¿Por qué los científicos piensan que todas las leyes de la física que se aplican en nuestra galaxia se aplican en otras galaxias?

Creo que la solución a esto puede ser revisar la navaja de afeitar de Occam . Eso lleva a la idea de que aceptamos la teoría más simple que se ajusta mejor a lo que observamos. Si está preguntando por qué no creemos que la relación espacio-tiempo cambie drásticamente (entre otras afirmaciones), es porque:

• No tenemos ninguna razón para creer que ese es el caso. No hay evidencia que deba ser explicada por tal modelo. Ninguna observación o razonamiento sugiere que otras galaxias estén gobernadas por leyes drásticamente diferentes.

• Nos gusta la simetría. Tenemos evidencia de que las cosas funcionan de cierta manera alrededor de la Tierra y el universo observable y, por lo tanto, estamos obligados a creer que las mismas leyes son aplicables en todas las escalas, hasta que tengamos razones para creer lo contrario. La teoría de cuerdas predice otras situaciones, pero esas aún no se observaron en la realidad, y no surgen de un crudo "¡Oye, ¿por qué no?" especulación.

Dicho esto, aunque creemos que se aplican las mismas leyes, sabemos que hay diferentes fenómenos físicos en otras galaxias. Por ejemplo, este enlace te mostrará que hay diferentes tipos de galaxias que se comportan de manera diferente a pesar de las mismas leyes, debido a diferentes condiciones iniciales.

Y para responder a su referencia al clima, esa es la teoría del caos, y trata de la dependencia del clima de factores extremadamente pequeños que no pueden observarse razonablemente. Consulte el trabajo de Edward Lorenz ( http://eaps4.mit.edu/research/Lorenz/publications.htm). La esencia de uno de sus experimentos más importantes es que ejecutó el mismo algoritmo del simulador meteorológico dos veces y obtuvo dos predicciones completamente diferentes, aunque solo descuidó el quinto o sexto lugar decimal en uno de los conjuntos de datos de entrada. Las condiciones iniciales eran diferentes de una manera tan minuciosa, ¡pero el algoritmo de simulación arrojó resultados increíblemente diferentes! Eso no parece particularmente relevante si (sin juego de palabras) hay o no una simetría de las leyes físicas. Sabemos que hay una gran cantidad de factores en la predicción del clima, por lo que nuestros errores son enormes. Pero nuestros intentos de observar lo que sucede en otras escalas y ubicaciones están relativamente libres de errores.

En una frase: es fácil creer en la simetría de las leyes y todavía no hay razón para dudar de su exactitud.

Porque lo que podemos observar no difiere según la distancia de nosotros.

La razón más importante por la que asumimos que las leyes físicas no son diferentes en galaxias distantes es que podemos observar cosas en esas galaxias que no serían como las observamos si las leyes variaran.

Por ejemplo, podemos ver la luz de partes distantes del universo conocido. Las líneas espectrales de esa luz nos hablan de los elementos que hay allí. Esas líneas espectrales nos dicen qué elementos están presentes, pero no observamos ningún elemento nuevo. Y los elementos que observamos parecen comportarse de la misma manera que lo harían en el sol o en otras estrellas cercanas. Incluso pequeñas diferencias en las reglas de la física alterarían las líneas de emisión o absorción de los elementos de formas que no observamos.

Y podemos hacer más que eso. Podemos, hasta cierto punto, aprender sobre el movimiento de objetos distantes al observar los cambios Doppler en las líneas espectrales y estas observaciones tampoco nos muestran que las leyes de la gravedad difieren en lugares distantes.

Podría continuar, pero el principio básico es que de las partes del universo que podemos ver, las reglas parecen ser las mismas.

