Warum glauben Wissenschaftler, dass alle Gesetze der Physik, die in unserer Galaxie gelten, auch in anderen Galaxien gelten?

Ich denke, die Lösung dafür könnte sein, sich Occams Rasiermesser anzusehen . Das führt zu der Idee, dass wir die einfachste Theorie akzeptieren, die am besten zu dem passt, was wir beobachten. Wenn Sie sich fragen, warum wir nicht glauben, dass sich die Raumzeitbeziehung drastisch ändert (neben anderen Behauptungen), liegt das daran, dass:

• Wir haben keinen Grund zu der Annahme, dass dies der Fall ist. Es gibt keine Beweise, die durch ein solches Modell erklärt werden müssten. Keine Beobachtungen oder Argumente deuten darauf hin, dass andere Galaxien von drastisch anderen Gesetzen beherrscht werden.

• Wir mögen Symmetrie. Wir haben Beweise dafür, dass die Dinge rund um die Erde und das beobachtbare Universum auf eine bestimmte Weise funktionieren, und sind daher gezwungen zu glauben, dass dieselben Gesetze auf allen Ebenen gelten, bis wir Gründe haben, etwas anderes zu glauben. Die Stringtheorie sagt andere Situationen voraus, aber diese wurden in der Realität noch nicht beobachtet, und sie ergeben sich nicht aus einem plumpen "Hey, warum nicht?!" Spekulation.

Obwohl wir glauben, dass die gleichen Gesetze gelten, wissen wir, dass es in anderen Galaxien andere physikalische Phänomene gibt. Dieser Link zeigt Ihnen zum Beispiel, dass es verschiedene Arten von Galaxien gibt, die sich trotz gleicher Gesetzmäßigkeiten aufgrund unterschiedlicher Anfangsbedingungen unterschiedlich verhalten.

Und um Ihren Hinweis auf das Wetter zu beantworten, das ist die Chaostheorie, und sie befasst sich mit der Abhängigkeit des Wetters von extrem kleinen Faktoren, die nicht vernünftig beobachtet werden können. Sehen Sie sich die Arbeit von Edward Lorenz an ( http://eaps4.mit.edu/research/Lorenz/publications.htm). Eines seiner wichtigsten Experimente besteht darin, dass er denselben Wettersimulatoralgorithmus zweimal ausgeführt und zwei völlig unterschiedliche Vorhersagen erhalten hat, obwohl er nur die 5. oder 6. Dezimalstelle in einem der Eingabedatensätze vernachlässigt hat. Die Anfangsbedingungen waren so winzig anders, aber der Simulationsalgorithmus lieferte unglaublich unterschiedliche Ergebnisse! Das scheint nicht besonders relevant zu sein, ob (kein Wortspiel) oder nicht, es gibt eine Symmetrie physikalischer Gesetze. Wir wissen, dass es bei der Vorhersage des Wetters eine große Anzahl von Faktoren gibt, daher sind unsere Fehler enorm. Aber unsere Versuche, zu beobachten, was an anderen Maßstäben und Orten vor sich geht, sind relativ fehlerfrei.

In einem Satz: Es ist leicht, an die Symmetrie der Gesetze zu glauben, und es gibt noch keinen Grund , an ihrer Richtigkeit zu zweifeln.

Denn was wir beobachten können , unterscheidet sich nicht je nach Entfernung von uns.

Der wichtigste Grund, warum wir davon ausgehen, dass sich die physikalischen Gesetze in entfernten Galaxien nicht unterscheiden, ist, dass wir in diesen Galaxien Dinge beobachten können , die nicht so wären, wie wir sie beobachten würden, wenn sich die Gesetze ändern würden.

Zum Beispiel können wir Licht aus entfernten Teilen des bekannten Universums sehen. Die Spektrallinien in diesem Licht verraten uns etwas über die Elemente dort. Diese Spektrallinien sagen uns, welche Elemente vorhanden sind, aber wir beobachten keine neuen Elemente. Und die Elemente, die wir beobachten, scheinen sich genauso zu verhalten wie in der Sonne oder anderen nahen Sternen. Selbst kleine Unterschiede in den physikalischen Regeln würden die Emissions- oder Absorptionslinien von Elementen auf eine Weise verändern, die wir nicht beobachten.

