¿Cómo saben los científicos que las partes distantes del universo obedecen las leyes físicas exactamente como las observamos a nuestro alrededor?

¿Cómo saben los científicos que partes distantes del universo obedecen las leyes físicas exactamente como las observamos a nuestro alrededor?

La pregunta puede parecer un poco extraña, pero estoy realmente atascado en mi cabeza. Sabemos que los científicos (con herramientas) exploraron físicamente solo nuestro sistema solar y algunas partes de nuestra galaxia, que en realidad es una pequeña parte del universo observable. Y ahora están constantemente utilizando esta base de conocimiento junto con 'leyes físicas probadas' para medir las propiedades de partes distantes de nuestro universo.

Por ejemplo, probamos y encontramos que la velocidad de la luz es constante dentro de nuestra periferia local muchas veces (dentro de nuestra Tierra y el Espacio alrededor de la Tierra). Pero, sin embargo, suponemos que la velocidad de la luz es constante incluso en la parte más lejana de nuestro universo. Ciertamente no lo probamos en la otra parte distante del universo porque no tenemos forma hasta ahora. No solo la luz, sino también otras propiedades físicas como la luminosidad, la gravedad y otras leyes físicas relacionadas, se acuerdan en base a pruebas dentro de nuestro sistema solar. Y basándonos en estas leyes, deducimos las propiedades de otras partes del universo ( es decir , la edad, la distancia, la masa, la luminosidad de las estrellas en millones/billones de años luz de distancia).

Mi pregunta es, ¿cómo sabemos que estas leyes físicas que probamos dentro de un área diminuta del universo funcionan consistentemente en las partes distantes del mismo? ¿Existe alguna probabilidad de que la parte distante de nuestro universo obedezca las leyes físicas de manera diferente y nuestra predicción basada en las leyes físicas aplicadas nos dio una ilusión irreal de la realidad real, pero consistente?

Una frase útil para buscar en Google es invariancia de posición local (LPI). No es cierto que podamos probar si la velocidad de la luz es la misma en regiones distantes del universo. Esta es la forma en que a veces se describe en las divulgaciones, pero está mal. Lo que realmente se está probando es la constante de estructura fina. Solo es posible probar el LPI de una constante física si esa constante no tiene unidades.
1/2 Este es un tema importante de filosofía de la ciencia. El caso es que nada impide que nadie plantee la hipótesis de que las leyes físicas son diferentes en otras partes del universo. Como dices, porque todavía no hemos estado allí, es imposible probar o refutar. El problema es que, al plantear esta hipótesis, renunciaríamos a toda posibilidad de comprender lo que vemos al observar allí: si todo vale, no tiene sentido tratar de dar sentido a los fenómenos astronómicos que observamos.
2/2 Sucedió que la observación de hechos lejanos nos llevó a reconsiderar cómo funcionan las cosas aquí. Por ejemplo, la física newtoniana funcionó en la Tierra pero no pudo explicar la órbita de Mercurio. Luego vino la teoría de la relatividad y logró explicar cómo la gravedad funciona de manera diferente cerca de la gigantesca masa del Sol, sin dejar de ser consistente con lo que observamos en la Tierra y así extendió la teoría newtoniana.
@armand mi punto es el mismo. Al igual que descubrimos que las leyes de Newton no funcionaban fuera de la periferia de la Tierra y necesitábamos actualizarnos con las leyes de Einstein. Ahora, con el mismo argumento, cómo podemos estar seguros de que las leyes einstienianas funcionan en todo el Universo de manera uniforme hasta llegar a la parte más lejana. Más o menos una desviación de la teoría de la navaja de Occam.
Tenga en cuenta que si las leyes de la física fueran diferentes de las leyes de la física conocidas, pero de tal manera que las leyes de la física cambien de forma analítica en función de la posición, entonces esto significa que las leyes de la física tal como son válido aquí sería diferente y conocer las leyes correctas de la física nos permitiría describir la diferencia en las leyes aproximadas de la física que se observan aquí y en regiones lejanas.
@Sazzad Hissain Khan: no podemos estar seguros. Pero mientras no tengamos una razón convincente para pensar que la física es diferente en otros lugares, tenemos que trabajar bajo la hipótesis de que lo son, de lo contrario, es solo una especulación. Einstein pudo probar su teoría explicando con extrema precisión observaciones que eran imposibles según la física newtoniana. Los creacionistas de la Tierra joven a menudo postulan que la velocidad de la luz disminuyó con el tiempo para explicar cómo el universo puede tener 6000 años mientras podemos ver estrellas a millones de años luz de distancia, pero no tienen evidencia de que sea así.
@armand Estoy de acuerdo contigo. La afirmación de los creacionistas de la Tierra Joven me parece absurda. Desde mi perspectiva empírica, solo estoy tratando de comprender los aspectos filosóficos de la ciencia, especialmente en ese aspecto. De todos modos, gracias por su tiempo. Creo que tengo la respuesta.
¿No es la definición de 'nuestro universo' simplemente todas las cosas que nos rodean que obedecen las mismas reglas
Tu penúltimo comentario es incorrecto. Es cierto que las leyes de Newton eran una aproximación a la relatividad, pero podemos medir y probar la relatividad aquí en la tierra. Lo hacemos todo el tiempo en aceleradores de partículas y satélites GPS. Las únicas cosas que no podemos probar son aquellas en las que no podemos crear las condiciones adecuadas. En este contexto, esa es una densidad extrema sobre una gran región. Lo hemos hecho con experimentos de corrimiento al rojo gravitacional y Gravity Probe B.
La física de hoy es inadecuada para explicar el interior de un agujero negro.
@RossMillikan parece una tontería. 'pero podemos medir y probar la relatividad aquí en la tierra'. Estoy de acuerdo. Mi punto era diferente. Al igual que Einstein refinó las leyes de Newton considerando el aspecto de la velocidad, ¿cómo podemos estar seguros de que algunas otras leyes no pueden tener alcance para refinar las leyes de Einstein considerando otro aspecto (que no conocemos)? Hasta entonces, estamos usando con confianza esas leyes para calcular otras incógnitas del universo. Acabo de plantear una pregunta sobre una confianza tan grande, nada más. Sin embargo, estoy de acuerdo, así es como funciona la ciencia. Escuché hablar de la navaja Occam por primera vez y obtuve más información.
¿Qué leyes, sin embargo? Si un conjunto dado de leyes no es universalmente aplicable, entonces no son realmente leyes, y buscaríamos una generalización que sea universalmente aplicable, que luego llamaríamos "las leyes físicas del universo", como la física clásica generalizada de la relatividad.

