Les lois de la physique à travers l'univers

Comment savons-nous que les lois de la physique sont les mêmes dans tout l'univers? Intuitivement, je dirais qu'elles varieraient de deux manières naturelles: les constantes dans les équations peuvent varier ou les mathématiques dans les équations peuvent varier. Comme une supposition, ils pourraient changer sur une longue période. Quel est le rayon le plus éloigné que l'on puisse prouver de la terre, avec une certitude absolue, que les lois de la physique ne varient pas? Je sais que ce n'est peut-être pas un rayon mais une forme plus complexe qui ne peut pas être simplement décrite par un rayon.

La réponse la plus proche à laquelle je peux penser pour un rayon est une supposition. Et cette supposition est basée sur l'expérience de physique la plus éloignée que nous ayons faite de la Terre. Ce que je pense est une expérience avec des miroirs sur la lune. Par conséquent, si nous supposons (je ne sais pas si cette hypothèse est 100% raisonnable) toutes les lois de la physique sont valables parce que cette expérience fonctionne. Ensuite, le rayon est à la lune. Cela ne donne pas de réponse concrète pour le rayon, simplement une supposition éclairée.

Rien ne peut être prouvé "avec une certitude absolue"; ce n'est pas ainsi que la science fonctionne.

Nous adoptons une hypothèse de travail selon laquelle les constantes de la nature sont exactement cela; à la fois constante dans le temps et dans l'espace. Ensuite, nous menons des expériences qui tentent de falsifier cette hypothèse ou au moins de fixer des limites sur la variation des choses.

Pour des raisons qui sont expliquées dans les réponses à cette question Physique SE (voir aussi cette question ), seuls les paramètres sans dimension comme la constante de structure fine peuvent être évalués pour leur variation - d'autres constantes comme , et sont liées dans notre système de (mesure) des unités, nous ne pouvons donc pas dire si elles changent ou non.$G$$c$$h$

En prenant l'exemple de la constante de structure fine, les observations des raies d'absorption vers des quasars éloignés imposent de fortes limites quant à la variation de celle-ci dans l'espace et le temps (les deux sont inséparables, car il faut un temps limité pour que les informations nous parviennent). Vous pouvez donc trouver de nombreuses tentatives différentes pour ce faire dans la littérature - j'en ai creusé quelques-unes. Albareti et al. (2015) affirment que la variation est inférieure à quelques parties sur 100 000 sur un décalage vers le rouge de 1 (un recul d'environ 8 milliards d'années environ. Des contraintes similaires existent pour les expériences menées dans différentes parties du système solaire. d'autre part, certains auteurs affirment des variations de quelques parties par million sur des périodes de réflexion similaires ou dans des directions différentes ( Murphy et al 2008 ; King et al.2012), mais ces affirmations sont contestées par de nombreux, sinon la plupart des travailleurs sur le terrain.

Il y a une revue massive de ce sujet par Uzan (2011) , que vous pourriez lire - c'est vraiment une question large. Mon résumé serait - pour le moment il n'y a aucune preuve convaincante pour une variation dans l'espace et le temps.

Commençons par le milieu:

Quel est le rayon le plus éloigné que l'on puisse prouver de la terre, avec une certitude absolue, que les lois de la physique ne varient pas?

Zéro. Les preuves se trouvent dans les mathématiques et les salles d'audience, et sont impossibles en sciences naturelles. Le mieux que nous puissions faire est d'avoir des théories falsifiables . Cela vaut pour chaque description de la réalité - il n'y a pas de "preuve" même pour les lois de la gravité.

Alors, que pourrions-nous observer qui nous dirait que les constantes physiques ou les relations entre les quantités physiques sont différentes dans d'autres parties de l'univers, ou à d'autres moments de son existence?

• Gravité: Pour les amas de galaxies, nous avons des mesures de masse indépendantes de plusieurs sources différentes qui correspondent à l'intérieur de leurs barres d'erreur (certes grandes). La lentille gravitationnelle, la dispersion de la vitesse des galaxies membres et les températures des rayons X sont tous d'accord. Ainsi, les lois de la gravité semblent fonctionner même à des décalages vers le rouge jusqu'à 0,5 ou même plus.
• Physique atomique: nous observons des objets fortement décalés vers le rouge. La longueur d'onde de la lumière émise par ces objets est allongée par l'expansion de l'univers. L'observation de raies spectrales décalées vers le rouge de différents éléments chimiques (ou molécules) nous indique que la physique atomique a fonctionné de la même façon quand et où cette lumière a été émise. Si les niveaux de transition entre les orbites électroniques avaient changé avec le temps, nous obtiendrions des décalages vers le rouge différents pour les mêmes objets en fonction de la ligne spectrale de l'élément que nous observons.
• Nucléosythèse: Peu de temps après le big bang, la température a baissé de sorte que les protons et les neutrons ne sont plus créés et détruits en permanence. Un neutron libre a une demi-vie d'environ 8,5 minutes avant de se désintégrer en proton et en électron. Nos théories prédisent que nous aurions une teneur en hélium (2x proton, 2x neutron) dans l'univers d'environ 25%. (Le reste de la matière "normale" étant essentiellement de l'hydrogène), et c'est bien ce que nous observons. Maintenant, la teneur en hélium dépend à la fois de la densité de matière au moment où cela a eu lieu et de la demi-vie du neutron. D'après d'autres observations (BAO me vient à l'esprit), nous sommes à peu près certains que nous avons obtenu la densité de matière à peu près correcte. Ce qui ne laisse qu'une petite marge de manœuvre pour la demi-vie du neutron, et donc pour les changements de la force faible.
• Nous avons couvert la gravité, l'électromagnétisme et la force faible. Je ne connais aucun bon test pour la force forte.

Pour un changement des lois naturelles au fil du temps, nous pouvons regarder la distribution des isotopes dans les roches ici sur terre. Nous devrions être en mesure de dire si le taux de désintégration de divers éléments était différent à une époque antérieure en examinant le nombre de chacun de leurs produits de désintégration.

Pour résumer, nous ne pouvons pas dire avec "certitude absolue", mais ce que nous observons semble indiquer que les lois naturelles sont les mêmes dans tout l'univers.

Nous ne pouvons pas savoir avec certitude. Cependant, nous pouvons affirmer avec certitude ce qui serait brisé s'il n'était pas vrai, à condition qu'une certaine formulation mathématique soit valide. Ceci est le théorème de Noether https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

TL; DR ce qui rompt, c'est la conservation de l'élan linéaire. Si vous considérez que les lois de la physique peuvent varier avec le temps plutôt qu'avec le lieu, ce qui rompt c'est la conservation de l'énergie. Tous deux soumis à la contrainte qu'une formulation lagrangienne est valide.

J'ai rencontré de sérieux physiciens discutant de la possibilité que cette invariance temporelle ne soit pas valable pour les premiers stades de l'univers. La conséquence serait la non-conservation de l'énergie aux plus grandes échelles cosmologiques, où les preuves de cette loi de conservation sont les moins solides. (Nous devons poser l'existence de la matière noire et de l'énergie noire, et aussi tout l'univers n'est pas observable).

Un problème avec votre question est que c'est un peu un paradoxe. Si une loi de la physique semble varier en fonction de l'heure / du lieu observé, en raison de ce que cela signifie d'être une loi physique, nous avons simplement mal compris la loi elle-même ou nous n'observons pas toutes les forces à l'œuvre.

Voici un exemple super simple.

Ces gens n'ont pas trouvé d'endroit dans l'univers où la gravité agit différemment, ils sont simplement poussés plus fort par un ventilateur que la gravité ne les tire vers le bas. Bien sûr, si la seule information que vous aviez à leur sujet était cette image, vous ne le sauriez pas et pourriez penser que la gravité agit différemment là où elle se trouve.

Si les scientifiques observent les écarts, c'est comment une loi se comporte et agite simplement la main en disant «oh la loi fonctionne différemment là-bas», alors ce n'est plus de la science. Nous voudrions savoir pourquoi la loi semble fonctionner différemment d'un endroit à l'autre.

Modifier:

L'énergie sombre est un exemple qui est peut-être plus pertinent pour OP. Nous observons que l'Univers se développe à un rythme croissant même si nos lois de la physique, en particulier la gravité prédisent que son expansion entraînerait sa décélération. Plutôt que de hausser les épaules et de dire "eh bien les lois de la physique fonctionnent différemment au bord de l'Univers", les scientifiques ont théorisé quelque chose appelé matière noire pour expliquer pourquoi l'expansion de l'Univers s'accélère malgré la gravité.

