As leis da física através do universo

Como sabemos que as leis da física são iguais em todo o universo? Intuitivamente, eu diria que eles variariam de duas maneiras naturais: as constantes nas equações podem variar ou a matemática nas equações pode variar. Como um palpite, eles poderiam mudar por um longo tempo. Qual é o raio mais distante que podemos provar da Terra, com absoluta certeza, que as leis da física não variam? Sei que isso pode não ser um raio, mas uma forma mais complexa que não pode ser simplesmente descrita por um raio.

A resposta mais próxima que consigo pensar em um raio é um palpite. E esse palpite é baseado no experimento físico mais avançado que fizemos na Terra. O que eu acho que é um experimento com espelhos na lua. Portanto, se assumirmos (não sei se essa suposição é totalmente 100% razoável) todas as leis da física são válidas porque esse experimento funciona. Então o raio é para a lua. Isso não dá uma resposta concreta para o raio, apenas um palpite.

Nada pode ser provado "com absoluta certeza"; não é assim que a ciência funciona.

Adotamos uma hipótese de trabalho de que as constantes da natureza são exatamente isso; constante no tempo e no espaço. Em seguida, realizamos experimentos que tentam falsificar essa hipótese ou pelo menos colocar limites em quanto as coisas podem variar.

Por razões explicadas nas respostas a esta pergunta da Física SE (consulte também esta pergunta ), apenas os parâmetros adimensionais, como a constante da estrutura fina, podem ser avaliados quanto à sua variação - outras constantes como , c e h estão ligadas em nosso sistema de (medindo) unidades, por isso não podemos dizer se estão mudando ou não.$G$$c$$h$

Tomando o exemplo da estrutura fina constante, as observações das linhas de absorção em direção a quasares distantes impõem fortes limites quanto ao quanto isso pode variar no espaço e no tempo (os dois são inseparáveis, pois leva um tempo finito para que as informações cheguem até nós). Então você pode encontrar muitas tentativas diferentes de fazer isso na literatura - eu cavei algumas. Albareti et al. (2015) afirmam que a variação é inferior a duas partes em 100.000 para um desvio para o vermelho de 1 (um tempo de lookback de cerca de 8 bilhões de anos ou mais. Existem restrições semelhantes para experimentos realizados em diferentes partes do sistema solar. por outro lado, alguns autores reivindicam variações de algumas partes por milhão em tempos de lookback semelhantes ou em direções diferentes ( Murphy et al 2008 ; King et al. 2012), mas essas reivindicações são contestadas por muitos, se não a maioria dos trabalhadores no campo.

Há uma revisão maciça desse tópico por Uzan (2011) , que você pode ler - essa é realmente uma questão ampla. Meu resumo seria - no momento não há evidências convincentes de qualquer variação no espaço e no tempo.

Vamos começar no meio:

Qual é o raio mais distante que podemos provar da Terra, com absoluta certeza, que as leis da física não variam?

Zero. As provas são encontradas na matemática e nas salas dos tribunais e são impossíveis nas ciências naturais. O melhor que podemos fazer é falsificar teorias . Isso vale para todas as descrições da realidade - não há "prova" mesmo para as Leis da Gravidade.

Então, o que poderíamos observar que nos diria que constantes físicas ou relações entre quantidades físicas são diferentes em outras partes do universo, ou em outras ocasiões durante sua existência?

