Gibt es ein „kosmologisches Prinzip“?

Es kommt vor, dass das beobachtbare Universum tatsächlich so ist ... es gibt kein Prinzip, das besagt, dass es so sein musste. Es ist kein Prinzip, sondern eine empirische Beobachtung.

Rechts! Die Physik erklärt die Welt mit den einfachsten performanten Modellen. Unser Ort ist typisch, bis das Gegenteil bewiesen ist. Wir brauchen nicht zu rechtfertigen, dass es typisch für einen Sesselphilosophen ist; wir brauchen nur Erklärungen, die zu den bisherigen Beobachtungen passen. Ohne sie kann man sehr wenig lernen.

Gibt es ein Argument, das entweder aus der Logik oder aus der Physik im Allgemeinen kommt (nicht aus Beobachtungen wie Himmelsdurchmusterungen und CMB-Messungen), das besagt, dass erwartet werden muss, dass der Kosmos homogen ist?

Es ist interessant, dass Sie Physik so definieren, dass sie die Beobachtungen ausschließt, die ihre Ideen auf die Probe stellen. Letztendlich versuchten die Physiker verschiedene Lösungen für das gesamte Universum der Allgemeinen Relativitätstheorie und stellten fest, dass die einzigen handhabbaren, die Daten nicht schnell widerlegten, homogen und isotrop, aber nicht statisch waren. Diesen Ideen sind seither weitgehend weitere Daten gefolgt. Die Baum-Idee war weniger erfolgreich.

Ich nehme „Logik“, um philosophische Analysen einzuschließen, die plausibel, aber möglicherweise empirisch widerlegbar sind, und sei es nur, weil Tautologien uns nicht sagen, wie das Universum aussieht. Es gibt diejenigen, die argumentieren werden, dass das kopernikanische Prinzip prima facie ein vernünftiger Ausgangspunkt ist (was wäre sonst?) und dass es das kosmologische Prinzip motiviert.

Und wenn es nicht homogen wäre, gibt es dann irgendein Argument, das den Namen "Prinzip" verdient, dessen Schlussfolgerung lautet, dass die physikalischen Bedingungen, die das Leben ermöglichen, an einem Ort genauso gut erwartet werden können wie an einem anderen?

Ich werde nicht versuchen zu entscheiden, was als Prinzip bezeichnet werden sollte, aber ich kann darüber sprechen, ob Inhomogenität das Leben an manchen Orten praktikabler machen würde, vorausgesetzt, es handelt sich um eine enge Vorstellung von Leben . Bestimmte Arten von Sternen und bestimmte Arten von Elementverteilungen auf Planeten usw. treten bei bestimmten Materieverteilungen leichter auf und sind für das Leben, wie wir es kennen, von entscheidender Bedeutung. Wir könnten den ganzen Tag hier sein und versuchen, Beispiele zu nennen, von denen jedes einzelne sehr kontrovers wäre. Um mit einem abzuschließen, es wurde vermutet, dass die entscheidende Rolle, die die Evolution Phosphor im Leben der Erde gab, obwohl er in geringer Menge vorhanden ist, darauf hindeutet, dass (i) das Leben ihn braucht und (ii) andere Teile der Galaxie, in denen Phosphor seltener ist, weniger haben werden Leben, wenn überhaupt.

Soweit ich das beurteilen kann, ist die Verwendung von "Prinzip" in der Physik weitgehend austauschbar mit "Postulat". Beispielsweise wird oft gesagt, Einsteins zwei Postulate der speziellen Relativitätstheorie seien das Relativitätsprinzip und das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

Das kosmologische Prinzip ist ein Postulat der FLRW-Kosmologie. Seine Wirkung besteht darin, die großräumige Geometrie der Raumzeit zu einer FLRW-Geometrie zu zwingen. Sie könnten stattdessen einfach eine FLRW-Geometrie annehmen, aber die abstraktere Idee von Homogenität und Isotropie klingt, denke ich, prinzipieller. Prinzipiell oder nicht, es ist eine Annahme, nichts, was man a priori wissen könnte. Sie wird letztendlich, wie jedes Postulat, durch die Übereinstimmung der resultierenden Theorie mit dem Experiment gerechtfertigt.

