Las leyes de la física en todo el universo.

¿Cómo sabemos que las leyes de la física son las mismas en todo el universo? Intuitivamente, diría que variarían de dos maneras naturales: las constantes en las ecuaciones pueden variar o las matemáticas en las ecuaciones pueden variar. Como una suposición, podrían cambiar durante mucho tiempo. ¿Cuál es el radio más alejado que podemos probar desde la Tierra, con absoluta certeza, que las leyes de la física no varían? Soy consciente de que esto puede no ser un radio, sino una forma más compleja que no puede describirse simplemente por un radio.

La respuesta más cercana que se me ocurre para un radio es una suposición. Y esa suposición se basa en el experimento de física más avanzado que hemos realizado desde la Tierra. Lo cual creo que es un experimento con espejos en la luna. Por lo tanto, si suponemos (no sé si esta suposición es totalmente 100% razonable) todas las leyes de física son válidas porque este experimento funciona. Entonces el radio es a la luna. Esto no da una respuesta concreta para el radio, simplemente una suposición educada.

Nada se puede probar "con absoluta certeza"; Así no es como funciona la ciencia.

Adoptamos una hipótesis de trabajo de que las constantes de la naturaleza son exactamente eso; ambos constantes en tiempo y espacio. Luego llevamos a cabo experimentos que intentan falsificar esa hipótesis o al menos poner límites a la cantidad de cosas que pueden variar.

Por razones que se explican en las respuestas a esta pregunta de Física SE (ver también esta pregunta ), solo los parámetros adimensionales como la constante de estructura fina se pueden evaluar para su variación; otras constantes como , y están ligadas en nuestro sistema de (medir) unidades, por lo que no podemos decir si están cambiando o no.c $G$$c$$h$

Tomando el ejemplo de la estructura fina constante, las observaciones de las líneas de absorción hacia los quásares distantes ponen fuertes límites a cuánto puede haber variado en el espacio y el tiempo (los dos son inseparables, ya que la información tarda en llegar hasta nosotros). Por lo tanto, puede encontrar muchos intentos diferentes de hacer esto en la literatura; saqué algunos. Albareti y col. (2015) dicen que la variación es menor que un par de partes en un 100,000 hacia afuera a un desplazamiento al rojo de 1 (un tiempo de retrospectiva de aproximadamente 8 mil millones de años más o menos. Existen restricciones similares para experimentos realizados en diferentes partes del sistema solar. Por otro lado, algunos autores afirman variaciones de algunas partes por millón en tiempos de retrospectiva similares o en diferentes direcciones ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), pero estos reclamos son disputados por muchos, si no la mayoría de los trabajadores en el campo.

Hay una revisión masiva de este tema por parte de Uzan (2011) , que podría leer, esta es realmente una pregunta amplia. Mi resumen sería: en este momento no hay evidencia convincente de ninguna variación en el espacio y el tiempo.

Comencemos por el medio:

¿Cuál es el radio más alejado que podemos probar desde la Tierra, con absoluta certeza, que las leyes de la física no varían?

Cero. Las pruebas se encuentran en matemáticas y salas de tribunal, y son imposibles en las ciencias naturales. Lo mejor que podemos hacer es tener teorías falsificables . Esto vale para cada descripción de la realidad: no hay "prueba" incluso para las Leyes de la gravedad.

Entonces, ¿qué podríamos observar que nos diga que las constantes físicas o las relaciones entre cantidades físicas son diferentes en otras partes del universo o en otros momentos durante su existencia?

