Hukum-hukum fisika menembus alam semesta


25

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.


4
Nah, percobaan yang dilakukan orang-orang di Bumi pada abad ke-18 adalah jauh, jauh lebih jauh dalam ruang (dan waktu) daripada Bulan dari Bumi saat ini - dan itu adalah kacang tanah untuk berapa lama kehidupan telah ada di sini. Apakah Anda mengira bahwa kita "menyeret" fisika kita bersama kita melalui ruang dan waktu? Ini mulai terlihat sangat rumit, untuk sesuatu yang tidak memiliki masalah untuk dijelaskan dan tidak ada prediksi untuk dibuat. Saya berani menyebut ide itu tidak ilmiah - Anda mencoba mengganti sesuatu yang sederhana dan tampaknya bekerja dengan sesuatu yang sangat kompleks, dan tidak memiliki pengamatan (atau bahkan alasan) untuk diikuti.
Luaan

Paragraf kedua yang Anda maksudkan tentang bulan, seperti yang saya tulis sebelumnya dalam pertanyaan - itu hanyalah tebakan yang terpelajar. Yang tentu saja berarti paragraf kedua mungkin tidak benar tentang jari-jari karena seperti yang saya tulis sebelumnya (dalam paragraf itu) dugaannya. Tapi itu jawaban terbaik yang bisa kutebak untuk diriku sendiri saat aku menulis pertanyaan.
qwerty10

Jadi Anda tidak berpikir itu dugaan yang bagus
qwerty10

2
Saya pikir itu bukan pertanyaan yang bagus, begitu Anda memahami inti dari metode ilmiah. Adalah ide yang buruk untuk memikirkan hal-hal yang tidak dapat dibantah - dengan cara itu ada kegilaan dan naga :) Lihat semua teori crackpot di luar sana - kebanyakan dari mereka secara aktif menghindari tes ilmiah, atau tidak memiliki cara untuk dibantah dalam posisi pertama. Dan segala sesuatu yang berpusat pada Bumi itu mencurigakan - Anda pikir pendekatan Anda konservatif, karena kami belum mengamati sesuatu, tetapi sebenarnya memperkenalkan lebih banyak kompleksitas pada model, yang secara inheren memberinya lebih banyak beban pembuktian.
Luaan

1
Ini diasumsikan oleh prinsip kosmologis . Para ilmuwan umumnya mempercayai hipotesis apa pun yang membutuhkan asumsi paling sedikit - dan dengan menganggap Semesta homogen lebih didukung daripada menganggapnya tidak.
Sir Cumference

Jawaban:


23

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 hGch

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.


1
Lebih dekat ke rumah, reaktor fisi nuklir Oklo alami menghasilkan bukti yang sangat kuat bahwa konstanta struktur halus telah konstan (dalam batas yang sangat ketat) selama 2 miliar tahun terakhir.
David Hammen

1
@ Davidvidam Benar-benar benar. Jika seseorang ingin menulis jawaban berdasarkan eksperimen "berbasis lab", saya akan menjawabnya.
Rob Jeffries

Mungkin pertanyaan yang lebih dalam adalah "mengapa hukum fisika seperti apa mereka"? (atau "seperti apa rupanya"). Jika konstanta fundamental sangat bervariasi, kita mungkin tidak mengakui hukum yang terkait dengannya.
JonesTheAstronomer

38

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.


3
"ruang sidang" Saya berpendapat bahwa "ruang bukti" ruang sidang memiliki lebih banyak, lebih banyak kesamaan dengan cara sains untuk "membuktikan" hal-hal (yaitu, melalui proses penalaran induktif) daripada dengan bukti matematika. Juga, "Neutron bebas memiliki waktu paruh sekitar 8,5 menit sebelum terurai menjadi proton dan neutron." ... Apakah kalimat itu benar? Saya tidak sepenuhnya yakin, tapi sepertinya itu hampir dua kali lipat massanya ketika meluruh.
jpmc26

1
Ya, ruang sidang agak tidak terlalu serius. Mungkin aku harus mengeluarkannya. Dan ya, tentu saja ini sebuah elektron, maaf. Terima kasih kepada @sds untuk hasil edit!
Alex

6
Tidak pernah berhenti membuat saya takjub bagaimana sistem pendidikan kita dapat memaksa orang untuk mengambil lebih dari sepuluh tahun kelas sains untuk mendapatkan ijazah dan masih gagal untuk benar-benar mengajar orang-orang tentang sains. Belum lama ini, saya meledakkan pikiran seluruh ruang pertemuan penuh orang dewasa berpendidikan tinggi dengan mengatakan "Bagaimana kalau kita membuat beberapa hipotesis, menyusun beberapa tes yang dapat mengkonfirmasi atau membatalkan hipotesis tersebut, dan berkumpul kembali untuk membahas hasilnya" - sementara aku selalu senang terlihat seperti penyihir, ini benar-benar sesuatu yang harus diketahui oleh siswa kelas tiga mana pun.
corsiKa

1
@ MartinArgerami Seperti yang ditulis Temyr, pergeseran merah adalah peregangan konstan dari gelombang cahaya. Contoh: Garis natrium D pada ca. 600nm terpisah 1nm (angka bulat). Pada redshift 1 kita akan melihatnya pada jarak 1200 nm dan 2 nm. Jika pemisahan mereka berbeda dari yang ditunjukkan oleh pergeseran merah, kita akan tahu bahwa gaya elektromagnetik berbeda dari mana cahaya berasal. Garis spektral dari elemen lain dan orbital lain juga akan terpengaruh secara berbeda. Saya tidak berpikir itu mungkin untuk mengubah elektromagnetisme dengan cara yang akan menjaga semua tingkat energi orbital konsisten.
Alex

1
Neutron bebas meluruh menjadi proton, elektron, dan elektron antineutrino.
Howard Miller

3

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).