Und wir können noch mehr. Wir können bis zu einem gewissen Grad etwas über die Bewegung entfernter Objekte lernen, indem wir Doppler-Verschiebungen in den Spektrallinien beobachten, und diese Beobachtungen zeigen uns nicht, dass die Gesetze der Schwerkraft auch an entfernten Orten anders sind.

Ich könnte weitermachen, aber das Grundprinzip ist, dass die Regeln für die Teile des Universums, die wir sehen können, die gleichen zu sein scheinen.

Nichts davon besagt, dass es keine unbeobachtbaren Dinge geben kann, bei denen die Regeln unterschiedlich sind (aber das ist ebenso ein philosophisches wie ein wissenschaftliches Problem). Einige Theorien deuten darauf hin, dass sich grundlegende Teile der Physik im Laufe der Zeit oder in verschiedenen Teilen des Universums unterscheiden, aber sie alle haben die Schlüsseltests der Wissenschaft nicht bestanden, weil sie nicht mit dem übereinstimmen, was wir beobachten können.

tl;dr - Wir glauben nicht wirklich, dass die Gesetze der Physik absolut genau, präzise oder unveränderlich sind. Stattdessen neigen wir dazu, von der Beobachtung auszugehen, dass das Universum, soweit wir das beurteilen können, mit bestimmten Modellen übereinstimmt.

Wir sind noch nicht dazu gekommen, ferne Galaxien zu erforschen. Und da das beobachtbare Universum keine 200 Milliarden Lichtjahre breit ist – es hat weniger als die Hälfte des Durchmessers – haben wir wirklich nicht viel, womit wir arbeiten können.

Beispiel: Wir glauben nicht, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist

Als extremes Beispiel sagen wir oft, dass die Lichtgeschwindigkeit,$c,$ist eine Konstante – Wissenschaftler glauben jedoch nicht im absoluten Sinne daran. Was wir tatsächlich glauben, ist, dass die Lichtgeschwindigkeit, soweit wir das beurteilen konnten, mit einer Konstante konsistent zu sein scheint.

Wenn wir davon ausgehen würden, dass die Lichtgeschwindigkeit buchstäblich und absolut wahr ist, würde dies einiges darüber implizieren, wie glatt die Raumzeit sein muss, und strukturelle Fragen zu Skalen auf und unter der Planck-Länge beantworten . Leider ist die Wissenschaft nicht so einfach; bis wir aussagekräftig testen können, wie schnell sich Licht zwischen zwei Punkten bewegt${10}^{-100}\,\mathrm{m}$Abgesehen davon, wenn ein solcher Test überhaupt physikalisch sinnvoll ist, können wir nicht behaupten, dass sich Licht in dieser Größenordnung mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt.

Die Lichtgeschwindigkeit ist ein extremes Beispiel, da ihre Konstanz ein Eckpfeiler der modernen Physik ist. Der Punkt ist, dass wir im Allgemeinen nicht einmal die am meisten geschätzten wissenschaftlichen Behauptungen als absolut annehmen; Es geht darum, die scheinbare Konsistenz einer Erklärung in ihrer Übereinstimmung mit der Beobachtung zu akzeptieren, bis wir eine neue Erklärung haben, die besser entspricht, breiter anwendbar ist, einfacher zu handhaben ist oder/und andere Vorzüge hat, die es lohnenswert machen.

Wir glauben nicht, dass die Gesetze der Physik in anderen Galaxien dieselben sind

Wir glauben nicht , dass sich die bekannten Gesetze der Physik in anderen Galaxien genauso verhalten. Stattdessen haben wir eine Reihe von Modellen, die in den Kontexten, in denen wir versucht haben, sie zu entwickeln, besser zu funktionieren scheinen als alle bekannten Alternativen. Wenn wir also darüber spekulieren müssen, wie die Dinge in einem weit entfernten Kontext funktionieren, ist das Beste, was wir wirklich tun können, vorläufig zu extrapolieren, bis uns eine experimentelle Überprüfung mehr Einblick geben kann.