Nada de esto dice que no puede haber cosas inobservables donde las reglas son diferentes (pero eso es tanto un problema filosófico como científico). Algunas teorías han sugerido que las partes fundamentales de la física difieren con el tiempo o en diferentes partes del universo, pero todas han fallado en las pruebas clave de la ciencia al no coincidir con lo que podemos observar.

tl; dr - En realidad, no creemos que las leyes de la física sean perfectamente exactas, precisas o inmutables. En cambio, tendemos a trabajar a partir de la observación de que el universo parece consistente con ciertos modelos hasta donde sabemos.

Todavía no hemos llegado a explorar galaxias distantes. Y dado que el universo observable no tiene 200 mil millones de años luz de ancho, tiene menos de la mitad de diámetro, realmente no tenemos mucho con lo que trabajar.

Ejemplo: No creemos que la velocidad de la luz sea constante

Para un ejemplo extremo, a menudo decimos que la velocidad de la luz,$c,$es una constante; sin embargo, los científicos no lo creen en un sentido absoluto. Lo que realmente creemos es que la velocidad de la luz parece consistente con una constante hasta donde hemos podido decir.

Si consideráramos que la velocidad de la luz es constante para ser literal y absolutamente cierta, implicaría cosas sobre cuán suave debe ser el espacio-tiempo y respondería preguntas estructurales sobre escalas en y por debajo de la longitud de Planck . Desafortunadamente, la ciencia no es tan fácil; hasta que podamos probar significativamente qué tan rápido se mueve la luz entre dos puntos${10}^{-100}\,\mathrm{m}$Aparte, si tal prueba es incluso físicamente sensible, no podemos afirmar que la luz se mueva a una velocidad constante en esa escala.

La velocidad de la luz es un ejemplo extremo ya que su constancia es una piedra angular de la física moderna. El punto es que generalmente no asumimos que ni siquiera las afirmaciones científicas más queridas son absolutas; se trata de aceptar la aparente consistencia de una explicación en su correspondencia con la observación hasta que tengamos una nueva explicación que se corresponda mejor, se aplique más ampliamente, sea más fácil trabajar con ella o/y tenga algún otro mérito que haga que valga la pena.

No creemos que las leyes de la física sean las mismas en otras galaxias

No creemos que las leyes conocidas de la física se comporten exactamente de la misma manera en otras galaxias. En cambio, lo que tenemos es un montón de modelos que parecen funcionar mejor que cualquier alternativa conocida en los contextos en los que hemos tratado de desarrollarlos. Entonces, si debemos especular sobre cómo funcionan las cosas en un contexto lejano, lo mejor que podemos hacer es extrapolar tentativamente hasta que la verificación experimental pueda brindarnos más información.

Entonces, tal vez la constante de estructura fina,$\alpha$varía en el universo; tal vez algún día describamos algún tipo de física a escala universal que haga que varíe. Pero, hasta que tengamos algún mecanismo para describirlo, ¿qué podemos hacer realmente?

Análogo histórico: física atómica

A principios de 1900, los científicos estaban trabajando para tratar de modelar el átomo. Sus primeros intentos se basaron en gran medida en la física que ya conocían de la física a escala humana, por ejemplo, el modelo de Rutherford y el modelo de Bohr para los átomos. Básicamente, intentaron forzar las observaciones en el marco que ya conocían, luego relajaron el marco porque eso no funcionó del todo.

La exploración del universo distante puede funcionar de manera similar. Es decir, probablemente intentaríamos encajar todo en los modelos que tenemos y luego relajarlos según sea necesario para capturar las observaciones que no podemos hacer encajar en los modelos existentes.

Por supuesto, esto no significa que creamos o dejemos de creer en la aplicación de nuestros modelos actuales. Es solo que, hasta que tengamos motivos para sospechar lo contrario, tendemos a sospechar que nuestros modelos actuales tienen más probabilidades de ser útiles que los modelos que no tenemos motivos para sospechar que sean útiles, por ejemplo, la especulación aleatoria.

¿Qué pasa si, digamos a 135 mil millones de años luz de distancia, de repente la relación espacio-tiempo cambia drásticamente?

Bueno, podría.