Respuestas (3)

No sabemos en general, pero en la medida en que podemos medir, las leyes parecen ser las mismas, incluso si las condiciones no lo son.

Por ejemplo, el decaimiento radiactivo: sabemos qué tan rápido se desintegran varios elementos y podemos observar los resultados del decaimiento radiactivo en supernovas distantes. La conclusión es que, al menos para algunos elementos, la tasa de desintegración radiactiva es la misma en la Tierra que en las supernovas distantes.

Después de tener en cuenta el corrimiento al rojo, las líneas de emisión espectral permanecen sin cambios por distancia. Esto implica que la constante de estructura fina es de hecho constante.

Las galaxias distantes tienen campos gravitatorios, y las interacciones entre galaxias proceden de la misma manera en las galaxias distantes que en las locales. Eventualmente, la justificación es filosófica: no hay una razón observacional para creer que la gravedad se comporta de manera diferente en partes distantes del universo, por lo que creemos que no es así.

En las condiciones extremas del universo primitivo, algunas leyes físicas eran diferentes. Por ejemplo, en lugar de campos electromagnéticos y débiles distintos, había un único campo electrodébil. Pero esto se puede describir como una sola "ley" con las interacciones electromagnéticas y débiles siendo solo la aproximación de baja energía de la interacción electrodébil.

Entonces, si se descubriera que la Gravedad (por ejemplo) estaba funcionando de manera diferente en partes distantes del universo, pero que había un patrón o regla consistente sobre cómo variaba, entonces eso simplemente se convertiría en la nueva teoría de la gravedad (con la relatividad general convirtiéndose en sólo la aproximación local a esta nueva ley).

Hay una suposición más fundamental: que el comportamiento de la materia y la energía en el universo puede ser modelado por "leyes". No hay ángeles bailando sobre cabezas de alfiler. La justificación de esto está estrictamente en el ámbito de la filosofía.

