題:
遍及宇宙的物理定律
qwerty10
2016-08-29 20:05:50 UTC
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我們如何知道整個宇宙的物理定律是相同的?直觀地講,它們將以兩種自然的方式變化:方程式中的常數可能會變化,或者方程式中的數學可能會變化。猜測他們可能會在很長一段時間內發生變化。我們可以絕對確定地從地球證明最遠的半徑是什麼,物理學定律不會改變?我知道這可能不是半徑,而是無法用半徑簡單描述的更複雜的形狀。

對於半徑,我能想到的最接近答案是猜測。這個猜測是基於我們從地球上進行的最深入的物理實驗得出的。我認為這是對月球鏡的實驗。因此,如果我們假設(我不知道這個假設是否完全100%合理),則所有物理定律都成立,因為該實驗有效。那麼半徑就是到月球。這並不能給出半徑的具體答案,只是有根據的猜測。

好吧,人們在18世紀在地球上所做的實驗比今天的地球在太空(和時間)上的距離要遠得多,而這對於這裡的生命已有很長的距離。您是否假設我們通過時空與我們“拖動”我們的物理學?對於沒有問題可以解釋,也沒有做出預測的事情,這似乎開始變得非常複雜。我敢說這個想法不科學-您正試圖用非常複雜的,沒有任何觀察力(甚至推理)的簡單事物替換那些看起來很簡單的東西。
正如我之前在問題中所寫的那樣,您所指的第二段是關於月球的,這僅僅是有根據的猜測。當然這意味著第二段關於半徑可能是不正確的,因為正如我之前(在該段中)所寫的那樣。但是,這是我寫這個問題時能為自己想到的最好的答案。
所以你不認為那是一個很好的猜測
一旦您了解了科學方法的核心,我認為這不是一個好問題。考慮不能被證明的事情是一個壞主意-那就是瘋狂和龍的謊言:)看看那裡所有的crackpot理論-他們中的大多數要么積極地避免進行科學測試,要么沒有方法可以被證明。第一名。一切以地球為中心的事物都是可疑的-您認為您的方法是保守的,因為我們還沒有觀察到任何東西,但是實際上給模型帶來了*更多*的複雜性,這從本質上給了它更多的舉證負擔。
@Luaan的問題不詢問我們的知識是否完整。 Is詢問是否已經有跡象表明某些我們所知的法律可能有時不成立(有時在很遠的地方有時適用)。
這是由[宇宙學原理](https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmologic_principle)假定的。科學家普遍相信任何假設所需的假設最少-而且假設宇宙是同質的,而不是假設並非如此。
令人印象深刻的問題
七 答案:
Alex
2016-08-29 21:15:39 UTC
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讓我們從中間開始:

我們可以絕對確定地從地球證明最遠的半徑是什麼?

零。證明可以在數學和法庭上找到,而在自然科學中則不可能。我們能做的最好的就是可證偽的理論。這適用於對現實的每一種描述-即使對於萬有引力定律也沒有“證明”。

因此,我們能觀察到什麼,這將告訴我們其他部分的物理常數或物理量之間的關係是不同的

  • 地心引力:對於星系團,我們有來自幾個不同源的獨立質量測量結果,這些測量結果在其(公認的大)誤差條內相符。引力透鏡,成員星系的速度色散和X射線溫度都一致。因此,引力定律甚至在高達0.5甚至更高的紅移時都起作用。
  • 原子物理學:我們觀察到高度紅移的物體。這些物體發出的光的波長通過宇宙的膨脹而變長。觀察到不同化學元素(或分子)的紅移光譜線告訴我們,原子物理在發射該光的時間和位置相同。如果電子軌道之間的躍遷能級隨時間變化,則根據觀察到的元素的光譜線,我們對相同物體的紅移將有所不同。
  • 核素合成:大爆炸後不久,溫度降低,質子和中子不再不斷產生和破壞。自由中子在衰變成質子和電子之前的半衰期約為8.5分鐘。我們的理論預測,宇宙中的氦(2x質子,2x中子)含量約為25%。 (“正常”物質的其餘部分基本上都是氫),這確實是我們觀察到的。現在,氦含量取決於發生這種情況時的物質密度和中子的半衰期。從其他觀察(BAO浮現在腦海中),我們可以肯定地說,我們得到了正確的物質密度。 b>
  • 我們已經介紹了重力,電磁力和弱力。我不知道對這種強力有什麼好的檢驗。通過查看每個衰變產物周圍有多少個,我們應該能夠分辨出各個元素的衰變率是否較早。