La ciencia se basa en suposiciones razonables y bien fundamentadas , y un buen científico está abierto a la posibilidad de que esas suposiciones se rompan en algún momento en el futuro cuando haya más datos disponibles. Es por eso que ninguna declaración científica es nunca 100% segura, sino una "teoría". Siempre debemos estar abiertos a que inesperadamente se demuestre que estamos equivocados.

En este caso, hasta ahora no hemos encontrado ninguna evidencia que sugiera que las leyes de la física no se aplican universalmente, por lo que por ahora procedemos asumiendo que sí lo son. Porque, de lo contrario, aparte de evitar hacer ciencia con respecto a las galaxias lejanas, ¿qué más podríamos hacer?

(Es un poco como si solo buscáramos "la vida tal como la conocemos", no porque hayamos descartado la posibilidad de otros tipos de vida exóticos, sino porque ¿qué más haríamos? ¿Cómo la buscaríamos? ¿Cómo ¿Lo reconoceríamos? Algo así tendría que ser descubierto por accidente.)

Nuevamente, vale la pena señalar que todas nuestras observaciones hasta ahora respaldan esta suposición.

Podría considerarse una respuesta circular, pero las ideas que consideramos "leyes" son precisamente aquellas ideas que se cree que son ciertas en todas partes. Entonces, si descubrimos que algún fenómeno que hemos observado en nuestra galaxia no es el mismo en Andrómeda, la descripción de ese fenómeno no sería una ley.

Lo que hacen los científicos cuando descubren discrepancias como esta es buscar una explicación más fundamental que pueda usarse para describir todas las variaciones que se han observado. Esta podría ser una nueva ecuación con parámetros que son específicos para diferentes lugares (por ejemplo, las teorías sobre las galaxias pueden depender de la cantidad de estrellas que contienen y/o la edad de la galaxia).

Esto ha sucedido en el pasado, y no solo en lugares lejanos, y resultó en el descubrimiento de nuevas leyes. La órbita de Mercurio no es consistente con las leyes de gravitación de Newton. Uno de los resultados de la teoría general de la relatividad de Einstein fue que explicó esto correctamente.

Los científicos continúan considerando modificaciones a sus teorías para explicar nuevos descubrimientos. Por ejemplo, algunos científicos han propuesto que la velocidad de la luz ha variado a lo largo de la historia del universo, y esta es una explicación alternativa para las observaciones que llevaron a la teoría de la inflación cósmica.

En términos más generales, la historia de la cosmología ha sido un proceso de descubrimiento de cómo describir el universo de maneras cada vez más generales, a medida que ha progresado nuestra capacidad de observarlo en escalas más grandes y en detalles más pequeños. También hay una suposición fundamental de que hay reglas generales por descubrir. Hasta ahora, esta suposición parece ser razonable: a medida que refinamos nuestras teorías, generalmente parecen funcionar mejor dondequiera que miremos (por supuesto, si no lo hicieran, descartaríamos esos refinamientos).

Bien, en principio es posible que haya un proyector gigante que rodea la Vía Láctea que (a través de algunas leyes de la física que no entendemos, por lo que no tenemos forma de saber que está fingiendo) nos envía señales de luz, etc. observaciones de las cosas "fuera de nuestra galaxia" son en realidad del proyector. Y luego, fuera del proyector, en realidad tienes gravedad repulsiva, espacio-tiempo de 128 dimensiones y gobiernos funcionales.

Esto es técnicamente posible, y también es significativo, en el sentido de que puede volar a la región del proyector y verificar. También es posible que este proyector exista justo fuera de la Tierra, ya que nunca he salido a revisar mi casa y mi memoria de todo lo que está fuera de ella está implantada. Del mismo modo, también es posible que las leyes de la física cambien el 30 de junio de 2018 (si estás leyendo esto después, ¿cómo sabes que ya no lo han hecho?).

