Ein Universum ohne Licht?

Hmm, das ist eine knifflige Frage, weil es so viele Faktoren gibt, die Leben möglich machen, dass es schwierig ist, wirklich sicher zu sein, welche Änderungen wir an der Physik vornehmen könnten, die noch Leben ermöglichen würden. Verdammt, es ist ziemlich schwierig, überhaupt eine stichfeste Definition dessen zu finden, was „Leben“ überhaupt ausmacht.

Aber noch wichtiger ist, dass es das Problem gibt, dass, wenn Sie einen Teil der Physik optimieren, es keine Gewissheit gibt, dass irgendetwas davon auf die gleiche Weise funktioniert. Die Realität folgt nicht höflich einem Satz von Regeln, die wir festlegen, sie tut einfach das, was sie tut – wissenschaftliche Theorien sind nur Ad-hoc-Modelle, die wir gefunden haben und die anscheinend gute Arbeit leisten, um vorherzusagen, was das sein wird . Wenn ich also ein Modell ändere, das beschreibt, wie ein Aspekt der Natur funktioniert, ist nicht immer klar, wie sich ein anderes Modell, das einen anderen Aspekt der Natur beschreibt, ändern wird, denn wissenschaftliche Theorien erklären die Natur nicht, sie modellieren sie . Die einzige Möglichkeit, die Frage, wie das Universum aussehen würde, wenn wir unsere Physik optimieren würden, definitiv zu beantworten, wäre, wenn wir bereits eine Theorie hätten, die die Natur perfekt nachbildethaben wir leider nicht .

Mit all dem, was gesagt wurde, werde ich einen Stich aus dem Rahmen des klassischen Elektromagnetismus nehmen. Meine Idee wäre hier, die Durchlässigkeit des freien Raums einzustellen,$\mu_0$, Zu$0$. Maxwells Gleichungen, die den Magnetismus bestimmen, lauten

Daran können wir erkennen, dass wenn$\mu_0=0$, ist das Magnetfeld überall null (unter Annahme der standardmäßigen verschwindenden Randbedingungen). Aber wenn das Magnetfeld immer Null ist, können Sie keine sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen haben, da diese durch die Kopplung zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld hervorgerufen werden. Also gibt es kein Licht in diesem Universum! Jetzt ist es immer noch möglich, Informationen über große Entfernungen zu übertragen, indem geladene Teilchen bewegt und gemessen werden, wie sich das elektrische Feld ändert, aber das ist unpraktisch, da die meiste Materie sehr nahe an elektrisch neutral ist (in der Tat ist dies auch in unserem eigenen Universum möglich, aber es ist so unpraktisch, dass keine Lebensform es zum "Sehen" verwendet).

Wie ich bereits sagte, ist es schwer zu sagen, wie sich dies genau auf die Physik auswirken wird, aber zum größten Teil sollte es die Dinge nicht zu sehr ändern, da die elektrische Kraft dazu neigt, die magnetischen Kräfte bei den meisten Problemen zu dominieren. Ein paar bemerkenswerte Ausnahmen:

• Am tiefgreifendsten ist vielleicht, dass dies die Relativitätstheorie völlig durcheinander bringt, weil sich Kräfte über das elektrische Feld jetzt augenblicklich ausbreiten können. Dies hat im Grunde den Effekt, dass die Raumzeit entkoppelt und die Zeit in eine absolute Koordinate umgewandelt wird, wodurch die Newtonsche Mechanik viel genauer wird.
• Die Plasmaphysik, insbesondere innerhalb der Astrophysik, wird ganz anders aussehen. Die Bewegungen der meisten astrophysikalischen Plasmen werden von magnetischen Kräften bestimmt, weil die Debye-Abschirmung sie mehr oder weniger elektrisch neutral macht.
• Es wird unmöglich sein, Strom über Induktion zu erzeugen – die einzigen Möglichkeiten wären elektrostatische Verfahren wie Batterien und Van-de-Graaff-Generatoren.

• Im Rahmen der Quantenmechanik bedeutet keine Relativitätstheorie keinen Spin, was einige ziemlich signifikante Auswirkungen auf die atomare Struktur hätte. Das Pauli-Ausschlussprinzip erfordert keine Relativitätstheorie, um abgeleitet zu werden, also würden sich Elektronen immer noch in Orbitalen stapeln und es gäbe immer noch verschiedene Elemente, was gut ist. Allerdings würden sie schneller stapeln, da sie sich nicht mehr mit Elektronen mit entgegengesetztem Spin paaren können. Diese Welt hätte also immer noch eine Chemie, die in der Lage wäre, komplexe Elemente aufzubauen, aber diese Elemente würden sich ganz anders verhalten als unsere eigenen*.