Después de tener en cuenta el corrimiento al rojo, las líneas de emisión espectral permanecen sin cambios por distancia. Esto implica que la constante de estructura fina no cambia con la distancia: en.wikipedia.org/wiki/Fine_structure
Traigamos una hipótesis, un comienzo en una parte muy distante del universo que en realidad emite un 500% más de luz en comparación con lo que observamos con nuestras ecuaciones porque las leyes físicas eran diferentes en el punto donde emite y, por lo tanto, la luminosidad disminuyó. ¿Cómo podemos refutar esa hipótesis? @Extraño
@SazzadHissainKhan no tenemos que refutar ninguna y todas las hipótesis. Una hipótesis que hace afirmaciones inusuales necesita medios para verificar positivamente sus predicciones. Simplemente no hay forma de refutar mi hipótesis de que en una parte muy lejana del universo existe un planeta donde gobiernan los dragones y los átomos pesan el doble de lo que pesan aquí. Sin embargo, simplemente no hay indicios de que esta hipótesis sea cierta, ya que todo lo que vemos parece confirmar que el universo se comporta igual que aquí. Se aplica la navaja de Occam: se asume la solución más simple en ausencia de prueba en contrario
@planetmaker Tengo que expresar el habitual escepticismo humeano. Pareces estar diciendo que la naturaleza es uniforme porque observamos su uniformidad. Pero la uniformidad observable solo implica que esa uniformidad se extiende a lo no observado si asumimos que la naturaleza es uniforme. Debido a que la lógica es circular, no podemos aplicar la navaja de Occam. Mejor decir que lo asumimos con fe en que la naturaleza es uniforme. O, si ha pasado mucho tiempo leyendo a Kant (¡no a mí!), podría decir que la uniformidad de la naturaleza es una característica inextricable del mundo pensable (en oposición al mundo físico).
@planetmaker, ¿por qué no sería una afirmación positiva que las leyes físicas funcionan de manera uniforme en la parte distante del universo, incluso sin ninguna evidencia empírica? Además, ¿por qué los científicos no aplican los mismos argumentos y confirman que el universo no observable tiene el mismo principio?
Creo que esto finalmente se reduce a la Navaja de Occam. Suponemos uniformidad porque es más simple y aún no hemos detectado nada que la contradiga.
La ciencia trata de encontrar cosas que no se conocen y, por lo tanto, también que contradicen las teorías actuales. Pero mientras no haya prueba en contrario, se debe suponer la solución más simple. Una teoría nunca es la realidad, sino sólo una descripción de la realidad, la más simple posible. Y si se encuentra algo inexplicable con la teoría actual, también ajustamos la teoría para explicar ese hecho; por supuesto, eso puede significar y significará que el panorama general se vuelve más complicado. Pero no tiene mucho sentido hacerlo más complicado de lo necesario para explicar todas las observaciones.
En realidad, la ciencia trata de encontrar cosas que sean útiles para hacer ciencia. Todos estos "qué pasaría si" no son relevantes porque no son útiles.
@SazzadHissainKhan "¿por qué los científicos no aplican los mismos argumentos y confirman que el universo no observable tiene el mismo principio"? ¿Cómo propone exactamente confirmar algo sobre algo no observable?
@IMil mira aquí, el punto no se trata de la observabilidad sino del conocimiento. Si podemos suponer que las leyes aplicables para lo que no tenemos conocimiento por el argumento "debe considerarse la solución más simple", ¿por qué no podemos aplicar el mismo principio a algo no observable (en otras palabras, completamente desconocido)?
