问题

为什么物理学家相信地球上的物理规律推广至宇宙范围还能成立?

回答
一个多世纪以来,物理学家们对于地球上观测到的物理规律同样适用于浩瀚宇宙的信念,是建立在一系列坚实的科学基础和令人信服的证据之上。这种信念并非空穴来风,而是经过了严谨的理论推导、精密的观测验证以及不断迭代的科学探索所形成的共识。

首先,宇宙的统一性是这一信念的基石。 从早期自然哲学的朴素观察,到近代科学的精确测量,人类始终在试图理解自然界运作的普遍性法则。当伽利略将望远镜指向星空,他惊奇地发现,即使是遥远的月球,其表面也存在山脉和陨石坑,这暗示着天体并非完全不同于地球的、完美无瑕的物体。牛顿更是通过万有引力定律,巧妙地将地上苹果下坠的力与天体运行的轨道联系起来,提出了一个普遍的引力法则,这被视为一个划时代的飞跃。牛顿的理论成功地解释了行星的运动,也成功地预测了彗星的回归,这些预测后来都得到了观测的证实。这有力地表明,在那时,人们已经开始意识到,统治地球现象的力学规律,同样也支配着天体的运动。

其次,光速不变原理和相对论的普适性提供了强有力的理论支持。 爱因斯坦的狭义相对论革命性地提出了光速在所有惯性参考系中都是恒定不变的。这个原理本身就是一个宇宙性的断言,它不依赖于观察者的位置,也不依赖于观察者是在地球上还是在遥远的星系中。基于光速不变,爱因斯坦进一步发展了广义相对论,描述了引力是如何通过时空的弯曲来影响物质和能量的。广义相对论不仅成功地解释了牛顿引力定律在某些极端情况下的偏差,例如水星近日点的进动,更重要的是,它成功预测了引力红移、引力透镜等现象,这些预测都已在宇宙中得到强有力的观测证据支持。例如,光线经过大质量天体(如恒星、星系团)时发生的弯曲(引力透镜),被天文观测反复证实,这直接印证了引力在宇宙尺度上的作用方式与地球上描述的一致。

再者,光谱分析技术是连接地球与宇宙的关键桥梁。 通过分析从遥远天体发出的光,科学家们能够识别出其中的化学元素。令人惊叹的是,即使是来自数百万光年外的恒星和星系,其光谱中出现的吸收线或发射线,也与我们在地球上实验室中观测到的相同元素的光谱特征高度吻合。例如,氢、氦、碳、氧等元素的谱线,在太阳、其他恒星以及星云中都以同样的方式呈现。这意味着,构成地球物质的基本原子结构和规律,在宇宙的其他地方也同样存在。如果地球上的物理规律在原子层面就不适用,那么这种普遍的光谱对应关系将无法解释。

第四,恒星的演化和能量产生过程也遵循地球上的物理规律。 恒星之所以能够发光发热,是因为其核心发生的核聚变反应。这些反应,例如质子质子链反应和碳氮氧循环,都是在高温高压下进行的核物理过程。我们对这些过程的理解,完全建立在我们在地球上进行的核物理实验和理论研究之上。恒星的光度、温度、光谱以及生命周期,都可以通过应用这些基于地球的物理规律来精确计算和预测。从年轻的蓝巨星到垂死的白矮星,它们各自的演化轨迹,都完美地契合着我们对粒子物理、热力学和量子力学的理解。

此外,基本常数在宇宙中的不变性进一步加强了这种信念。 物理学中的许多基本常数,例如普朗克常数、光速、引力常数、精细结构常数等,被认为是宇宙固有的属性。通过对宇宙大尺度结构的观测、对早期宇宙辐射的分析以及对远距离天体的测量,科学家们一直在努力寻找这些常数是否随时间和空间发生变化。到目前为止,所有最精确的观测结果都表明,这些基本常数在宇宙的绝大部分范围内是恒定不变的。例如,对遥远类星体光谱的精确分析,并未发现精细结构常数在过去或远方的宇宙中存在显著差异。这种普遍性意味着,一旦我们确定了这些常数的数值,它们就应该在整个宇宙中都有效。