"Ils (les lois de la physique) varieraient de deux manières naturelles:"

1. les constantes dans les équations peuvent varier ou

   Possible. Nous sommes assez certains des valeurs des constantes jusqu'à des échelles astronomiques plus petites (sous-galaxie). À l'échelle galactique et au-delà, nous avons d'étranges écarts par rapport à ce à quoi nous nous attendions. À l'échelle galactique, nous attribuons actuellement les écarts à la «matière noire» qui me semble à peine plus qu'un espace réservé pour l'inconnu.

   À l'échelle universelle, l'expansion apparemment accélérée de l'univers est généralement attribuée à un espace réservé différent pour «l'énergie sombre» inconnue; ou il se peut que la relativité générale telle que nous la comprenons ne se maintienne pas à de grandes échelles astronomiques, de sorte que par exemple la constante gravitationnelle n'est pas en fait une constante, ou autre chose. C'est une preuve assez forte que ce que nous pensons savoir est faux ou incomplet, donc la réponse est "à l'échelle universelle, nous savons que nous avons tort".

2. les mathématiques dans les équations peuvent varier.

   C'est une chose dont nous sommes assez sûrs: les calculs ne varieront pas. Il peut être incomplet, mal appliqué ou autre; mais le calcul est la seule chose qui ne varie pas.

3. N'oublions pas non plus qu'il y a "beaucoup de place au fond". Nous ne connaissons même pas le nombre de dimensions à de très petites échelles (sub-nucléaires), nous ne savons pas comment les fils uniques du tissu de l'espace-temps sont tissés ensemble, etc.

4. À un niveau plus spéculatif, ce n'est peut-être pas le seul univers, mais par exemple juste un fragment d'un multivers; Lee Smolin a écrit sur l'idée d'une évolution des univers. Les autres auraient probablement des constantes différentes, ou différeraient d'une autre manière amusante.

5. À un niveau encore plus spéculatif: si vous demandez à Elon Musk et à d'autres, nous vivons dans la matrice de toute façon, et toutes les lois de la nature sont sujettes à changement au gré d'un équivalent de la touche par l'administrateur du système. Quelque chose comme /gamemode 1 qwerty10, et votre carte de crédit ne fonctionne jamais vide.

La science est basée sur des suppositions, paraphrasant Feynman. Nous supposons que quelque chose fonctionne d'une certaine manière. Une bonne supposition explique les données existantes et fait des prédictions qui peuvent être testées La meilleure supposition est la bonne supposition qui est la plus simple, c'est-à-dire qui minimise le nombre d'hypothèses supplémentaires. Ainsi, l'hypothèse de Newton selon laquelle la gravité fonctionne pour les planètes de la même manière que pour lancer des pierres en marchant le long d'une plage n'était, en substance, qu'une supposition.

je ne suis nullement un scientifique, donc ni un astrophysicien. j'ai une formation en génie électrique et une curiosité pour la cosmologie. je me suis retrouvé ici essentiellement parce que je cherche des réponses à la question posée ci-dessus.

il me semble que les informations suivantes relèvent de la question: un article assez récent (2017.09.20) publié sur le site de la NASA mentionne une étude qui révèle que les deux méthodes utilisées pour calculer la constante de Hubble (l'une est basée sur des observations de type 1a supernovae, l'autre sur le CMB) en désaccord (bien que le modèle standard de cosmologie prédit leur accord):

«Une étude récente utilisant la première méthode a donné un taux d'expansion de 8% supérieur au résultat de la seconde méthode. »- https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/hubbles-contentious-constant-news

l'article ne mentionne pas d'explication claire de cette différence. par exemple, il y a peut-être des trous dans l'une ou les deux méthodes de calcul.

si je comprends bien: comme on pense que le CMB nous informe sur le premier univers, mais ce n'est pas le cas pour les supernovae de type 1a, alors une autre explication possible est que les deux mesures sont valides, et la différence signifie que quelque chose a changé au fil du temps . par exemple, l'article pose la question «Ou les propriétés de l'énergie noire ou de la matière noire changent-elles avec le temps? ». étant donné l'importance de la constante de Hubble, cela indique peut-être que la physique a changé au fil du temps.