปเปอร์โนวาประเภท 1a ดังนั้นคำอธิบายที่เป็นไปได้อีกข้อหนึ่งก็คือการวัดทั้งสองนั้นถูกต้องและความไม่ลงรอยกัน . เช่นบทความถามคำถาม«หรือคุณสมบัติของสสารมืดหรือพลังงานมืดเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา? » เนื่องจากความสำคัญของค่าคงที่ของฮับเบิลบางทีนี่อาจเป็นความจริงที่ว่าฟิสิกส์มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา