Hukum-hukum fisika menembus alam semesta

Bagaimana kita tahu hukum fisika sama di seluruh alam semesta? Secara intuitif saya akan mengatakan mereka akan bervariasi dalam dua cara alami: konstanta dalam persamaan dapat bervariasi atau matematika dalam persamaan dapat bervariasi. Sebagai dugaan mereka bisa berubah dalam waktu yang lama. Berapa radius terjauh yang dapat kita buktikan dari bumi, dengan kepastian absolut, bahwa hukum fisika tidak berbeda? Saya sadar ini mungkin bukan jari-jari tetapi bentuk yang lebih kompleks yang tidak bisa digambarkan dengan jari-jari.

Jawaban terdekat yang bisa saya pikirkan untuk radius adalah tebakan. Dan tebakan itu didasarkan pada eksperimen fisika terjauh yang telah kita lakukan dari bumi. Yang saya pikir adalah percobaan dengan cermin di bulan. Karena itu, jika kita berasumsi (saya tidak tahu apakah asumsi ini 100% masuk akal) semua hukum fisika berlaku karena percobaan ini berhasil. Kemudian jari-jarinya adalah ke bulan. Ini tidak memberikan jawaban konkret untuk jari-jari, hanya tebakan yang berpendidikan.

Tidak ada yang bisa dibuktikan "dengan kepastian absolut"; bukan itu cara kerja sains.

Kami mengadopsi hipotesis kerja bahwa konstanta alam persis seperti itu; keduanya konstan dalam waktu dan ruang. Kemudian kami melakukan percobaan yang mencoba memalsukan hipotesis itu atau setidaknya membatasi seberapa banyak hal mungkin berbeda.

Untuk alasan yang dijelaskan dalam jawaban untuk pertanyaan Fisika SE ini (lihat juga pertanyaan ini ), hanya parameter tanpa dimensi seperti konstanta struktur halus yang dapat dinilai untuk variasi mereka - konstanta lain seperti , dan diikat dalam sistem kami (Mengukur) unit sehingga kami tidak dapat mengatakan apakah mereka berubah atau tidak.c $G$$c$$h$

Dengan mengambil contoh tetapan struktur halus, pengamatan garis serapan terhadap quasar jauh memberi batasan kuat pada seberapa banyak ini dapat bervariasi dalam ruang dan waktu (keduanya tidak dapat dipisahkan, karena dibutuhkan waktu yang terbatas untuk informasi untuk melakukan perjalanan ke kami). Jadi, Anda dapat menemukan banyak upaya berbeda untuk melakukan ini dalam literatur - saya menggali beberapa. Albareti et al. (2015) mengatakan variasi kurang dari beberapa bagian dalam 100.000 hingga redshift 1 (waktu tenggang sekitar 8 miliar tahun atau lebih. Kendala serupa ada untuk eksperimen yang dilakukan di berbagai bagian tata surya. sebaliknya, beberapa penulis mengklaim variasi beberapa bagian per juta pada waktu pencarian yang sama atau dalam arah yang berbeda ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), tetapi klaim ini disengketakan oleh banyak, jika tidak sebagian besar pekerja di lapangan.

Ada ulasan besar tentang topik ini oleh Uzan (2011) , yang bisa Anda baca - ini benar-benar pertanyaan yang luas. Ringkasan saya adalah - saat ini tidak ada bukti yang meyakinkan untuk setiap variasi dalam ruang dan waktu.

Mari kita mulai di tengah:

Berapa radius terjauh yang dapat kita buktikan dari bumi, dengan kepastian absolut, bahwa hukum fisika tidak berbeda?

Nol. Bukti ditemukan di ruang matematika dan pengadilan, dan tidak mungkin dalam ilmu alam. Yang terbaik yang bisa kita lakukan adalah memiliki teori yang bisa dipalsukan . Ini berlaku untuk setiap deskripsi realitas - tidak ada "bukti" bahkan untuk Hukum Gravitasi.

Jadi, apa yang dapat kita amati yang akan memberi tahu kita bahwa konstanta fisik atau hubungan antara kuantitas fisik berbeda di bagian lain dari alam semesta, atau pada waktu lain selama keberadaannya?

• Gravitasi: Untuk kluster galaksi, kami memiliki pengukuran massa independen dari beberapa sumber berbeda yang setuju dalam bilah galat (yang diakui besar). Lensa gravitasi, dispersi kecepatan galaksi anggota dan suhu sinar-X semuanya sesuai. Jadi hukum gravitasi tampaknya bekerja bahkan pada pergeseran merah hingga 0,5 atau bahkan lebih tinggi.
• Fisika atom: Kami mengamati benda yang sangat tergeser. Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh benda-benda ini dibuat lebih panjang oleh perluasan alam semesta. Mengamati garis-garis spektral yang digeser merah dari berbagai unsur kimia (atau molekul) memberi tahu kita bahwa fisika atom bekerja sama kapan dan di mana cahaya ini dipancarkan. Jika level transisi antara orbit elektron telah berubah dari waktu ke waktu, kita akan mendapatkan pergeseran merah yang berbeda untuk objek yang sama tergantung pada garis spektrum elemen apa yang kita amati.
• Nucleosythesis: Tak lama setelah big bang, suhunya menurun sehingga proton dan neutron tidak lagi diciptakan dan dihancurkan secara konstan. Neutron bebas memiliki waktu paruh sekitar 8,5 menit sebelum terurai menjadi proton dan elektron. Teori kami memperkirakan bahwa kami akan mendapatkan konten helium (2x proton, 2x neutron) di alam semesta sekitar 25%. (Sisa dari materi "normal" pada dasarnya adalah semua hidrogen), dan memang itulah yang kami amati. Sekarang, kandungan helium tergantung baik pada kerapatan materi pada saat ini terjadi dan setengah hidup dari neutron. Dari pengamatan lain (PAB datang ke pikiran) kami cukup yakin bahwa kami mendapatkan kepadatan materi tentang benar. Yang hanya menyisakan ruang gerak kecil untuk setengah hidup neutron, dan karenanya untuk perubahan kekuatan lemah.
• Kami telah membahas gravitasi, elektromagnetisme, dan gaya lemah. Saya tidak tahu ujian yang bagus untuk kekuatan yang kuat.

Untuk perubahan hukum alam dari waktu ke waktu, kita dapat melihat distribusi isotop pada batuan di bumi. Kita harus dapat mengetahui apakah laju peluruhan berbagai elemen berbeda pada masa sebelumnya dengan melihat berapa banyak masing-masing produk peluruhan mereka.

Singkatnya, kita tidak dapat mengatakan dengan "kepastian absolut", tetapi apa yang kita amati tampaknya menunjukkan bahwa hukum alam adalah sama di seluruh alam semesta.

Kami tidak tahu pasti. Namun, kita dapat menyatakan dengan yakin apa yang akan rusak seandainya itu tidak benar, asalkan rumusan matematika tertentu valid. Ini adalah teorema Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR yang rusak adalah konservasi momentum linear. Jika Anda menganggap bahwa hukum-hukum fisika mungkin berbeda dengan waktu alih-alih tempat, yang terputus adalah kekekalan energi. Keduanya tunduk pada batasan bahwa formulasi Lagrangian valid.

Saya telah menemui fisikawan serius yang mendiskusikan kemungkinan bahwa invarian waktu mungkin tidak berlaku untuk tahap awal alam semesta. Konsekuensinya adalah non-konservasi energi pada skala kosmologis terbesar, yang mana bukti untuk undang-undang konservasi ini paling tidak kuat. (Kita harus menempatkan keberadaan materi gelap dan energi gelap, dan juga tidak semua alam semesta dapat diamati).

Satu masalah dengan pertanyaan Anda adalah sedikit paradoks. Jika Hukum Fisika nampak bervariasi tergantung pada waktu / tempat yang diamati maka, karena apa artinya menjadi hukum fisika, kami hanya salah memahami hukum itu sendiri atau tidak mengamati semua kekuatan yang bekerja.

Inilah contoh super sederhana.

Orang-orang ini belum menemukan tempat di alam semesta di mana gravitasi bertindak secara berbeda, mereka hanya didorong lebih keras oleh kipas daripada gravitasi yang meruntuhkannya. Tentu saja, jika satu-satunya informasi yang Anda miliki tentang mereka adalah gambar ini, Anda tidak akan tahu itu dan mungkin berpikir bahwa gravitasi bertindak berbeda di mana mereka berada.

Jika para ilmuwan mengamati perbedaan adalah bagaimana suatu hukum berperilaku dan hanya melambaikan tangan mereka mengatakan "oh hukum bekerja secara berbeda di sana" maka itu bukan ilmu lagi. Kami ingin tahu mengapa hukum tampaknya bekerja secara berbeda di satu tempat vs tempat lain.

Edit:

Salah satu contoh yang mungkin lebih ke titik OP adalah energi gelap. Kami mengamati bahwa Alam Semesta meluas dengan laju yang meningkat meskipun Hukum Fisika kami, khususnya gravitasi, meramalkan bahwa perluasannya akan membuatnya melambat. Daripada mengangkat bahu mereka dan mengatakan "baik Hukum Fisika hanya bekerja secara berbeda di tepi Semesta" para ilmuwan berteori sesuatu yang disebut materi gelap untuk menjelaskan mengapa ekspansi Semesta dipercepat meskipun gravitasi.

"Mereka (hukum fisika) akan berbeda dalam dua cara alami:"

1. konstanta dalam persamaan dapat bervariasi atau

   Mungkin. Kami cukup yakin tentang nilai-nilai konstanta hingga skala astronomi yang lebih kecil (sub-galaksi). Pada skala galaksi dan seterusnya kita memiliki penyimpangan aneh dari apa yang kita harapkan. Pada skala galaksi kami saat ini menghubungkan penyimpangan dengan "materi gelap" yang bagi saya tampaknya lebih dari pengganti untuk yang tidak diketahui.

   Pada skala universal, perluasan yang tampaknya semakin cepat dari alam semesta biasanya dikaitkan dengan pengganti yang berbeda untuk "energi gelap"; atau mungkin relativitas umum seperti yang kita pahami itu tidak berpegang pada skala astronomi yang besar, sehingga misalnya konstanta gravitasi sebenarnya bukan konstanta, atau apa pun. Ini adalah bukti yang cukup kuat bahwa apa yang kita pikir tahu salah atau tidak lengkap, jadi jawabannya adalah "pada skala universal kita tahu bahwa kita salah".

2. matematika dalam persamaan dapat bervariasi.

   Itulah satu hal yang cukup kami yakini: Matematika tidak akan bervariasi. Mungkin tidak lengkap, atau salah diterapkan, atau apa pun; tetapi matematika adalah satu hal yang tidak berbeda.

3. Mari kita juga jangan lupa bahwa ada "banyak ruang di bawah". Kita bahkan tidak tahu jumlah dimensi pada skala yang sangat kecil (sub-nuklir), kita tidak tahu bagaimana benang tunggal dari struktur ruang waktu disatukan, dll.

4. Pada tingkat yang lebih spekulatif, ini mungkin bukan satu-satunya alam semesta tetapi sebagai contoh hanya satu pecahan multiverse; Lee Smolin menulis tentang gagasan evolusi alam semesta. Yang lain kemungkinan besar memiliki konstanta yang berbeda, atau berbeda dalam beberapa cara lucu lainnya.

5. Pada tingkat yang lebih spekulatif: Jika Anda bertanya kepada Elon Musk dan yang lainnya, kita toh tinggal di Matrix, dan semua hukum alam dapat berubah sesuai dengan tekanan tombol yang setara dengan sys admin. Sesuatu seperti /gamemode 1 qwerty10, dan kartu kredit Anda tidak pernah kosong.

Sains didasarkan pada tebakan, parafrase Feynman. Kami menduga sesuatu bekerja dengan cara tertentu. Tebakan yang baik menjelaskan data yang ada dan membuat prediksi yang dapat diuji Tebakan terbaik adalah tebakan yang baik yang paling sederhana yaitu meminimalkan jumlah asumsi tambahan. Jadi asumsi oleh Newton bahwa gravitasi bekerja untuk planet dengan cara yang sama seperti untuk melempar batu sambil berjalan di sepanjang pantai, pada dasarnya, hanyalah tebakan.

Saya sama sekali tidak seorang ilmuwan, dengan demikian juga seorang ahli astrofisika. Saya memiliki latar belakang di bidang teknik listrik dan keingintahuan untuk kosmologi. Saya akhirnya di sini pada dasarnya karena saya sedang mencari jawaban untuk pertanyaan yang diajukan di atas.

Tampaknya bagi saya bahwa informasi berikut ini berhubungan dengan pertanyaan: artikel yang cukup baru (2017.09.20) yang diterbitkan di situs NASA menyebutkan sebuah penelitian yang mengungkapkan bahwa dua metode yang digunakan untuk menghitung konstanta Hubble (satu didasarkan pada pengamatan jenis) 1a supernova, yang lain pada CMB) tidak setuju (meskipun Model Standar Kosmologi memprediksi persetujuan mereka):

«Sebuah studi terbaru menggunakan metode pertama menghasilkan tingkat ekspansi 8% lebih besar daripada hasil metode kedua. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

artikel ini tidak menyebutkan penjelasan yang jelas untuk perbedaan ini. misalnya, mungkin ada lubang di satu atau kedua metode perhitungan.

jika saya mengerti dengan benar: karena diyakini bahwa CMB memberi tahu kami tentang alam semesta awal, tetapi ini tidak demikian untuk supernova tipe 1a, maka penjelasan lain yang mungkin adalah bahwa kedua pengukuran itu valid, dan perbedaan itu berarti ada sesuatu yang berubah dari waktu ke waktu. . misalnya, artikel itu mengajukan pertanyaan «Atau apakah energi gelap atau sifat-sifat materi gelap berubah seiring waktu? ». mengingat pentingnya konstanta Hubble, mungkin ini menunjuk pada fakta bahwa fisika telah berubah seiring waktu.