@SazzadHissainKhan ¿No es eso lo que dijo? Suponemos que las cosas desconocidas son lo más simples posible. No podemos enviar a alguien a Alpha Centauri para medir la gravedad allí, pero asumimos que funciona igual que en la Tierra, y todas las mediciones que hacemos desde la Tierra parecen respaldar esa teoría.
@SazzadHissainKhan: Puede hacer cualquier hipótesis que desee. Pero lo que distingue una hipótesis científica de una no científica es que una hipótesis científica es refutable , lo que significa que en principio se puede diseñar un experimento basado en la observación de lo físico que distinguirá entre la verdad y la falsedad de la hipótesis. Entonces, tan pronto como dices "el punto no es sobre la observabilidad", has dejado el reino de la ciencia y entraste, no sé, ¿al mundo de la ciencia ficción?
@LeeMosher, sí, estoy de acuerdo en que las hipótesis científicas requieren falsabilidad. Ahora, si piensa profundamente, todas las hipótesis actuales sobre el universo observable en realidad hacen un modelo de falsabilidad que depende de un total desconocido (como ya señalé, la realidad es desconocida en la publicación). Entonces, ¿cuál es el problema para hacer hipótesis sobre el universo no observable? De hecho, muchas hipótesis científicas sobre materias no observables, es decir, multiversos, etc. ¿Cuáles son los puntos de distinción? Esa pregunta podría no surgir si la ciencia pudiera hacer locales estas leyes como hipótesis para un universo distante, pero se describen como teoría.
El comentario de @SazzadHissainKhan parece un poco difícil de entender; Intentaré reescribirlo lo mejor que pueda, para que esta interesante discusión pueda continuar. Aquí va: // Sí, estoy de acuerdo en que las teorías científicas deben ser falsables. Sin embargo, si examina en profundidad el estado actual de la astrofísica, verá que incluso las teorías falsables que usan datos del universo 'observable' [presumiblemente para extrapolar a regiones 'no observables'] usan modelos que dependen de lo desconocido, ya que la 'realidad ' es, por definición, inalcanzable. Entonces, ¿en qué se diferencian las hipótesis sobre el universo 'no observable'? ...
... La última oración es bastante complicada, pero lo intentaré de todos modos. // La pregunta podría no surgir si los modelos físicos podrían aplicarse al universo distante [es decir, 'no observable']; sin embargo, son "descritos como teoría" [¿quizás él ve la 'teoría' como adivinanzas de salón?].
Ahora mi respuesta al comentario de @SazzadHissainKhan. Parece que estás mezclando física y filosofía aquí. La física se ocupa de hechos que pueden, en principio, ser verificados por otros. Descartes, Kant y Hegel postularon la noción de realidad como un mundo "verdadero" o "tal cual es" oculto, pero nunca perdió su rasgo metafísico y pasó a ser una teoría verificable o incluso una hipótesis. Tu pregunta es sobre las leyes físicas. La diferencia entre leyes falsables o hipótesis de la física y la 'realidad' ( realmente desconocida) es discutible. Sé un poco más humilde. "No lo sabemos, solo suponemos". (Raimundo Popper)
@Timm, en primer lugar, muchas gracias por traducir mi oscuro comentario a una forma sensata, que era exactamente lo que quería decir. Lo siento por mi mala lengua no nativa. Entendí claramente tu respuesta y estoy totalmente de acuerdo contigo. Solo traté de expresar el motivo de esta publicación como respuesta a la pregunta de alguien. Sin embargo, después de leer las respuestas y los comentarios, ahora me queda claro. También creo que es humilde decir 'no sabemos' en lugar de justificar con argumentos vagos. Gracias de nuevo.
Sorprendentemente, después de este largo hilo de comentarios, parece que hemos regresado a mi respuesta real. ¡Lee las tres primeras palabras de mi respuesta!