• Auch im Zusammenhang mit dem Mangel an Spin in der Quantenmechanik: Ihre außerirdischen Wissenschaftler werden keine feinen oder hyperfeinen Strukturen von Atomen beobachten, und Supraleiter werden keine Sache sein.

Ich ignoriere die Probleme, die der Mangel an Relativitätstheorie hervorruft, wenn es darum geht, die Erzeugung und Vernichtung von Teilchen zu beschreiben, dh wenn QFT und die anderen fundamentalen Kräfte ins Spiel kommen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass ich nicht genug über die Mathematik hinter QFT weiß, um eine zuversichtliche Antwort zu geben, aber auch an meinem vorherigen Gespräch darüber, wie unklar sein kann, wie sich Änderungen an physikalischen Modellen auf andere Modelle innerhalb dieses Universums auswirken würden.

* BEARBEITEN - Ich war hier eigentlich etwas schlampig - Sie brauchen keine Relativitätstheorie, um zu zeigen, dass die Parität einer Wellenfunktion ein konservierter Wert ist. Sie benötigen es jedoch, um das Spin-Statistik-Theorem zu beweisen, das besagt, dass Zustände gemischter Parität für Teilchen nicht auftreten und dass die Parität mit dem Spin des Teilchens verbunden ist. Um sicherzustellen, dass Ihre Chemie funktioniert, würde ich einfach postulieren, dass Teilchen nur symmetrische oder antisymmetrische Wellenfunktionen haben können.

OK, hier ist meine eigene Antwort.

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, mit denen Sie arbeiten können:

1. Löschen Sie das elektromagnetische Feld und ersetzen Sie es durch etwas völlig anderes.
2. Löschen Sie das elektromagnetische Feld und versuchen Sie, die anderen Kräfte anzupassen, um es so auszugleichen, dass keine andere Art von Licht (z. B. masselose Pionen ) wieder eingeführt wird.
3. Ändern Sie das elektromagnetische Feld so, dass sich freie Photonen nicht ausbreiten können.

Ich habe einige Zeit damit verbracht, über die Optionen 1 und 2 nachzudenken, und sie scheinen immer ziemlich schnell aus den Fugen zu geraten und so kompliziert zu werden, dass Sie genauso gut ein ganz neues Universum von Grund auf neu aufbauen können. Die Antwort von El Duderino liegt im Bereich von Option 3, ebenso wie meine nächste Alternative:

Um die Photonenausbreitung einzuschränken, anstatt die Eigenschaften des Raums zu verändern, wie in El Duderinos Antwort, können wir stattdessen das Photon über relativ kurze Entfernungen zerfallen lassen. Damit Photonen zerfallen können, müssen sie Zeit erfahren, was bedeutet, dass sie Masse benötigen – aber nicht unbedingt sehr viel Masse. Den Photonen Masse zu geben, schränkt auch die Reichweite der statischen EM-Kraft ein und ersetzt das übliche Coulomb-Potential durch ein verallgemeinertes Yukawa-Potential mit exponentiellem Zerfall, genau wie die Restkernkraft, die von massiven Pionen getragen wird

$U(r) = -g^2\frac{e^{-\alpha m r}}{r}$

Wo$g$ist die Kraftkopplungskonstante,$\alpha$ist ein Skalierungsfaktor, um die Einheiten richtig hinzubekommen, und$m$ist die Masse des Eichbosons und bestimmt die Feldzerfallsrate. Als$m$gegen Null geht, vereinfacht sich dies zum normalen Coulomb-Potential, also wenn$m$nur sehr klein bleibt, können wir die atomare und chemische Struktur mit nur geringfügigen Störungen und möglicherweise sogar einige makroskopische EM-Effekte beibehalten (oder auch nicht, wie wir wollen).