• Gravedad: para los cúmulos de galaxias, tenemos mediciones de masa independientes de varias fuentes diferentes que coinciden dentro de sus barras de error (ciertamente grandes). La lente gravitacional, la dispersión de la velocidad de las galaxias miembro y las temperaturas de rayos X están de acuerdo. Entonces, las leyes de la gravedad parecen funcionar incluso en desplazamientos al rojo de hasta 0.5 o incluso más.
• Física atómica: observamos objetos muy desplazados hacia el rojo. La longitud de onda de la luz emitida por estos objetos se alarga por la expansión del universo. Observar líneas espectrales desplazadas hacia el rojo de diferentes elementos químicos (o moléculas) nos dice que la física atómica funcionó igual cuando y dónde se emitió esta luz. Si los niveles de transición entre las órbitas de los electrones hubieran cambiado con el tiempo, obtendríamos diferentes desplazamientos al rojo para los mismos objetos dependiendo de la línea espectral del elemento que observemos.
• Nucleosíntesis: poco después del Big Bang, la temperatura bajó de tal manera que los protones y los neutrones ya no se creaban y destruían constantemente. Un neutrón libre tiene una vida media de aproximadamente 8,5 minutos antes de descomponerse en un protón y un electrón. Nuestras teorías predicen que obtendríamos un contenido de helio (2x protones, 2x neutrones) en el universo de aproximadamente el 25%. (El resto de la materia "normal" es esencialmente todo hidrógeno), y eso es lo que observamos. Ahora, el contenido de helio depende tanto de la densidad de la materia en el momento en que esto tuvo lugar como de la vida media del neutrón. De otras observaciones (BAO viene a mi mente), estamos bastante seguros de que tenemos la densidad de materia correcta. Lo que deja solo un pequeño margen de maniobra para la vida media del neutrón y, por lo tanto, para los cambios en la fuerza débil.
• Hemos cubierto la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil. No conozco ninguna buena prueba para la fuerza fuerte.

Para un cambio de las leyes naturales a lo largo del tiempo, podemos observar la distribución de isótopos en las rocas aquí en la tierra. Deberíamos poder determinar si la tasa de descomposición de varios elementos fue diferente en épocas anteriores al observar cuántos de sus productos de descomposición existen.

En resumen, no podemos decir con "certeza absoluta", pero lo que observamos parece indicar que las leyes naturales son las mismas en todo el universo.

No podemos saberlo con certeza. Sin embargo, podemos establecer con confianza lo que se rompería si no fuera cierto, siempre que cierta formulación matemática sea válida. Este es el teorema de Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR lo que se rompe es la conservación del momento lineal. Si considera que las leyes de la física pueden variar con el tiempo en lugar del lugar, lo que rompe es la conservación de la energía. Ambos están sujetos a la restricción de que una formulación lagrangiana es válida.

Me he encontrado con físicos serios que discuten la posibilidad de que esa invariancia temporal no sea válida para las primeras etapas del universo. La consecuencia sería la no conservación de la energía en las escalas cosmológicas más grandes, que es donde la evidencia de esta ley de conservación es menos fuerte. (Tenemos que plantear la existencia de materia oscura y energía oscura, y tampoco todo el universo es observable).

Un problema con su pregunta es que es una paradoja. Si una Ley de Física parece variar según el tiempo / lugar que se observa, entonces, debido a lo que significa ser una ley física, simplemente hemos entendido mal la ley en sí o no estamos observando todas las fuerzas en el trabajo.

Aquí hay un ejemplo súper simple.

Estas personas no han encontrado un lugar en el universo donde la gravedad actúe de manera diferente, simplemente están siendo empujados con más fuerza por un ventilador que la gravedad que les está presionando. Por supuesto, si la única información que tuviera sobre ellos fuera esta imagen, no lo sabría y podría pensar que la gravedad actúa de manera diferente donde están.

Si los científicos observan las variaciones es cómo se comporta una ley y simplemente saluda con la mano diciendo "oh, la ley funciona de manera diferente allí", entonces eso ya no es ciencia. Nos gustaría saber por qué la ley parece funcionar de manera diferente en un lugar frente a otro.

Editar:

Un ejemplo que quizás sea más importante para OP es la energía oscura. Observamos que el Universo se está expandiendo a un ritmo cada vez mayor a pesar de que nuestras Leyes de Física, específicamente la gravedad, predicen que su expansión hará que se desacelere. En lugar de encogerse de hombros y decir "bueno, las Leyes de la Física funcionan de manera diferente en el borde del Universo", los científicos teorizaron algo llamado materia oscura para explicar por qué la expansión del Universo se está acelerando a pesar de la gravedad.