Ich denke, es ist ebenso gerechtfertigt wie jedes andere sogenannte Prinzip. Das Relativitätsprinzip hat sich gut gehalten, aber es könnte sicherlich falsch sein. Das Prinzip der kleinsten Wirkung ist nur eine Annäherung in der Quantenmechanik. Usw.

Ich denke, dies kommt einer Diskussion über Definitionen und nicht über Physik sehr nahe, aber ich werde es versuchen.

Zunächst könnten wir argumentieren, dass es aus historischen Gründen ein Prinzip war. Und die Terminologie ist geblieben, deshalb nennen die Leute es noch heute „Prinzip“.

Aus pragmatischer Sicht ist es das rechnerisch einfachstmögliche Szenario und spricht direkt über die einfachste Annäherung, die Sie machen können, wenn Sie das Universum modellieren möchten. Und wurde in der wissenschaftlichen Gemeinschaft lange vor den eigentlichen groß angelegten Beobachtungen verwendet.

Lassen Sie mich nun von der theoretischen Seite argumentieren. Es gibt meiner Meinung nach zwei wichtige Punkte. Das eine ist Natürlichkeit und das andere Symmetrie. Wenn Sie bis zu einem gewissen Grad akzeptieren, dass ein Universum, das ohne bevorzugte Richtung, Ort oder eine sehr spezifische Abstimmung einer Größe beginnt, ansprechender ist als eines, das gegen eines der oben genannten Punkte verstößt, schließen Sie erneut, dass eine isotrope und homogene Flüssigkeit das Einfachste ist, was Sie verwenden können (was ist genau das kosmologische Prinzip). Wir beachten tatsächlich die Gesetze der Physik, bevorzugen hier auf der Erde keine Richtung, und Beobachtungen an verschiedenen Orten scheinen darauf hinzudeuten, dass der Ort auch für grundlegende Gesetze nicht wichtig ist, also extrapolieren wir ... Sagen wir, das passiert überall. Wir nennen diese Annäherung nullter Ordnung aus Gewohnheit wieder ein "Prinzip".

Können wir jeden möglichen Standort überprüfen? Nein, also müssen wir extrapolieren. Ist es eine Annäherung, ja, wir wissen es. Sind wir darüber hinausgegangen? Ja, das haben wir, und Störungen um solche herum sind äußerst relevant für die CMB, die Strukturbildung und im Allgemeinen die Geschichte des Universums.

Werden wir immer noch ein Prinzip genannt werden ...? Wahrscheinlich ja, ich habe Angst

Das kosmologische Prinzip ist nicht nur keine logische Voraussetzung, sondern wird in vielen kosmologischen Modellen wie der ewigen Inflation tatsächlich verletzt.

Wir haben jedoch nur Zugang zu einem Universum, daher gibt es eine Grenze für die größten Skalen, die wir beobachten können; darüber hinaus fängt man an, über metaphysische Dinge zu brüllen, wie man ein Wahrscheinlichkeitsmaß auf einen unendlich großen Raum legt oder was als Wissenschaft gilt. Das kosmologische Prinzip scheint für Skalen zwischen 100 Mpc und unserem kosmologischen Horizont zu funktionieren.

Es gibt einige Vorschläge, dass wir uns tatsächlich in einer Unterdichte der kosmologischen Flüssigkeit befinden, und vielleicht erklärt dies die Spannung zwischen Messungen der Hubble-Konstante mit „lokalen“ Maßen wie Supernova und „entfernten“ Maßen wie dem CMB. Soweit ich weiß, würden diese Modelle jedoch erfordern, dass wir sehr nahe am Zentrum der Unterdichte liegen (falls wir in einem liegen), und sind daher fein abgestimmt.

Es gibt kein Argument der fundamentalen Physik oder Logik, dass das Universum homogen sein muss. Meine Grundlage für diese Aussage ist argumentum ex silentio : Wenn es ein solches Argument gibt, dann wäre es in diesem Papier erwähnt worden , und das ist es nicht.