Pero el punto es que todo esto es simplemente muy poco probable . La forma (idealizada) de hacer física es asignar probabilidades previas a cada teoría en función de lo complicada que sea (esto se puede medir con precisión, a través de la complejidad de Kolmogorov), luego observar los datos experimentales y aplicar el teorema de Bayes para ver cómo afecta su Distribución de probabilidad. Esto se llama "teoría de la inferencia inductiva de Solmonoff", aunque prefiero llamarla "teoría de la interferencia inductiva de Solmonoff ", en el sentido de que sus datos interfieren con su distribución de probabilidad de alguna manera.

Dado que tener leyes físicas que cambian en función de dónde se encuentre es una teoría con una complejidad de Kolmogorov extremadamente alta, necesitará pruebas muy sólidas para cambiar significativamente la confianza bayesiana, es decir, las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias.

La poderosa herramienta de la ciencia es la abducción. No, no el secuestro de una persona. La abducción es un mecanismo de inferencia, de naturaleza similar a la deducción y la inducción. Es una forma en que inferimos la verdad. La abducción es la inferencia de que la mejor hipótesis es verdadera.

Usamos esto todo el tiempo, en la ciencia y en la vida. Si te lanzo una pelota, es muy poco probable que esté usando un enfoque riguroso como la inferencia bayesiana para determinar la probabilidad de que la pelota que te lanzo no sea en realidad un detonador nuclear configurado para destruir el mundo si tú fallar en atraparlo. Esa posibilidad ni siquiera se me ocurre, excepto cuando escribo respuestas de intercambio de pila pedantes. En cambio, infiero que la pelota es en realidad una pelota, y que mi comprensión de la física es lo suficientemente correcta como para lanzarte la pelota sin acabar con el mundo. Utilicé la abducción para reducir cualquier cantidad de posibilidades absurdas a solo "la mejor" hipótesis, y actué como si fuera verdad. La navaja de Occam es un ejemplo de un método de inferencia abductivo.

El secuestro es complicado. El término "mejor" tiene todo tipo de matices (como puede leer en el artículo de SEP que vinculé anteriormente). Incluso puede fallar catastróficamente. Sin embargo, es un mecanismo de inferencia tan útil que los humanos lo usamos todo el tiempo en la vida diaria.

Varias de las otras respuestas argumentan que no "pensamos" que las leyes de la física se aplican en todas partes. Señalan sabiamente que la ciencia en realidad produce modelos que no son demostrablemente inconsistentes con nuestras observaciones. Estas son tanto observaciones locales de efectos locales como observaciones locales de efectos lejanos (como mirar a través de un telescopio). Esta es técnicamente la respuesta correcta. La ciencia nunca te dice la verdad sobre nada. Alguna vez. Tampoco pretende decirte la verdad sobre nada. Esa es la verdad patológicamente pedante sobre la ciencia.

Si crees que la ciencia alguna vez te dice la verdad sobre cualquier cosa, eso debería indicar que esperas que las personas usen la abducción para inferir que las afirmaciones sobre el mundo son verdaderas a partir de los modelos científicos. Por lo tanto, si uno espera escuchar "el bosón de Higgs es real", según la evidencia que sugiere que estamos 99.999999999% seguros de que el CERN los ha detectado, entonces espera que esa persona participe en una abducción. Que es natural. Los humanos reales lo usan todo el tiempo, y los científicos son humanos.

Por qué no enseñan el concepto de abducción en la clase de ciencias, nunca lo entenderé. Es la piedra angular de la ciencia aplicada.

Si bien la respuesta anterior parece haber cubierto los puntos más importantes, hay algo que me gustaría agregar.

Cosas como las leyes de la gravedad, las leyes del momento y las leyes de la termodinámica están integradas en el tejido del universo mismo; no son solo reglas temporales que se aplican aquí mismo en nuestro cuello del bosque.