Also vielleicht die Feinstrukturkonstante,$\alpha$variiert über das Universum; Vielleicht würden wir eines Tages eine Art Physik im Universumsmaßstab beschreiben, die bewirkt, dass sie variiert. Aber was können wir wirklich tun, bis wir einen Mechanismus haben, um es zu beschreiben?

Historisches Analogon: Atomphysik

In den frühen 1900er Jahren arbeiteten Wissenschaftler daran, das Atom zu modellieren. Ihre frühen Versuche basierten größtenteils auf der Physik, die sie bereits aus der Physik im menschlichen Maßstab kannten, z. B. das Rutherford-Modell und das Bohr-Modell für Atome. Sie versuchten im Grunde, Beobachtungen in den Rahmen zu zwingen, den sie bereits kannten, und lockerten dann den Rahmen, da dies nicht ganz funktionierte.

Die Erforschung des fernen Universums könnte ähnlich ablaufen. Das heißt, wir würden wahrscheinlich versuchen, alles in die vorhandenen Modelle einzupassen, und sie dann nach Bedarf lockern, um Beobachtungen zu erfassen, die wir nicht in bestehende Modelle einpassen können.

Das bedeutet natürlich nicht, dass wir an die Anwendung unserer aktuellen Modelle glauben oder nicht glauben. Es ist nur so, dass wir, solange wir keinen Grund haben, etwas anderes zu vermuten, dazu neigen, zu vermuten, dass unsere aktuellen Modelle eher nützlich sind als Modelle, von denen wir keinen Grund haben zu vermuten, dass sie nützlich sind, zB zufällige Spekulationen.

Was wäre, wenn sich, sagen wir in 135 Milliarden Lichtjahren Entfernung, plötzlich die Zeit-Raum-Beziehung drastisch ändert.

Nun, es könnte.

Die Wissenschaft baut auf vernünftigen, wohlbegründeten Annahmen auf , und ein guter Wissenschaftler ist offen für die Möglichkeit, dass diese Annahmen irgendwann in der Zukunft gebrochen werden, wenn mehr Daten verfügbar sind. Deshalb ist keine wissenschaftliche Aussage jemals eine 100%ige Gewissheit, sondern eine „Theorie“. Wir müssen immer offen dafür sein, dass wir uns unerwartet als falsch erweisen.

In diesem Fall haben wir bisher keine Hinweise darauf gefunden, dass die Gesetze der Physik nicht universell angewendet werden, daher gehen wir vorerst davon aus , dass dies der Fall ist. Denn was könnten wir sonst tun, abgesehen davon, dass wir keine Wissenschaft in Bezug auf weit entfernte Galaxien betreiben?

(Es ist ein bisschen so, als würden wir nur nach „Leben, wie wir es kennen“ suchen, nicht weil wir die Möglichkeit anderer, exotischer Arten von Leben ausgeschlossen haben, sondern weil wir was anderes tun würden? Wie würden wir danach suchen? Wie würden wir es erkennen? So etwas müsste zufällig entdeckt werden.)

Auch hier ist es erwähnenswert, dass alle unsere bisherigen Beobachtungen diese Annahme stützen.

Es könnte als Zirkelantwort betrachtet werden, aber die Ideen, die wir als "Gesetze" betrachten, sind genau die Ideen, die überall als wahr angesehen werden. Wenn wir also entdecken, dass ein Phänomen, das wir in unserer Galaxie beobachtet haben, in Andromeda nicht dasselbe ist, wäre die Beschreibung dieses Phänomens kein Gesetz.

Was Wissenschaftler tun, wenn sie Diskrepanzen wie diese entdecken, ist nach einer grundlegenderen Erklärung zu suchen, die verwendet werden kann, um alle beobachteten Variationen zu beschreiben. Dies könnte eine neue Gleichung mit Parametern sein, die für verschiedene Orte spezifisch sind (z. B. könnten Theorien über Galaxien von der Anzahl der darin enthaltenen Sterne und/oder dem Alter der Galaxie abhängen).

Dies ist in der Vergangenheit nicht nur an weit entfernten Orten geschehen und hat dazu geführt, dass neue Gesetze entdeckt wurden. Die Umlaufbahn des Merkur stimmt nicht mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen überein. Eines der Ergebnisse von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie war, dass sie dies richtig erklärte.