• Gravidade: Para aglomerados de galáxias, temos medições de massa independentes de várias fontes diferentes que concordam com suas barras de erro (reconhecidamente grandes). As lentes gravitacionais, a dispersão de velocidade das galáxias membros e as temperaturas dos raios X estão de acordo. Portanto, as leis da gravidade parecem funcionar mesmo em turnos de vermelho de até 0,5 ou até mais.
• Física atômica: Observamos objetos com desvio para o vermelho. O comprimento de onda da luz emitida por esses objetos é prolongado pela expansão do universo. Observar linhas espectrais com desvio para o vermelho de diferentes elementos químicos (ou moléculas) nos diz que a física atômica funcionava da mesma maneira quando e onde essa luz era emitida. Se os níveis de transição entre as órbitas eletrônicas tivessem mudado ao longo do tempo, obteríamos diferentes desvios de vermelho para os mesmos objetos, dependendo da linha espectral do elemento que observamos.
• Nucleossíntese: Logo após o big bang, a temperatura diminuiu de modo que prótons e nêutrons não eram mais criados e destruídos constantemente. Um nêutron livre tem meia vida de cerca de 8,5 minutos antes de se decompor em um próton e um elétron. Nossas teorias prevêem que obteríamos um conteúdo de hélio (2x próton, 2x nêutron) no universo de cerca de 25%. (O restante da matéria "normal" é essencialmente todo hidrogênio), e é de fato o que observamos. Agora, o teor de hélio depende da densidade da matéria no momento em que ocorreu e da metade da vida do nêutron. De outras observações (BAO vem à mente), estamos bastante certos de que temos a densidade da matéria certa. O que deixa apenas um pequeno espaço de manobra para a metade viva do nêutron e, portanto, para mudanças na força fraca.
• Cobrimos a gravidade, o eletromagnetismo e a força fraca. Não conheço nenhum bom teste para a força forte.

Para uma mudança nas leis naturais ao longo do tempo, podemos observar a distribuição isotópica nas rochas aqui na Terra. Deveríamos poder saber se a taxa de decaimento de vários elementos era diferente em épocas anteriores, observando quantos de cada um de seus produtos existem.

Para resumir, não podemos dizer com "certeza absoluta", mas o que observamos parece indicar que as leis naturais são as mesmas em todo o universo.

Não podemos ter certeza. No entanto, podemos afirmar com confiança o que seria quebrado se não fosse verdade, desde que certa formulação matemática fosse válida. Este é o teorema de Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR o que quebra é a conservação do momento linear. Se você considera que as leis da física podem variar com o tempo e não com o local, o que quebra é a conservação de energia. Ambos estão sujeitos à restrição de que uma formulação lagrangiana é válida.

Eu encontrei físicos sérios discutindo a possibilidade de que essa invariância no tempo não se mantenha nos estágios iniciais do universo. A conseqüência seria a não conservação de energia nas maiores escalas cosmológicas, onde é menos forte a evidência para essa lei de conservação. (Temos que postular a existência de matéria escura e energia escura, e também nem todo o universo é observável).

Um problema com sua pergunta é que é um pouco de paradoxo. Se uma lei da física parece variar dependendo do tempo / local a ser observado, por causa do que significa ser uma lei física, simplesmente entendemos mal a própria lei ou não estamos observando todas as forças em ação.

Aqui está um exemplo super simples.

Essas pessoas não encontraram um lugar no universo em que a gravidade age de maneira diferente, elas simplesmente estão sendo mais pressionadas por um fã do que a gravidade está pressionando sobre elas. Claro, se a única informação que você tinha sobre eles fosse essa imagem, você não saberia disso e poderia pensar que a gravidade age de maneira diferente onde estão.

Se os cientistas observam variações, é como uma lei se comporta e simplesmente acena com a mão dizendo "ah, a lei funciona de maneira diferente lá", então isso não é mais ciência. Queremos saber por que a lei parece funcionar de maneira diferente em um lugar e em outro.

Editar:

Um exemplo que talvez seja mais do ponto de vista do OP é a energia escura. Observamos que o Universo está se expandindo a um ritmo crescente, embora nossas Leis da Física, especificamente a gravidade, prevejam que sua expansão levaria à desaceleração. Em vez de encolher os ombros e dizer "bem, as leis da física funcionam de maneira diferente nos limites do universo", os cientistas teorizaram algo chamado matéria escura para explicar por que a expansão do universo está se acelerando apesar da gravidade.

