宇宙全体の物理法則

物理学の法則が宇宙全体で同じであることをどのように知るのでしょうか？直観的には、それらは2つの自然な方法で変化すると言います。方程式の定数が変化するか、方程式の数学が変化する可能性があります。推測として、彼らは長い時間をかけて変化する可能性があります。物理学の法則が変わらないことを、絶対確実に地球から証明できる最も遠い半径とは何ですか？これは半径ではなく、半径で簡単に説明できないより複雑な形状である可能性があることを認識しています。

半径について考えられる最も近い答えは推測です。そして、この推測は、地球から行った最も遠い物理実験に基づいています。月の鏡を使った実験だと思います。したがって、この実験が機能するため、すべての物理法則が成り立つ（この仮定が完全に100％合理的であるかどうかはわかりません）と仮定した場合。それから半径は月にあります。これは半径の具体的な答えではなく、単に経験に基づいた推測にすぎません。

「絶対確実」に証明できるものはありません。それが科学の仕組みではありません。

自然の定数はまさにそれであるという作業仮説を採用します。時間と空間の両方で一定です。次に、その仮説を偽造しようとする実験を行うか、少なくとも物事が変化する可能性を制限します。

このPhysics SEの質問（この質問も参照）への回答で説明されている理由により、微細構造定数などの無次元パラメーターのみが変動を評価できます、c、hなどの他の定数は、 （測定）単位なので、変化しているかどうかはわかりません。$G$$c$$h$

微細構造定数を例にとると、遠方のクエーサーへの吸収線の観測は、これが空間と時間でどれだけ変化できるかによって強い制限を課します（情報が私たちに伝わるには有限の時間がかかるため、この2つは分離不可能です）。そのため、文献でこれを行うためのさまざまな試みを見つけることができます-いくつか掘り下げました。アルバレティ等。（2015）変動は、100,000から2の部分より小さく、1の赤方偏移（約80億年程度のルックバック時間）。太陽系のさまざまな部分で実行される実験にも同様の制約が存在します。一方、一部の著者は、類似のルックバック時間または異なる方向で数百万分の数百万の変動を主張しています（Murphy et al 2008 ; King et al。2012）、しかし、これらの主張は、フィールドのほとんどではないにしても、多くの労働者によって争われています。

Uzan（2011）によるこのトピックの大規模なレビューがありますが、これは読むことができます-これは本当に広範な質問です。私の要約は次のとおりです。現時点では、空間と時間の変動について説得力のある証拠はありません。

途中から始めましょう：

物理学の法則が変わらないことを、絶対的な確信を持って地球から証明できる最も遠い半径とは何ですか？

ゼロ。証明は数学と法廷にあり、自然科学では不可能です。私たちにできる最善のことは、偽造可能な理論を持つことです。これは現実のあらゆる記述に当てはまります-重力の法則にも「証拠」はありません。

それで、物理定数または物理量間の関係が宇宙の他の部分で、またはその存在中の他の時間で異なることを私たちに伝える何を観察できますか？

• 重力：銀河団の場合、いくつかの異なるソースからの独立した質量測定値があり、それらは（明らかに大きい）エラーバー内で一致しています。重力レンズ効果、メンバー銀河の速度分散、X線温度はすべて一致しています。したがって、重力の法則は、最大0.5以上の赤方偏移でも機能するようです。
• 原子物理学：非常に赤方偏移したオブジェクトを観察します。これらの天体から放射される光の波長は、宇宙の膨張により長くなります。さまざまな化学元素（または分子）の赤方偏移スペクトル線を観察すると、原子物理学はこの光がいつどこで放射されても同じように機能したことがわかります。電子軌道間の遷移レベルが時間とともに変化した場合、観測する要素のスペクトル線に応じて、同じオブジェクトに対して異なる赤方偏移が得られます。
• 核合成：ビッグバンの直後、温度が下がり、陽子と中性子が絶えず生成および破壊されなくなりました。自由中性子は、陽子と電子に崩壊するまでに約8.5分の半減期を持っています。私たちの理論では、宇宙で約25％のヘリウム（陽子2倍、中性子2倍）が得られると予測しています。（残りの「通常の」問題は本質的にすべて水素である）、そしてそれは実際に我々が観察していることです。現在、ヘリウム含有量は、これが起こった時点の物質密度と中性子の半減期の両方に依存しています。他の観察結果（BAOが思い浮かぶ）から、物質密度がほぼ正しいと確信しています。これにより、中性子の半減期、したがって弱い力の変化のための小さな揺れ部屋のみが残されます。
• 重力、電磁気、および弱い力について説明しました。私は強い力に対する良いテストを知りません。

時間の経過に伴う自然法則の変化については、地球上の岩石の同位体分布を見ることができます。崩壊生成物のそれぞれがいくつあるかを調べることにより、さまざまな元素の崩壊率が以前の時点で異なっていたかどうかを知ることができるはずです。

要約すると、「絶対確実性」と言うことはできませんが、観察したことは、自然法則が宇宙全体で同じであることを示しているようです。

確かにわかりません。ただし、特定の数学的定式化が有効であれば、それが真実ではない場合に何が壊れるかを自信を持って述べることができます。これはネーターの定理です https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DRは、線形の運動量の保存です。物理学の法則が場所ではなく時間とともに変化する可能性があると考える場合、壊れるものはエネルギーの保存です。両方とも、ラグランジアン定式化が有効であるという制約を受けます。