当然,物理学家们并非盲目相信。他们同样意识到,我们对宇宙的理解是动态的,并且总有新发现的可能。历史上,许多我们曾经认为是“普遍”的规律,后来被更宏观、更精确的理论所取代或修正,例如牛顿力学被相对论和量子力学所补充。但关键在于,这些新的理论仍然保留了旧理论在适用范围内的正确性,并且是基于同样的逻辑和数学框架。

更重要的是,科学方法本身就要求我们假设普遍性,并尝试去证伪。 科学研究的一个核心原则是“奥卡姆剃刀”,即在没有更强的证据时,我们倾向于选择最简单的解释。如果我们在地球上发现一套描述某种现象的规律,而没有任何理由相信这些规律在其他地方会失效,那么最合理的假设就是它们普遍适用。然后,科学家们会通过设计实验和进行观测来挑战这个假设。正是这种不断地“证伪”过程,驱动着科学的进步。当我们在宇宙中发现与地球上规律相悖的现象时,那将是科学界最兴奋的时刻,因为它意味着新的物理学的诞生。但迄今为止,我们所进行的每一次检验,都倾向于巩固而非颠覆我们现有的物理学框架。

最后,“宇宙学原理”的提出与验证也为这种信念提供了理论支持。 宇宙学原理(Cosmological Principle)认为,在足够大的尺度上,宇宙在空间上是均匀的(homogeneous)并且在各个方向上是各向同性的(isotropic)。这意味着,我们所在的地球,或者我们的银河系,在宇宙中并没有特殊的地位。宇宙在任何地方看起来都应该是相似的,并且物质的分布在宏观上是均匀的。如果宇宙学原理成立,那么在这个均匀且各向同性的宇宙中,一套在地球上被证明有效的物理规律,自然也应该适用于宇宙的任何其他地方。我们对宇宙微波背景辐射的观测,以及对宇宙大尺度结构的统计分析,都强有力地支持了宇宙学原理。

总而言之,物理学家相信地球上的物理规律可以推广至宇宙范围,这是基于对宇宙统一性的长期观察、相对论等普适性理论的强大支撑、光谱分析等观测技术的直接证据、恒星物理学等对已知规律的成功应用、基本常数的稳定性验证,以及科学方法本身对于普遍性假设的追求。这种信念并非固步自封,而是在不断接受检验和挑战中,逐步建立起来的对自然界深刻理解的体现。

网友意见

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到目前为止,最具说服力的证据,我个人认为是雷夫斯达尔超新星(SN Refsdal)的第六个像的准确预测和发现。这是广义相对论和引力透镜的又一次巨大胜利,也是天文学家多年研究的最好回报。这个发现证明了,我们可以预言在93.4亿年之前,共动距离144亿光年之外(注意对于宇宙学距离,其一般大于光速乘以时间,所以不是93.4亿光年)发生的超新星星象再次出现的时间和位置。进而证明了,至少在这个距离和时间之内,人类可以通过物理定律,准确的预言未来发生的天文现象。如果宇宙在这么大尺度下,物理定律发生了哪怕一丁点的变化,那么我们是无法完成这个工作的。

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王善钦对这个工作有过非常精要的总结,这里简单的科普一下。更为详细的内容,请参见网址:昨日重现:Refsdal超新星的第6个像如期而至 - Article - JIJITANG

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超新星是这个宇宙中最猛烈的能量爆发之一。恒星在短短的几天到一个月内,把自己积攒的质量以最猛烈的形式转化成能量。其亮度瞬间可以和整个星系相比拟,然后迅速消失不见。如下图,超新星1994D(下图左下角亮星)和它所处的星系NGC4526相映成趣。我们的故事就是关于另一颗遥远超新星爆发的多次复现。