"Eles (as leis da física) variariam de duas maneiras naturais:"

1. as constantes nas equações podem variar ou

   Possível. Temos bastante certeza sobre os valores de constantes até escalas astronômicas menores (sub-galáxia). Na escala galáctica e além, temos desvios estranhos ao que esperaríamos. Atualmente, na escala galáctica, atribuímos os desvios à "matéria escura", que para mim parece pouco mais que um espaço reservado para o desconhecido.

   Em uma escala universal, a expansão aparentemente acelerada do universo é geralmente atribuída a um espaço reservado diferente para a desconhecida "energia escura"; ou pode ser que a relatividade geral, como a entendemos, não se mantenha em grandes escalas astronômicas, de modo que, por exemplo, a constante gravitacional não seja de fato uma constante, ou o que seja. Essa é uma evidência bastante forte de que o que pensamos saber está errado ou incompleto; portanto, a resposta é "na escala universal, sabemos que estamos errados".

2. a matemática nas equações pode variar.

   Essa é a única coisa sobre a qual temos bastante certeza: a matemática não varia. Pode ser incompleto, ou aplicado incorretamente, ou o que for; mas a matemática é a única coisa que não varia.

3. Não devemos esquecer também que há "bastante espaço na parte inferior". Nós nem sabemos o número de dimensões em escalas muito pequenas (sub-nucleares), não sabemos como os fios únicos do tecido do espaço-tempo são unidos, etc.

4. Em um nível mais especulativo, esse pode não ser o único universo, mas, por exemplo, apenas um fragmento de um multiverso; Lee Smolin escreveu sobre a ideia de uma evolução de universos. Os outros provavelmente teriam constantes diferentes ou difeririam de alguma outra maneira engraçada.

5. Em um nível ainda mais especulativo: se você perguntar a Elon Musk e outros, nós vivemos na Matrix de qualquer maneira, e todas as leis da natureza estão sujeitas a alterações com o capricho de um toque de tecla equivalente pelo administrador do sistema. Algo como /gamemode 1 qwerty10, e seu cartão de crédito nunca fica vazio.

A ciência é baseada em suposições, parafraseando Feynman. Achamos que algo funciona de uma certa maneira. Um bom palpite explica os dados existentes e faz previsões que podem ser testadas. O melhor palpite é o palpite mais simples, ou seja, minimiza o número de suposições adicionais. Portanto, a suposição de Newton de que a gravidade funciona para planetas da mesma maneira que lança pedras enquanto caminhava pela praia era, em essência, apenas um palpite.

não sou de modo algum um cientista, portanto, nem um astrofísico. tenho formação em engenharia elétrica e curiosidade pela cosmologia. acabei aqui essencialmente porque estou procurando respostas para a pergunta acima.

parece-me que a seguinte informação é reveladora da questão: um artigo relativamente recente (20.09.2017) publicado no site da NASA menciona um estudo que revela que os dois métodos usados ​​para calcular a constante de Hubble (um é baseado em observações do tipo Supernovas 1a, a outra na CMB) discorda (embora o Modelo Padrão de Cosmologia preveja sua concordância):

«Um estudo recente usando o primeiro método produziu uma taxa de expansão 8% maior que o resultado do segundo método. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

o artigo não menciona uma explicação clara para essa discrepância. por exemplo, talvez haja falhas em um ou nos dois métodos de computação.

se eu entendi corretamente: como se acredita que o CMB nos informa sobre o universo primitivo, mas isso não é verdade para as supernovas tipo 1a, outra explicação possível é que ambas as medições são válidas e a discrepância significa que algo mudou ao longo do tempo . por exemplo, o artigo faz a pergunta «Ou as propriedades da energia escura ou da matéria escura estão mudando ao longo do tempo? ». dada a importância da constante de Hubble, talvez isso aponte para o fato de que a física mudou com o tempo.