Wissenschaftler erwägen weiterhin Modifikationen ihrer Theorien, um neue Entdeckungen zu erklären. Zum Beispiel haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, dass sich die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Geschichte des Universums verändert hat, und dies ist eine alternative Erklärung für die Beobachtungen, die zur Theorie der kosmischen Inflation geführt haben.

Allgemeiner ausgedrückt, war die Geschichte der Kosmologie ein Prozess der Entdeckung, wie man das Universum auf immer allgemeinere Weise beschreiben kann, da unsere Fähigkeit, es in größeren Maßstäben und in kleineren Details zu beobachten, Fortschritte gemacht hat. Es gibt auch eine grundlegende Annahme, dass es allgemeine Regeln zu entdecken gilt. Bisher scheint diese Annahme vernünftig zu sein – wenn wir unsere Theorien verfeinern, scheinen sie im Allgemeinen überall besser zu funktionieren (natürlich würden wir diese Verfeinerungen verwerfen, wenn sie dies nicht tun würden).

OK, also ist es im Prinzip möglich, dass es einen riesigen Projektor gibt, der die Milchstraße umgibt, der (aufgrund einiger Gesetze der Physik, die wir nicht verstehen, also können wir nicht sagen, dass er sie vortäuscht) uns Lichtsignale usw. sendet, also unsere Beobachtungen des Materials "außerhalb unserer Galaxie" stammen tatsächlich aus dem Projektor. Und dann haben Sie außerhalb des Projektors tatsächlich abstoßende Schwerkraft, 128-dimensionale Raumzeit und funktionale Regierungen.

Das ist technisch möglich und auch sinnvoll in dem Sinne, dass Sie in die Projektorregion fliegen und nachsehen können. Es ist auch möglich, dass dieser Projektor direkt außerhalb der Erde existiert, da ich nie hinausgegangen bin und mein Haus überprüft habe und meine Erinnerung an alles außerhalb davon implantiert ist. Ebenso ist es auch möglich, dass sich die Gesetze der Physik am 30. Juni 2018 ändern (wenn Sie dies später lesen – woher wissen Sie, dass sie es noch nicht getan haben?).

Aber der Punkt ist, dass das alles einfach sehr unwahrscheinlich ist . Die (idealisierte) Art, Physik zu betreiben, besteht darin, jeder Theorie vorherige Wahrscheinlichkeiten zuzuweisen, je nachdem, wie kompliziert sie ist (dies kann anhand der Kolmogorov-Komplexität genau gemessen werden), sich dann die experimentellen Daten ansehen und den Satz von Bayes anwenden, um zu sehen, wie sie sich auf Sie auswirken Wahrscheinlichkeitsverteilung. Dies wird "Solmonoffs Theorie der induktiven Inferenz" genannt, obwohl ich es lieber "Solmonoffs Theorie der induktiven Interferenz " nenne, in dem Sinne, dass Ihre Daten Ihre Wahrscheinlichkeitsverteilung auf irgendeine Weise stören.

Da es eine Theorie mit extrem hoher Kolmogorov-Komplexität ist, physikalische Gesetze zu haben, die sich je nach Standort ändern, benötigen Sie sehr starke Beweise, um das Bayes'sche Vertrauen signifikant zu ändern, dh außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise.

Das Machtwerkzeug der Wissenschaft ist die Entführung. Nein, nicht die Entführung einer Person. Abduktion ist ein Inferenzmechanismus, ähnlich wie Deduktion und Induktion. Es ist eine Art, wie wir auf die Wahrheit schließen. Abduktion ist die Schlussfolgerung, dass die beste Hypothese wahr ist.