    總而言之,我們不能絕對肯定地說。 ,但是我們觀察到的似乎表明整個宇宙的自然定律都是相同的。

我要說的是“法庭”,法庭的“證明”與科學“證明”事物(即通過歸納推理過程)的方式相比,與數學證明相比,具有更多的共同點。另外,“自由中子在衰變成質子和中子之前的半衰期約為8.5分鐘。” ...那句話正確嗎?我不太確定,但是聽起來它衰減時質量幾乎翻了一番。
是的,審判室不太嚴重。也許我應該把它拿出來。是的,對不起,當然是電子。感謝@sds的編輯!
我的教育系統如何迫使人們接受十年以上的科學課以獲取文憑,而仍然無法真正地教人們科學是什麼,這使我始終不知所措。不久前,我說了“我們如何假設幾個假設,起草一些可以證實或否定這些假設的測試,然後重新組合以查看結果,就使整個會議室充滿了受過大學教育的成年人的頭腦”雖然我總是很高興看起來像一個嚮導,但這確實是任何三年級學生都應該知道的方法。
@Alex:對我來說,原子物理學的論點聽起來有些粗略。我的理解是,證明宇宙在膨脹的最大論據是紅移。假設原子物理學是相同的。您似乎正在顛倒論點。
對於星團質量測量-如果引力的強度發生變化,您是否會從不同的方法中獲得共識? (再加上協議不是那麼精確)。
@MartinArgerami不完全是。保持紅移為可選譜線仍然告訴我們,不同能級的比率是恆定的。我將更關注暗物質和暗能量是涵蓋重力定律中非通用性的臨時理論。
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@jpmc26我實際上不同意這一點。從理論上講,法庭上的“證明”是相當數學的-它基於以下觀點:證據表明結果的概率高於某個閾值(例如,“概率平衡”負擔中的50%以上)。在實踐中,當然要受到發出呼叫的人的異想天開。這與科學說的並不完全相似,在科學中我們說“迄今為止,這一理論與任何觀察都沒有矛盾”。只要滿足舉證責任,法院的判決就可能包含矛盾的證據。
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@CortAmmon同意,我認為有些案件已被駁回,因為陪審員獲得了一定比例的舉證責任。
@CortAmmon閾值可能是模糊的,但仍然存在。我們可以說有X,Y,Z數據支持該參數,而A和B則與此相矛盾,並支持該參數。我們無法用科學理論做到這一點。如果我們有10,000個落在地上的蘋果和1個落在天空上的蘋果,那麼我們必須重新考慮重力,或者尋找其他理論來解釋它。但是,法官可以採取​​一種概率性的觀點(儘管這種觀點不能準確量化),並且如果超出閾值,法官會感到滿意。
游離中子衰減成質子,電子和電子反中微子。
@JBentley我認為將其稱為數學閾值會有些極端。我認為您可以說的是,如果您願意接受不精確的行為,則可以使用概率作為他們的分析工具,將陪審員建模為理性演員。但是,這將是一個非常不精確的模型,通過其他方法(假設陪審員沒有使用概率)可以更好地對其進行建模。 (雖然您的10,000個蘋果的論點可能是正確的,但很有趣的是,如果有1,000,000個蘋果掉到地上,有1個飛到了天空,那對於粒子物理學家來說是足夠的引力證明)
@RobJeffries:是的,引力常數的變化會抵消。我更多地在思考問題部分,詢問自然定律的實際變化。一種效應是幾何效應,另一種是運動效應。因此,例如,如果萬有引力定律的平方反比無效,則在各種質量估計中它的顯示方式都應不同。是的,它們確實有很大的誤差線。尤其是,這可能不是經過深思熟慮的測試。小變化。我目前正在考慮您是否可以檢測到$ g $的變化以及相對於運動學的多個圖像時間延遲。
Rob Jeffries
2016-08-29 21:02:09 UTC
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沒有任何東西可以“絕對確定”地證明;科學不是這樣運作的。

我們採用一個有效的假設,即自然常數就是那個。時空不變。然後,我們進行實驗,試圖偽造該假設或至少對事物可能發生變化的程度進行限制。

出於對此物理SE問題(另請參見此問題),僅可以評估無量綱參數(例如精細結構常數)的變化-其他常數(例如$ G $,$ c $和$ h $)被捆綁在我們的(測量)單位,因此我們無法說出它們是否在改變。

以精細結構常數為例,觀察到向遙遠類星體的吸收線對它們可以有多少有嚴格的限制。時空的變化(兩者是密不可分的,因為信息需要有限的時間傳遞給我們)。因此,您可以在文獻中找到許多不同的嘗試來進行此操作-我列舉了一些。 Albareti等。 (2015)表示,變化小於100,000的兩個部分,而紅移為1(回溯時間約為80億年左右。對於在實驗的不同部分進行的實驗也存在類似的限制另一方面,一些作者確實聲稱,在類似的回溯時間或不同方向上,百萬分之幾的變化( Murphy等,2008 King等,2012 a>),但是這些說法遭到了很多(即使不是大多數)該領域的工人的質疑。