"Ellos (las leyes de la física) variarían de dos maneras naturales:"

1. las constantes en las ecuaciones pueden variar o

   Posible. Estamos bastante seguros de los valores de las constantes hasta escalas astronómicas más pequeñas (subgalaxia). En la escala galáctica y más allá tenemos extrañas desviaciones de lo que esperaríamos. En la escala galáctica, actualmente atribuimos las desviaciones a la "materia oscura", que me parece poco más que un marcador de posición para lo desconocido.

   En una escala universal, la expansión aparentemente acelerada del universo generalmente se atribuye a un marcador de posición diferente para la "energía oscura" desconocida; o puede ser que la relatividad general, tal como la entendemos, no se mantiene en grandes escalas astronómicas, de modo que, por ejemplo, la constante gravitacional no es de hecho una constante, o lo que sea. Esta es una evidencia bastante sólida de que lo que creemos saber es incorrecto o incompleto, por lo que la respuesta es "a escala universal sabemos que estamos equivocados".

2. Las matemáticas en las ecuaciones pueden variar.

   De eso estamos bastante seguros: las matemáticas no variarán. Puede estar incompleto, o mal aplicado, o lo que sea; pero las matemáticas son lo único que no varía.

3. Tampoco olvidemos que hay famoso "mucho espacio en la parte inferior". Ni siquiera sabemos el número de dimensiones a escalas muy pequeñas (sub-nucleares), no sabemos cómo se unen los hilos individuales del tejido del espacio-tiempo, etc.

4. En un nivel más especulativo, este puede no ser el único universo sino, por ejemplo, solo un fragmento de un multiverso; Lee Smolin escribió sobre la idea de una evolución de universos. Las otras probablemente tendrían constantes diferentes, o diferirían de alguna otra forma divertida.

5. En un nivel aún más especulativo: si le preguntas a Elon Musk y a otros, vivimos en Matrix de todos modos, y todas las leyes de la naturaleza están sujetas a cambios a voluntad del administrador del sistema. Algo así /gamemode 1 qwerty10, y su tarjeta de crédito nunca se vacía.

La ciencia se basa en conjeturas, parafraseando a Feynman. Suponemos que algo funciona de cierta manera. Una buena suposición explica los datos existentes y hace predicciones que se pueden probar. La mejor suposición es la suposición más simple, es decir, minimiza el número de suposiciones adicionales. Entonces, la suposición de Newton de que la gravedad funciona para los planetas de la misma manera que arroja piedras mientras caminaba por una playa era, en esencia, una suposición.

de ninguna manera soy científico, ni astrofísico. Tengo experiencia en ingeniería eléctrica y curiosidad por la cosmología. Terminé aquí esencialmente porque estoy buscando respuestas a la pregunta anterior.

Me parece que la siguiente información es reveladora a la pregunta: un artículo bastante reciente (2017.09.20) publicado en el sitio web de la NASA menciona un estudio que revela que los dos métodos utilizados para calcular la constante de Hubble (uno se basa en observaciones de tipo 1a supernovas, la otra en el CMB) no están de acuerdo (aunque el Modelo Estándar de Cosmología predice su acuerdo):

«Un estudio reciente que utilizó el primer método arrojó una tasa de expansión 8% mayor que el resultado del segundo método. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

El artículo no menciona una explicación clara de esta discrepancia. por ejemplo, quizás haya agujeros en uno o ambos métodos de cálculo.

si entiendo correctamente: dado que se cree que el CMB nos informa sobre el universo temprano, pero esto no es así para las supernovas de tipo 1a, entonces otra posible explicación es que ambas mediciones son válidas, y la discrepancia significa que algo ha cambiado con el tiempo . por ejemplo, el artículo hace la pregunta «¿O las propiedades de la energía oscura o de la materia oscura cambian con el tiempo? ». Dada la importancia de la constante de Hubble, quizás esto apunta al hecho de que la física ha cambiado con el tiempo.