Der Name „Prinzip“ ist eine Art Fehlbezeichnung, weil er nicht auf fundamentaler Physik basiert und eher das widerspiegelt, was unserer Meinung nach wahr sein sollte. Das Relativitätsprinzip (dh die Vorstellung, dass die physikalischen Gesetze für alle Beobachter gleich sein müssen) ist ein weiteres gleichnamiges Prinzip. Es wäre intuitiv wirklich seltsam, wenn das Relativitätsprinzip falsch ist, aber es ist immer noch eine falsifizierbare Aussage, und wir glauben es aufgrund empirischer Rechtfertigung.

Ebenso gibt es bereits ein anderes "Prinzip", das sich in der Kosmologie als falsch erwiesen hat - das perfekte kosmologische Prinzip , so genannt, weil es besagt, dass wir uns nicht an einer besonderen Position im Universum befinden und wir uns nicht in einer besonderen Zeit im Universum befinden . Es ist intuitiv ansprechend, aber es wurde durch die Beobachtungen, die zur Urknalltheorie führten, als falsch erwiesen.

Bevor wir schauen, haben wir keine a priori Rechtfertigung für die Erwartung von Homogenität.

Wir haben eine Berechtigung, es als unseren Ausgangspunkt zu nehmen. Es ist vergleichbar mit Ockhams Rasiermesser: Die einfachste Hypothese ist, dass alles überall gleich ist. Wenn wir mehr Daten erhalten, die diese Annahme in einigen bestimmten Sinnen widerlegen, kommen wir zu dem Schluss, dass das Universum in diesem Sinn inhomogen ist, während wir die Homogenität in anderen Sinnen als unsere Standardannahme beibehalten.

Sie sehen also, ich fange an zu zweifeln, dass es irgendein „kosmologisches Prinzip“ im Sinne eines Prinzips der Logik oder der theoretischen Physik gibt. Es ist eine falsche Bezeichnung für eine interessante und wichtige empirische Beobachtung.

Keine physikalischen Regelmäßigkeiten lassen sich ausschließlich aus der Logik ableiten. Alle physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind letztlich empirische Beobachtungen. Soweit ich das beurteilen kann, ist ein "Prinzip" einfach eine empirische Regelmäßigkeit, die zufällig für ein besonders breites Spektrum von Regimen und Situationen gilt. Wir sind gesegnet, in einem Universum zu leben, das zufällig empirische Regelmäßigkeiten enthält, wie die Schrödinger-Gleichung oder die Regeln der speziellen Relativitätstheorie, die in vielen verschiedenen Regimen zu gelten scheinen . Aber natürlich können wir nicht ausschließen, dass wir irgendwann auf einen Fleck im Weltraum stoßen, wo die Schrödinger-Gleichung oder die spezielle Relativitätstheorie einfach nicht gelten.

Aber ich denke, die genaue Grenze für das, was als "Prinzip" gilt, wird immer etwas subjektiv sein, und daher würde ich die oben zitierte Prämisse in Frage stellen. Es hängt auch davon ab, was Sie zu beschreiben versuchen: Ein Tiefsee-Meeresbiologe könnte vernünftigerweise davon ausgehen, dass die Temperatur immer 4 Grad Celsius beträgt, aber ein Sternastrophysiker kann dies nicht.

Meine Frage ist also: Gibt es irgendein Argument, das entweder aus der Logik oder aus der Physik im Allgemeinen kommt (nicht aus Beobachtungen wie Himmelsdurchmusterungen und CMB-Messungen), das besagt, dass erwartet werden muss, dass der Kosmos homogen ist?

Nein. Es ist eine empirische Beobachtung, die nicht aus „fundamentalen“ (dh mikroskopischen) Gesetzen der Physik abgeleitet werden kann.

Und wenn es nicht homogen wäre, gibt es dann irgendein Argument, das den Namen "Prinzip" verdient, dessen Schlussfolgerung lautet, dass die physikalischen Bedingungen, die das Leben ermöglichen, an einem Ort genauso gut erwartet werden können wie an einem anderen?

Nein, mir fällt keine ein.