Uzan(2011)對這一主題進行了廣泛的評論,您可以讀到-這的確是一個廣泛的問題。我的總結是-目前尚無令人信服的證據證明時空會發生變化。

離家近一點,天然的Oklo核裂變反應堆提供了非常有力的證據,表明過去20億年以來精細結構常數一直是恆定的(在非常嚴格的範圍內)。
@DavidHammen絕對正確。如果有人希望基於“基於實驗室”的實驗編寫答案,我會贊成。
也許更深層次的問題是“為什麼物理定律是什麼”? (或“它們看起來是什麼”)。如果一個基本常數變化很大,我們可能就不會意識到相關的定律。
Nigel
2016-08-30 14:50:04 UTC
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我們不確定。但是,我們可以放心地陳述一下,如果一定的數學公式是有效的,那將是不對的將打破的事實。這是 Noether定理 https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR打破的是線性守恆動量。如果您認為物理定律可能隨時間而不是位置而變化,那麼破壞的就是能量守恆。兩者都受到拉格朗日公式有效的約束。

我遇到過嚴肅的物理學家,他們在討論宇宙的早期不具有時間不變性的可能性。結果將是在最大的宇宙學尺度上不守恆能量,這是守恆定律證據最弱的地方。 (我們必須假定存在暗物質和暗能量,而且並非所有宇宙都是可觀測的。)

您肯定是在位置或時間平移下對稱嗎?好吧,宇宙在時間平移下不是對稱的,能量守恆定律不是宇宙廣義相對論描述的基本組成部分。
@RobJeffries它不是對稱的(會想到熵),但是它違反守恆嗎? (我的猜測不是;如果守恆定律在一個時間方向上成立,那麼它們在相反方向上也同樣顯得微不足道。)它在微觀上仍然很複雜(僅違反了T對稱性,但沒有違反CPT),但我不在這裡。
@RobJeffries Re:“能量守恆的“定律”不是宇宙的廣義相對論描述的基本組成部分”:無賴;-)。紅移是能量“消失”的一個很好的簡單例子。閱讀一些內容(http://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-is-not-conserved/有所幫助,包括一些討論)之後,能量動量守恆的形式似乎更為複雜。仍然存在...但是也許這是一個誤解(請參閱http://physics.stackexchange.com/a/35438/72043。)
能量守恆已經在宇宙學規模上被打破了。是的,想想您的Noether定理。
Dean MacGregor
2016-08-30 18:04:18 UTC
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您的問題的一個問題是,這有點自相矛盾。如果物理定律似乎根據觀察到的時間/地點而有所不同,那麼由於它是物理定律的含義,我們只是誤解了該定律本身,或者沒有觀察到所有作用力。

這是一個非常簡單的例子。

enter image description here

這些人在宇宙中找不到引力的位置行為不同,它們只是受到風扇的推力而不是重力將其拉下。當然,如果您僅獲得有關它們的信息,那麼您將不會知道,並且可能會認為重力在它們所在的位置的行為有所不同。他們的手說“哦,那裡的法律工作方式有所不同”,那已經不是科學了。我們想知道為什麼法律在一個地方和另一個地方似乎有不同的作用。

編輯:

一個可能更適合OP的例子是暗能量。我們觀察到,即使我們的物理定律(特別是重力)預言宇宙的膨脹會導致其減速,但宇宙仍以不斷增加的速度膨脹。科學家沒有聳聳肩說“物理定律只是在宇宙邊緣發揮了不同的作用”,而是對一種叫做暗物質的理論進行了理論解釋,以解釋為什麼在萬有引力的作用下宇宙的膨脹正在加速。

我認為這不是一個好答案。較早發布的其他三個答案(討論數學等論文)更像是我想到的一個潛在答案。我的問題是從物理學家對問題的思考的角度寫的。
因此,我認為您的解決方案對我的問題是無效的答案。這不是我在尋找答案的目的。
我同意其他答案很棒,甚至比我的還要好。但是,我也認為您的問題存在缺陷,特別是暗示科學界會接受物理定律在一個空間區域內的作用與在另一個空間內的作用不同。如果在遙遠空間中的觀測與我們已知的定律相抵觸,則說明永遠不會是“物理定律只是在那兒工作的方式不同”。參見我的編輯以獲得另一個示例。
我的問題並不意味著發現新的數學物理學(或新的理論)不可能解釋諸如暗能量示例之類的實驗信息。它考慮了實際定律,例如暗能量的數學物理方程式或另一現象的另一個數學物理方程式。因此,我認為您關於暗能量的編輯/段落不是答案。
Peter - Reinstate Monica
2016-08-31 20:49:35 UTC
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“它們(物理定律)將以兩種自然的方式發生變化:”