Allerdings ist die Angabe von Photonenmasse nur eine notwendige, nicht hinreichende Bedingung für den Zerfall freier Photonen auf kurze Distanz. Wir brauchen auch etwas, in das sie zerfallen können. Die offensichtliche erste Möglichkeit besteht darin, Photonen einfach in Elektron-Positron-Paare zerfallen zu lassen, sodass das Universum schließlich mit einem Positroniumgas als der vorherrschenden Form der Materie und nicht mit Wasserstoff gefüllt wird. Das mag ein cooler Weg sein, um es unabhängig zu erforschen, aber es bedeutet, dass die Photonenmasse mindestens 1,022 MeV betragen muss – was wiederum seine Reichweite auf nukleare Skalen einschränkt. Das würde definitiv die Chemie vermasseln! Als nächstes könnten wir versucht sein zu fragen, ob Photonen in Neutrinos zerfallen könnten – und leider lautet die Antwort „nein“. Der Grund dafür ist, dass Neutrinos keine elektrische Ladung haben – nur einen schwachen Isospin – und daher nicht an das elektromagnetische Feld koppeln und nicht an der Produktion, dem Zerfall oder der Absorption des elektromagnetischen Bosons teilnehmen können.

Wir müssen also ein ganz neues Fermionenfeld hinzufügen , um einen Weg für den Photonenzerfall zu ermöglichen. Glücklicherweise, wenn man sowohl Elektronenzerfälle als auch Neutrinozerfälle als geeignete Kandidaten betrachtet und verwirft, gibt es im Teilcheninventar unseres Universums eine eklatante Lücke, die das Problem gut löst!

Beachten Sie, dass Elektronen sowohl eine elektrische Ladung als auch einen schwachen Isospin haben, weshalb sie sowohl elektromagnetisch als auch schwach interagieren. Neutrinos haben nur einen schwachen Isospin, weshalb sie nur schwach wechselwirken. Aber wo sind die Teilchen mit nur Ladung und ohne schwachen Isospin?

Wenn wir solche Teilchen hinzufügen und ihnen eine sehr geringe Masse geben, löst das die meisten unserer Probleme. Da sie eine geringe Masse haben, binden sie nicht an Atome, sodass die Elektronen unbehelligt bleiben, um die Chemie weiter zu unterstützen. Wenn sie aufgeladen sind, unterstützen sie den Photonenzerfall ...

...aber vielleicht haben wir ein neues Problem: Wir haben vielleicht gerade das Elektron destabilisiert. Wenn es ein massearmes schwaches Isospin-Teilchen (das Neutrino) und ein massearmes geladenes Teilchen (das neue Ding – nennen wir es ein Elektron ) gibt, dann können Elektronen vielleicht in ein Paar aus Elektron-Neutrino und Elektron zerfallen. seine Ladungen unter ihnen aufzuteilen.

Glücklicherweise kommen jedoch zwei weitere Erhaltungssätze zu Hilfe: die Erhaltung des Spins (dh des Drehimpulses) und die Erhaltung der Leptonenzahl! Wenn auch die "Elektronität" erhalten bleibt (wie es im Niederenergiebereich zu sein scheint, modulo welcher Prozess auch immer zur Erklärung der Materie / Antimaterie-Asymmetrie führt), könnte ein Elektron entweder ein Elektron-Neutrino oder ein Elektron erzeugen, aber nicht beide. Und unseren neuen Teilchen einen halbzahligen Spin zu geben (dh sie zu Fermionen zu machen), genau wie andere Leptonen, bedeutet, dass ein Elternteilchen entweder Spin 0 oder Spin 1 haben muss – was ein Elektron nicht ist .

Die Einführung eines neuen geladenen Feldes mit geringer Masse wird die Funktionsweise der Vakuumpolarisation verändern und eine zusätzliche Schwächung des elektromagnetischen Feldes über sehr große Entfernungen einführen – aber das wird sowieso schwer von dem durch die Photonenmasse induzierten exponentiellen Zerfall zu trennen sein .

Um sicherzustellen, dass Photonen für das Sehen nicht nützlich sind, müssen an dieser Stelle nur die Massenverhältnisse von Photon und Electrino angepasst werden, um die Halbwertszeit der Photonen wirklich niedrig zu halten und damit ihre Reichweite einzuschränken. Leider geht mir die Mathematik, die die Zerfallsraten von Bosonen dieser Art regelt (die nächsten Analoga wären die Zerfälle von W- und Z-Bosonen) weit über den Kopf, also muss ich mit den genauen Werten ein wenig herumfummeln - aber bis jetzt, Es scheint, als ob dieser Ansatz, einfach einen Zerfallspfad für Photonen hinzuzufügen, funktionieren sollte.