Ver también: ¿Funcionan las leyes de la física en todo el universo?

El teorema de Noether , en el contexto de esta pregunta, establece que:

Si las leyes de la física no varían con la posición, entonces se conserva el momento lineal (y viceversa).

Por lo tanto, si observamos la conservación de la cantidad de movimiento (que hacemos con una precisión exquisita), entonces no esperamos que las leyes de la física varíen con la posición. En otras palabras, partes distantes del universo obedecen las mismas leyes físicas.

La forma en que se establece aquí, esto es un non sequitur. "Si A entonces B" no implica "Si B entonces A".
@GuntramBlohmsupportsMonica en lógica formal, "Si A entonces B" no implica "si B entonces A", pero la lógica formal no se aplica a la física .
@Allure La publicación que citó: "No esperamos que las teorías físicas sean ciertas en ningún sentido absoluto de lógica formal. Esperamos que sean buenas aproximaciones bajo ciertas condiciones". Encuentro esto bastante confuso. Dentro de una teoría, la lógica formal tiene que aplicarse -al menos idealmente-, simplemente porque es una ciencia. Pero las teorías en sí mismas no pretenden producir descripciones perfectas de la totalidad, solo aproximaciones útiles dentro de un contexto determinado. Y sí, fuera de este contexto, pueden arrojar declaraciones falsas sobre la realidad.
@Allure bueno, la pregunta permanece. Estás citando algo como "si A entonces B" y luego diciendo "B implica A". ¿Sobre qué base estás diciendo que "B implica A"? El argumento de Guntram es básicamente "no puedes justificar tu afirmación con lógica formal" y respondes que la lógica formal no funciona en este caso, pero entonces, ¿qué tipo de lógica estás usando para pasar de la primera proposición a la segunda? ? EDITAR: no vi ninguna justificación en su afirmación sobre la lógica formal en el enlace proporcionado
@Guiroux Vea el enlace de jpa.
¿Qué pasa si el impulso solo se conserva en nuestro sistema solar?
El teorema de Noether es una biimplicación: la simetría implica cantidad conservada y la cantidad conservada implica simetría. Solo has escrito la mitad del teorema.
@user253751: Entonces las llamadas de LIGO serían muy diferentes. Y los exoplanetas serían mucho más difíciles de detectar porque sus órbitas no serían periódicas. Y los cúmulos globulares no serían estables. Y el cambio de Hubble no sería esféricamente simétrico y radialmente creciente. Y la población de supernovas de tipo Ia no sería tan uniforme como lo es. Y los períodos pulsar no serían estables. Y... Y... Y... Tenemos literalmente millones de observaciones, cualquiera de las cuales podría rechazar la conservación del impulso extrasolar, y todas han fallado en hacerlo.
@EricTowers ¿Qué pasa si todas esas cosas conservan el impulso, incluso fuera de nuestro sistema solar, pero otras cosas no? ¿Qué pasa si los cohetes en Alpha Centauri no necesitan masa de reacción? Nunca lo sabremos con certeza.
@ user253751 No entiendo. Si los cohetes en Alpha Centauri no necesitaran masa de reacción, entonces las leyes de la física habrían cambiado y habríamos visto una violación de la conservación del impulso (a través de experimentos realizados en la Tierra).
@Allure Pero en la Tierra, requieren masa de reacción.
@ user253751 nuevamente, si las leyes de la física están cambiando entre aquí y Alpha Centauri (y deben estar en su escenario, ya que requiere una masa de reacción en la Tierra y no allí), entonces no observaríamos la conservación del impulso.
@Allure No estoy seguro de que sea del todo cierto; ciertamente no es tan obvio. Parece razonable apostar, desde el punto de vista del no experto, que el teorema de Noether implica esencialmente que si tiene invariancia de traducción en una región del espacio-tiempo, entonces en alguna subregión observará la conservación del impulso con un alto grado de certeza. De manera similar para aproximadamente la invariancia de traducción. Entonces, ¿por qué estamos seguros de que no estamos en una burbuja de buen comportamiento que nos impide ver violaciones de la conservación con los instrumentos actuales? Quizás esa debería ser una pregunta sobre física, si no ya.
@user253751: Una hipótesis de la forma "algo se comporta de manera diferente a todo lo que hemos medido" requiere evidencia extraordinaria. Sin tal evidencia, la filosofía científica más paranoica es negar que tales preguntas tengan respuestas, rechazando su hipótesis sobre fundamentos. Una filosofía científica parsimoniosa es asumir una física "pequeña", expandida solo cuando no está de acuerdo con la medición, rechazando su hipótesis. Aceptar tu hipótesis es asumir que el Universo es hostil a la comprensión, lo que niega la utilidad de la razón, por lo que es definitoriamente irrazonable.

Las medidas de todas las manifestaciones astronómicas son actualmente las mismas en todas las direcciones del cielo, en lugar de variar según la dirección y la distancia.

La temperatura del CMB es casi constante con una anisotropía que ha sido muy bien estudiada, hay una variación dipolar que indica que nos estamos moviendo a 370 km por segundo en relación con el CMB, viajando con la Galaxia.

Los físicos intentaron encontrar pruebas que dieran crédito a sus sugerencias, pero el CMB implica que el Big Bang fue el mismo, 13 mil millones de años luz en todas las direcciones.

Los mismos átomos parecen estar emitiendo las mismas longitudes de onda, los quásares son los mismos, las galaxias son las mismas localmente, lejanas y con variaciones dipolares, los números y distribuciones de estrellas son los mismos, las supernovas son las mismas. Las leyes de la física son las mismas, las mismas líneas de hidrógeno y las mismas velocidades de rotación.

El universo visible es el invariable, aunque puede estar en lo cierto a unos 130 o 500 billones de años luz de distancia, puede haber alguna variación en una distancia no observable del universo, solo que está más allá de lo que podemos ver.

¿Cómo saben los científicos que las partes distantes del universo obedecen las leyes físicas exactamente como las observamos a nuestro alrededor?
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