私は、宇宙の初期段階ではその時不変が成り立たない可能性について議論する真剣な物理学者に出会いました。結果は、最大の宇宙論的スケールでのエネルギーの非保存であり、この保存法則の証拠が最も弱い場所です。（暗黒物質と暗黒エネルギーの存在を仮定する必要があり、すべての宇宙が観測可能であるわけではありません）。

あなたの質問の1つの問題は、それが少しパラドックスであることです。物理法則が観察される時間/場所に応じて変化するように見える場合、物理法則であるという意味のために、法則自体を単純に誤解しているか、作業中のすべての力を観察していません。

これは非常に簡単な例です。

これらの人々は、宇宙で重力が異なるように作用する場所を見つけていません。彼らは、重力が彼らを引き下げているよりも、単にファンによって強く押されています。もちろん、あなたがそれらについて持っていた唯一の情報がこの写真であるならば、あなたはそれを知らず、重力はそれらがどこにあるかと異なって作用すると考えるかもしれません。

科学者が分散を観察すると、法律がどのように振る舞い、単に「法律はそこでは異なる働きをする」と彼らの手を振るだけであり、それはもはや科学ではない。私たちは、法律が場所ごとに異なるように見える理由を知りたいと思います。

編集：

OPのポイントよりも多分1つの例は、ダークエネルギーです。物理学の法則、具体的には重力がその膨張によって宇宙が減速することを予測しているにもかかわらず、宇宙はますます増大しています。科学者たちは肩をすくめて「宇宙の法則は宇宙の端で違った働きをする」と言うのではなく、ダークマターと呼ばれるものを理論化して、重力にもかかわらず宇宙の膨張が加速している理由を説明しました。

「それら（物理法則）は、2つの自然な方法で異なります。」

1. 方程式の定数は異なる場合があります

   可能。より小さい天文スケール（準銀河）までの定数の値についてはかなり確信しています。銀河規模以上では、私たちが期待するものから奇妙な逸脱があります。銀河スケールでは、現在、逸脱は「暗黒物質」に起因すると考えていますが、これは私にとって未知のもののプレースホルダーにすぎないようです。

   普遍的な規模で、明らかに加速している宇宙の膨張は、通常、未知の「暗黒エネルギー」の別のプレースホルダーに起因しています。または、一般的な相対性理論であり、大規模な天文学的なスケールには当てはまらないため、たとえば重力定数は実際には定数などではありません。これは、私たちが知っていると思うことは間違っているか不完全なので、答えは「普遍的スケールで、我々があることを、かなり強力な証拠である知っている私たちは間違っています」。

2. 方程式の数学は異なる場合があります。

   これが、私たちが確信していることの1つです。数学は変化しません。不完全であるか、誤って適用されているか、または何でもかまいません。しかし、数学は変わりません。

3. また、有名な「一番下にたくさんの部屋」があることも忘れないでください。私たちは、非常に小さな（核のない）スケールでの次元の数すら知らず、時空の布の単一の糸がどのように編まれているのかなども知りません。

4. より推測的なレベルでは、これは唯一の宇宙ではなく、たとえば多元宇宙の1つの破片にすぎないかもしれません。リー・スモリンは、宇宙の進化のアイデアについて書いています。他のものはおそらく異なる定数を持っているか、他の面白い方法で異なるでしょう。

5. さらに投機的なレベルでは、Elon Muskなどに尋ねると、とにかくMatrixに住んでいます。すべての自然法則は、システム管理者と同等のキーストロークの気まぐれで変更される可能性があります。のようなもの/gamemode 1 qwerty10で、クレジットカードが空になることはありません。

科学は推測に基づいており、ファインマンを言い換えています。何かが特定の方法で機能していると思います。良い推測は、既存のデータを説明し、テスト可能な予測を行います。最良の推測は、最も単純な、つまり追加の仮定の数を最小限に抑える良い推測です。したがって、ニュートンによる、重力が惑星に作用するのは、ビーチを歩いているときに石を投げるのと同じように働くという仮定は、本質的には単なる推測に過ぎませんでした。

私は決して科学者ではなく、天体物理学者でもありません。私は電気工学のバックグラウンドと宇宙論への好奇心があります。上記の質問に対する答えを探しているので、私は本質的にここで終わった。

NASAのWebサイトで公開されたかなり最近の（2017.09.20）記事は、ハッブルの定数を計算するために使用される2つの方法（1つは型の観測に基づいていることを明らかにする研究）に言及している1a超新星、CMB上のもう1つ）は一致しません（ただし、Cosmologyの標準モデルはそれらの一致を予測します）：

«最初の方法を使用した最近の研究では、2番目の方法の結果よりも8％高い膨張率が得られました。» -https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

この不一致の明確な説明については触れていません。たとえば、1つまたは両方の計算方法に穴がある可能性があります。

私が正しく理解している場合：CMBは初期宇宙について私たちに知らせると信じられているが、これはタイプ1aの超新星についてはそうではないため、別の可能な説明は両方の測定が有効であり、矛盾は何かが時間とともに変化したことを意味する。例えば、記事は質問をします«または暗黒エネルギーまたは暗黒物質の特性は時間とともに変化しますか？»。ハッブルの定数の重要性を考えると、これはおそらく物理学が時間とともに変化したという事実を示しています。