Con respecto a qué tan lejos están estas galaxias y cuánto tiempo hace que existieron: por lo que podemos decir, estas leyes no solo están incorporadas en el universo en todas partes, también están incorporadas en el universo en todo momento. Los científicos aceptan universalmente que son muy parecidas a las reglas de la suma: 2+2 es igual a 4. Esto es cierto no solo aquí en la Tierra ahora, sino en todas partes del universo en todo momento.

Supongo que alguien con una imaginación realmente vívida podría acuñar una pregunta como "¿cómo saben que 2+2 no es igual a 5 en algún otro lugar del universo, hace miles de millones de años?" Supongo que, en el sentido más estricto, no sabemos con seguridad cuánto sumaba 2+2 hace miles de millones de años, pero la ciencia no avanza jugando a dudar de Thomas a este nivel.

Por último, comparto su frustración por nuestra incapacidad para predecir el clima con mucha anticipación. Sin embargo, nuestras limitaciones sobre el pronóstico del tiempo son de una naturaleza muy diferente al enigma de las galaxias que usted describe.

Un resultado interesante que aún no se ha discutido es el hecho de que el teorema de Noether vincula matemáticamente la conservación del momento lineal y la invariancia de las leyes de la física con respecto a la traslación espacial.

Básicamente, si observamos que el momento lineal se conserva , entonces es necesario concluir que las leyes de la física son las mismas independientemente de la ubicación espacial. Ciertamente, esto no cubre todas las leyes de la física, sino solo las leyes relacionadas con los fundamentos del movimiento, pero sigue siendo un resultado interesante: un experimento local nos permite hacer una deducción sobre todo el universo.

PS El teorema de Noether generalmente se formula mostrando que una simetría implica una ley de conservación y no viceversa, pero creo que la inversa se aplica a la conservación del momento lineal .

¿Qué pasa si, digamos a 135 mil millones de años luz de distancia, de repente la relación espacio-tiempo cambia drásticamente?

Una idea interesante. ¿Tiene alguna razón o evidencia que indique que este es el caso?

Juguemos un poco con la idea. Si se viera tal límite, las preguntas adicionales incluirían si el límite era:

• Acercándose, retrocediendo, estacionario (¿en qué marco de referencia)?
• ¿El mecanismo de tal límite?
• Consideraciones energéticas: cuando, por ejemplo, una estrella o un planetoide cruzaron dicho límite, ¿cómo cambiaría su nivel de energía? Explique de dónde vendría o hacia dónde iría la energía (presumiblemente enorme) para las transiciones en cualquier dirección a través del límite.

¿Comienzas a ver el nivel de complejidad que esto agregaría a los modelos de la física? Me parece que los físicos necesitarían ver algo más que "¿qué pasaría si?" antes de aceptar tal idea. Espero que se hayan realizado escaneos para ver si existen tales anomalías, y que todos nos hubiéramos enterado si se hubieran encontrado.

Como han señalado otros carteles, la evidencia que tenemos no muestra tales discontinuidades. Los espectros de los objetos luminosos distantes son consistentes con los de los objetos cercanos, lo que permite un desplazamiento hacia el rojo o hacia el azul.

Desafortunadamente, hay escasez de naves propulsoras warp, por lo que no podemos ir a ver todavía...

Seamos serios, no podemos predecir el clima más allá de 10 días con precisión, y por lo general no tanto...

No confunda los cambios en la física fundamental con nuestra capacidad para hacer predicciones detalladas sobre un sistema extremadamente complejo, cambiante y caótico (una Tierra que gira con una topología compleja, una capa de atmósfera agitada, océanos con corrientes, lagos y arroyos, evaporación, condensación, la insolación del Sol, etc.) dado un número muy limitado de puntos de datos.

En el caso de la predicción del clima, si aplicamos un hipotético "qué pasaría si la física fundamental cambiara", entonces eso podría traducirse en, oh, cosas como:

• Cambios de gravedad
• Materia que desaparece/aparece (excluida la desintegración radiactiva)
• Energía que desaparece/aparece (excluida la desintegración radiactiva)

que, que yo sepa, no se ha observado.