Wir verwenden dies ständig, in der Wissenschaft und im Leben. Wenn ich Ihnen einen Ball zuwerfe, ist es sehr unwahrscheinlich, dass ich einen rigorosen Ansatz wie die Bayes'sche Inferenz verwende, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass der Ball, den ich auf Sie werfe, nicht tatsächlich ein Atomzünder ist, der die Welt zerstören soll, wenn Sie scheitern, es zu fangen. Diese Möglichkeit kommt mir nicht einmal in den Sinn, außer wenn ich pedantische Stack-Exchange-Antworten schreibe. Stattdessen schließe ich, dass der Ball tatsächlich ein Ball ist und dass mein Verständnis der Physik tatsächlich korrekt genug ist, um den Ball auf Sie zu werfen, ohne die Welt zu beenden. Ich benutzte Entführung, um eine beliebige Anzahl absurder Möglichkeiten auf die "beste" Hypothese zu reduzieren, und tat so, als ob es wahr wäre. Occam's Razor ist ein Beispiel für eine abduktive Inferenzmethode.

Entführung ist knifflig. Der Begriff „am besten“ hat alle möglichen Nuancen (wie Sie in dem oben verlinkten SEP-Artikel nachlesen können). Es kann sogar katastrophal scheitern. Es ist jedoch ein so nützlicher Inferenzmechanismus, dass wir Menschen es ständig im täglichen Leben verwenden.

Einige der anderen Antworten argumentieren, dass wir nicht "denken", dass die Gesetze der Physik überall gelten. Sie weisen weise darauf hin, dass die Wissenschaft tatsächlich Modelle hervorbringt, die nicht nachweislich im Widerspruch zu unseren Beobachtungen stehen. Dies sind sowohl lokale Beobachtungen von lokalen Effekten als auch lokale Beobachtungen von weit entfernten Effekten (z. B. Blick durch ein Teleskop). Dies ist technisch die richtige Antwort. Die Wissenschaft sagt dir nie die Wahrheit über irgendetwas. Je. Es erhebt auch nie den Anspruch, Ihnen die Wahrheit über irgendetwas zu sagen. Das ist die pathologisch pedantische Wahrheit über die Wissenschaft.

Wenn Sie glauben, dass die Wissenschaft Ihnen jemals die Wahrheit über irgendetwas sagt, sollte dies darauf hindeuten, dass Sie erwarten, dass Menschen Entführungen verwenden, um aus den wissenschaftlichen Modellen auf Aussagen über die Welt zu schließen. Wenn man also erwartet zu hören, dass „das Higgs-Boson real ist“, basierend auf Beweisen, die darauf hindeuten, dass wir zu 99,999999999 % sicher sind, dass CERN sie entdeckt hat, dann erwarten Sie, dass diese Person an einer Entführung beteiligt ist. Was natürlich ist. Echte Menschen benutzen es ständig, und Wissenschaftler sind Menschen.

Warum sie das Konzept der Entführung nicht im naturwissenschaftlichen Unterricht lehren, werde ich nie verstehen. Es ist der Grundstein der angewandten Wissenschaft.

Während die obige Antwort die wichtigsten Punkte abgedeckt zu haben scheint, möchte ich noch etwas hinzufügen.

Dinge wie die Gesetze der Schwerkraft, die Gesetze des Impulses und die Gesetze der Thermodynamik sind in das Gewebe des Universums selbst eingebaut – sie sind nicht nur vorübergehende Regeln, die zufällig genau hier in unserem Nacken des Waldes durchgesetzt werden.

In Bezug darauf, wie weit diese Galaxien entfernt sind und wie lange sie existierten: Soweit wir das beurteilen können, sind diese Gesetze nicht nur überall in das Universum eingebaut, sie sind auch zu jeder Zeit in das Universum eingebaut. Wissenschaftler akzeptieren allgemein, dass sie den Additionsregeln sehr ähnlich sind: 2+2 gleich 4. Dies gilt nicht nur jetzt hier auf der Erde, sondern überall im Universum zu jeder Zeit.

Ich nehme an, jemand mit einer wirklich lebhaften Vorstellungskraft könnte eine Frage formulieren wie: "Woher wissen sie, dass 2 + 2 vor Milliarden von Jahren irgendwo anders im Universum nicht gleich 5 ist?" Ich nehme an, im strengsten Sinne wissen wir wirklich nicht genau, was 2 + 2 vor Milliarden von Jahren ergeben hat, aber die Wissenschaft macht keine Fortschritte, indem sie auf dieser Ebene den zweifelnden Thomas spielt.