2
Maksud Anda simetri di bawah terjemahan posisi atau waktu tentunya? Nah, alam semesta tidak simetris di bawah terjemahan waktu dan "hukum" konservasi energi bukanlah bagian mendasar dari deskripsi Relativistik Umum tentang alam semesta.
Rob Jeffries

@RobJeffries Ini tidak simetris (entropi muncul di benak), tetapi apakah itu melanggar konservasi? (Dugaan saya tidak; jika hukum konservasi berpegang pada satu arah waktu, tampaknya sepele bahwa mereka berpegang pada arah sebaliknya juga.) Ini masih menjadi rumit pada tingkat mikroskopis (T simetri saja dilanggar, tetapi CPT tidak), tapi saya keluar dari kedalaman saya di sini.
Peter - Reinstate Monica

1
@RobJeffries Re: "" Hukum "konservasi energi bukanlah bagian mendasar dari deskripsi Relativistik Umum tentang alam semesta": Itu mengejutkan saya; Nyebelin ;-). Red shift adalah contoh sederhana yang bagus untuk energi "pergi". Setelah membaca sedikit ( preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/… membantu, termasuk beberapa diskusi), tampaknya bentuk konservasi energi-momentum yang lebih kompleks masih bertahan ... tetapi mungkin itu adalah kesalahpahaman (cf . physics.stackexchange.com/a/35438/72043. )
Peter - Reinstate Monica

Konservasi energi sudah rusak pada skala kosmologis. Ya, pikirkan argumen teorema Noether Anda.
Incnis Mrsi

3

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.

masukkan deskripsi gambar di sini

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.


Saya rasa ini bukan jawaban yang bagus. Tiga jawaban lainnya (membahas matematika, misalnya makalah) yang diposting sebelumnya adalah apa yang ada dalam pikiran saya untuk jawaban potensial. Dan pertanyaan saya ditulis dari sudut pandang seorang ahli fisika yang memikirkan masalah tersebut.
qwerty10

Jadi menurut saya solusi Anda adalah jawaban yang tidak valid untuk pertanyaan saya. Bukan itu yang saya cari dalam jawaban.
qwerty10

2
Saya setuju bahwa jawaban yang lain luar biasa dan bahkan lebih baik daripada jawaban saya. Namun saya juga berpikir bahwa ada kekurangan dalam pertanyaan Anda, khususnya implikasi bahwa komunitas sains akan menerima bahwa hukum fisik hanya bekerja secara berbeda di satu area ruang daripada di yang lain. Jika pengamatan di ruang jauh pernah bertentangan dengan hukum kita yang diketahui, penjelasannya tidak akan pernah "Hukum fisika bekerja secara berbeda di luar sana". Lihat hasil edit saya untuk contoh lain.
Dean MacGregor

Pertanyaan saya tidak berarti bahwa penemuan fisika matematika baru (atau teori baru) tidak mungkin untuk menjelaskan informasi eksperimental seperti contoh energi gelap Anda. Dengan mempertimbangkan hukum aktual seperti persamaan fisika matematika misalnya- untuk energi gelap atau persamaan fisika matematika lain untuk fenomena lain. Jadi, edit / paragraf Anda tentang energi gelap, menurut pendapat saya, bukanlah jawaban.
qwerty10

2

"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.


1
Apa "benang tunggal dari jalinan ruang" yang "dirajut bersama"?
Roland Pihlakas

@RolandPihlakas Berinteraksi Higgs Bosons? Belitan? Terserah. Kami tidak benar-benar tahu, tetapi kain metaforis itu, dan dengan demikian memiliki untaian metaforis di dalamnya ;-). Robert Laughlin tampaknya membayangkan semacam eter canggih; ruang (-waktu) hanya berperilaku seperti medium bergetar sehingga pemberhentian medium klasik modern mungkin menyangkal gajah di dalam ruangan.
Peter - Reinstate Monica

0

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.


0

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.


Wendy Freedman, profesor astronomi dan astrofisika Sullivan di University of Chicago mengatakan, "Bisa jadi kita tidak memahami ketidakpastian dengan cukup baik untuk mengetahui mengapa kedua metode ini berbeda."
Rob Jeffries

terima kasih atas komentarnya. mungkin Anda bisa mencerahkan saya tentang apa sebenarnya yang dimaksud Freedman dengan pernyataan itu? yaitu ketidakpastian tentang apa? dan apa yang tidak dipahami tentang ketidakpastian itu?
poligraf

Apakah ini metode ketiga, atau contoh lain dari metode supernova tipe 1a? nasa.gov/feature/goddard/2018/... «Perbedaan antara kedua nilai tersebut sekitar 9 persen. Pengukuran Hubble baru membantu mengurangi kemungkinan bahwa perbedaan dalam nilai adalah kebetulan menjadi 1 dalam 5.000. »
poligraf
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.