  1. 方程式中的常數可能會變化,或者

    可能。對於較小的天文尺度(亞星系)的常數,我們相當確定。在銀河系之外,我們與預期之間存在著奇怪的偏差。在銀河尺度上,我們目前將偏差歸因於“暗物質”,在我看來,這僅僅是未知數的佔位符。

    在普遍尺度上,宇宙表面上明顯加速的膨脹通常歸因於未知的“暗能量”的不同佔位符。或是廣義相對論在大的天文尺度上並不成立,例如,引力常數實際上不是常數,或其他。這是有力的證據,證明我們認為知道的東西是錯誤的或不完整的,因此答案是“在普遍尺度上,我們知道我們錯了”。

  2. 方程式中的數學可能會發生變化。

    這是我們相當確定的一件事:數學不會發生變化。它可能是不完整的,或者應用錯誤的,或者是其他任何東西;但是數學是一成不變的。

  3. 讓我們也不要忘記著名的“底部有足夠的空間”。我們甚至不知道很小(亞核)尺度下的維數,也不知道時空結構的單線如何編織在一起,等等。

  4. 在一個更投機的層面上,這可能不是唯一的宇宙,而僅僅是一個多元宇宙的一個碎片。李·斯莫林(Lee Smolin)寫了關於宇宙進化的思想。其他的常量很可能具有不同的常數,或者以其他有趣的方式有所不同。

  5. 在一個更加投機的層面上:如果您問埃隆·馬斯克(Elon Musk)和其他人,我們無論如何都會生活在黑客帝國中,並且所有自然法則都可能在系統管理員等效於擊鍵的過程中發生變化。像 / gamemode 1 qwerty10 之類的東西,您的信用卡永遠都不會空。

  6. ol>
什麼是“編織在一起”的“空間結構的單線”?
@RolandPihlakas與希格斯玻色子相互作用嗎?糾結?隨你。我們並不真正知道,但是它是一個隱喻的結構,因此其中包含隱喻的線程;-)。羅伯特·勞克林(Robert Laughlin)似乎在想像某種複雜的以太。空間(時間)的行為就像振動的介質一樣,以致現代經典對介質的摒棄可能會否認房間裡的大象。
Prof James Moffat
2017-12-23 16:17:05 UTC
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科學是基於對Feynman的猜測,我們猜測某些事情可以以某種方式起作用。好的猜測可以解釋現有數據並做出可以測試的預測最佳猜測是最簡單的良好猜測,即可以最大程度地減少因此,牛頓(Newton)認為重力對行星的作用與在沿著海灘散步時向石頭投擲的作用相同,這在本質上只是一種猜測。

poligraf
2018-02-18 08:54:25 UTC
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我絕對不是科學家,因此也不是天體物理學家。我有電氣工程方面的背景,並對宇宙學感興趣。我之所以來到這裡,基本上是因為我正在尋找上述問題的答案。

在我看來,以下信息與該問題有關:一篇最近發表的文章(2017.09.20)發表於NASA網站提到一項研究,該研究表明用於計算哈勃常數的兩種方法(一種基於1a型超新星的觀測,另一種基於CMB的觀測)不同意(儘管宇宙學標準模型預測了它們的一致性):

«最近使用第一種方法進行的研究得出的擴展率比第二種方法的結果高出8%。 »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

該文章沒有提及明確的解釋對於這種差異。例如,在一種或兩種計算方法中可能都有漏洞。

如果我正確理解:由於相信CMB會告知我們有關早期宇宙的信息,但是對於1a型超新星並非如此,那麼另一個可能的解釋是這兩個測量值都是有效的,並且存在差異表示某些事情已經隨著時間而改變。例如,文章提出了一個問題“或者暗能量或暗物質的特性是否隨時間變化? »。考慮到哈勃常數的重要性,也許這表明了物理學隨時間變化的事實。

芝加哥大學沙利文大學天文學和天體物理學教授溫迪·弗里德曼(Wendy Freedman)表示:“可能是因為我們對不確定性的了解不夠,無法知道這兩種方法為何會有所不同。”
感謝您的評論。可能您可以使我理解Freedman所說的話實際上意味著什麼?即關於什麼的不確定性?對於那些不確定性,人們還不了解什麼呢?
這是第三種方法,還是1a型超新星方法的另一個實例? https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/improved-hubble-yardstick-gives-fresh-evidence-for-new-physics-in-the-universe«這兩個值之間的差異約為9% 。新的哈勃測量有助於將數值差異重合的可能性降低到5,000分之一。 »


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
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