Abschließend teile ich Ihre Frustration über unsere Unfähigkeit, das Wetter weit im Voraus vorherzusagen. Unsere Einschränkungen bei der Wettervorhersage sind jedoch ganz anderer Natur als das Galaxienrätsel, das Sie beschreiben.

Ein interessantes, noch nicht diskutiertes Ergebnis ist die Tatsache, dass der Satz von Noether die Erhaltung des linearen Impulses und die Invarianz physikalischer Gesetze in Bezug auf die räumliche Translation mathematisch verknüpft.

Wenn wir beobachten, dass der lineare Impuls erhalten bleibt, ist dies im Grunde eine notwendige Schlussfolgerung, dass die Gesetze der Physik unabhängig von der räumlichen Position gleich sind. Das deckt sicher nicht alle Gesetze der Physik ab, sondern nur Gesetze, die sich auf die Grundlagen der Bewegung beziehen, aber es ist dennoch ein interessantes Ergebnis: Ein lokales Experiment erlaubt uns, Rückschlüsse auf das gesamte Universum zu ziehen.

PS Der Satz von Noether wird normalerweise formuliert, indem gezeigt wird, dass eine Symmetrie ein Erhaltungsgesetz impliziert und nicht umgekehrt, aber ich glaube, dass die Umkehrung für die Erhaltung des linearen Impulses gilt .

Was wäre, wenn sich, sagen wir in 135 Milliarden Lichtjahren Entfernung, plötzlich die Zeit-Raum-Beziehung drastisch ändert

Eine interessante Idee. Haben Sie irgendwelche Gründe oder Beweise dafür, dass dies der Fall ist?

Spielen wir ein wenig mit der Idee. Wenn eine solche Grenze gesehen würde, würden zusätzliche Fragen beinhalten, ob die Grenze:

• Annäherung, Rückzug, Stillstand (in welchem ​​Bezugssystem)?
• Der Mechanismus einer solchen Grenze?
• Energieüberlegungen: Wenn zB ein Stern oder Planetoid eine solche Grenze überschreitet, wie würde sich sein Energieniveau ändern? Erklären Sie, woher die (vermutlich enorme) Energie für Übergänge über die Grenze in beide Richtungen kommen oder wohin sie gehen würde.

Beginnen Sie zu erkennen, wie kompliziert dies zu physikalischen Modellen werden würde? Es scheint mir, dass Physiker etwas mehr sehen müssten als "was wäre wenn?" bevor man eine solche Idee akzeptiert. Ich gehe davon aus, dass Scans durchgeführt wurden, um festzustellen, ob es solche Anomalien gibt, und dass wir alle davon gehört hätten, wenn sie gefunden worden wären.

Wie andere Poster betont haben, zeigen die Beweise, die wir haben , keine solchen Diskontinuitäten. Die Spektren von entfernten leuchtenden Objekten stimmen mit denen von nahen Objekten überein, was eine Rot- oder Blauverschiebung zulässt.

Leider gibt es einen Mangel an Schiffen mit Warpantrieb, also können wir noch nicht nachsehen ...

Seien wir ernsthaft, wir können das Wetter nicht weiter als 10 Tage genau vorhersagen, und normalerweise nicht so lange....

Verwechseln Sie Änderungen der grundlegenden Physik nicht mit unserer Fähigkeit, detaillierte Vorhersagen über ein äußerst komplexes, sich veränderndes, chaotisches System zu treffen (eine sich drehende Erde mit einer komplexen Topologie, aufgewühlte Atmosphärenschichten, Ozeane mit Strömungen, Seen und Bäche, Verdunstung, Kondensation, Sonneneinstrahlung usw.) bei einer sehr begrenzten Anzahl von Datenpunkten.

Wenn wir im Fall der Wettervorhersage ein hypothetisches „Was wäre, wenn sich die grundlegende Physik ändern würde“ anwenden, dann könnte dies zu Dingen führen wie:

• Gravitationsverschiebungen
• Verschwindende / erscheinende Materie (ohne radioaktiven Zerfall)
• Verschwindende / erscheinende Energie (ohne radioaktiven Zerfall)

was meines Wissens nach nicht beachtet wurde.