1964~1966年,挪威天文学家雷夫斯达尔预言超新星光线经过巨大的星系团附近时,星系团的引力会偏折光线,并且由于光路的不同,会在不同时刻,不同位置产生同一个超新星的像,我们可以通过这个手段研究星系团质量分布和宇宙膨胀。但是这样的发现极为困难。直到哈勃太空望远镜升空,才成为可能。

星系团MACS J1149+2223是宇宙中的一个庞然大物,离我们约50亿光年。在不到五百万光年的范围内有着成千上万个星系成员。星系团自身的引力形成了一个巨大的引力透镜,折射着所有经过这个星系团的光线。如下图。这个星系团很早就吸引了很多天文学家的注意,从哈勃望远镜上天后不久,人们就不时观测这个星系团,试图去寻找其背后隐藏的秘密。

在下图右下角红圈处,天文学家发现了一个被扭曲的不成样子的旋涡星系。按道理说,在星系团中央是不应该存在一个如此不规则成员的;而且,它也不像是星系团的前景星系。后来人们认识到,这个星系像其实是被扭曲的背景星系像,其红移显示它离我们约144亿光年,因此不属于该星系团。 通过对比,人们认识到靠中心黄圈,左上角绿圈所示的星系也是这个旋涡星系的另两个像。

通过多年的观测,人们对这个星系团的结构有了更多的认识,并基于其质量分布建立了引力透镜模型,如下图。这个星系团的引力透镜并不是一个均匀的圆形透镜。而是基于星系团质量分布呈现不规则形状。在图中白线处,是这个星系团的特征线,在此处放大倍率最强。越远离星系团中心,光被引力“拖拽”的影响越小,反而传递到我们的时间越早(详情可以搜索引力时延效应)。下图中,蓝圈中的序号显示同一背景星系的不同像。其中,1.1,1.2,1.3.1,1.3.2 都是该旋涡星系的不同像。

1995~1998年间,在绿圈(蓝圈1.1)中,一颗超新星闪烁起了光芒。令人遗憾的是,当时的人们并没有关注到它,因而错过了。

2013年,两个小组,GLASS小组(Grism Lens-Amplified Survey from Space 太空光栅透镜放大巡天)和 FroniterSN小组(Frontier Field Supernova 前沿区域超新星)开始尝试追踪星系团中超新星现象,他们注意到了这个星系团。令人兴奋的是。2014年11月11日,在这个光棍节的日子,四个超新星像同时在这个旋涡星系中闪烁(红圈和蓝圈1.2)。人们相信这四个超新星其实是多年前那颗超新星的复现。由于光路的不同,我们有幸看到了这个极为罕见的同一超新星四个像几乎同时出现的一幕(实际上差了几天)。特别凑巧的是,这是一个二次引力透镜放大现象。第一级放大来自于星系团。第二级放大来自于正好在视线中间的一个星系团中特定椭圆星系的放大,从而形成爱因斯坦十字。因此,这个颗超新星比平时观察到的亮20倍左右。此时正好是广义相对论诞生99周年,算是对相对论100周年的提前贺礼!可惜的是,爱因斯坦和雷夫斯达尔都已离世,未能亲眼见到它~

基于这些已有数据,天文学家重构了此星系团的结构,如下图。大量的文章开始仔细分析这次罕见的超新星十字现象。渐渐地,天文学家认为,这颗超新星还会再出现一次!

因为越靠近中心引力场越强,引力时延效应越显著,所以黄圈(蓝圈1.31)光线走的时间最长。于是,天文学家预言,在2015年10月到2016年前半年之间,我们肯定能再次看到这颗超新星的出现。

以下列举一些相关工作。

“(a). Sharon 与 Johnson (2015, ApJ, 800, L26) 使用 “Lenstool”,认为第1个像在1.3-12年前出现过,第6个像将在2015年9月出现。

(b). Oguri (MNRAS,2015,449,L86)用他自己于2010年开发公布的“glafic”代码,宣布第1个像在17年前出现过,第6个像将在2015年11月出现。这个结果被认为是最可靠的!

(c). Diego 等人(2015,arXiv:1504.05953,发表于2016年的MNRAS,456,356)用“自由形式质量模型技巧(free-form mass modeling technique)”,认为第1个像在大约9年前出现,下一个像在2015年11月到2016年1月之间出现。

还有一些其他的文章也做出了预言,大部分都认为时间在2015年底到2016年前半年之间。”

人们也预言了超新星会出现的位置。如下图,三个不同的模型给出了超新星再次出现的位置范围,如两个红圈和一个绿圈所示。

2015年10月末开始,哈勃望远镜就不间断的观测星系团MACS J1149+2223。盼望着,盼望着。在2015年12月11日,超新星如期而至!而且,其位置,正好在上图的红色十字处!

对来自超新星的走了93亿年的光子,人们能预言其到达我们这里的时间,且精确在半年甚至一个月左右,这几乎可以认为是最准确的预言之一了!如果物理定律在这之中有亿分之一的误差,那么结果也是截然不同的!

最后引用王善钦的总结:

“这是人类首次在超新星爆发前预言超新星爆发的精确时间与地点!虽然这是以这个超新星的其他像作为依据进行的预测,也足够激动人心。它的出现,也又一次宣示了科学理论之美。有一位非常著名的物理学大师(这里就不点其名了)曾经说:理论物理学能够用几个简单的公式描述甚至预测现实物理世界,是奇迹中的奇迹。现在,我们也可以感受到一些天体物理上的理论,也是奇迹中的奇迹。”


youtube.com/watch?

昨日重现:Refsdal超新星的第6个像如期而至 - Article - JIJITANG

抓现行:哈勃发现预期中的第5个超新星像 - 译文快递 - 中国天文科普网--中国网上天文台

Caught in the act - Hubble captures first-ever predicted exploding star

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物理学家的逻辑是这样的:

做了这么多年的实验还没有发现证据暗示【地球之外的空间跟地球有着不同的物理规律】,所以我们物理学家可以自然地假设【地球之外的空间跟地球有着相同的物理规律】。。

题主的逻辑是这样的:

做了这么多年的实验还没有发现证据暗示【地球之外的空间跟地球有着不同的物理规律】,没有证据但是我们可以假设一个呀,所以你们物理学家不可以自然地假设【地球之外的空间跟地球有着相同的物理规律】,更进一步地你们物理学家都是井底之蛙。。

所以题主是假设了一个没有证据存在的东西,然后说大家都是井底之蛙。。但是这样的逻辑没有卵用,大家都是井底之蛙,我也是,题主也是。。

但是,问题是然后呢?我们基于这个假设能做什么?


你好,我是外星人,是唯一知道【地球之外的空间跟地球有着不同的物理规律】这件事到底的真相的人,但是我被地球联盟护卫队通缉了,现如今我通过穿越时空来躲避抓捕,还缺5000块人民币才能进行下一次时空穿越。。希望题主能帮助我守护真相,我的银行卡号是1234567891011121314,事成之后我一定推举你成为地球先知,并告诉你【地球之外的空间跟地球有着不同的物理规律】这件事的真相。。

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不然呢?你去河外星系看看?

既然1.世界上还没有物理学家能活到一百五十岁以上,2.人类在一百五十年之内到不了河外星系

那么,我们就可以得到结论:物理学家这种假设是不会被推翻的,从而不会对自己的职称,工资和经费造成影响。



客有为齐王画者,齐王问曰:“画孰最难者?”曰:“犬马最难。”“孰最易者?”曰:“鬼魅最易。夫犬马,人所知也,旦暮罄于前,不可类之,故难。鬼魅,无形者,不罄于前,故易之也。”

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