مکانیک نیوتنی در برابر کیهان: چالش‌ها و محدودیت‌ها

به گزارش سرمایه فردا، در فیزیک نیوتنی، فضا و زمان به‌عنوان دو مفهوم مطلق و مستقل از یکدیگر در نظر گرفته می‌شوند. در اواخر قرن نوزدهم، جهان نیوتنی به‌عنوان یک جهان نامتناهی تصور می‌شد، زیرا قانون گرانش نیوتن نشان می‌داد که جهان متناهی نمی‌تواند پایدار بماند و در نهایت به دلیل اثرات گرانشی دچار انقباض خواهد شد.

فضای نیوتنی به‌طور یکنواخت توسط اجرام آسمانی پر شده است؛ این ویژگی به اصل همگنی معروف است و یکی از اصول مهم کیهان‌شناختی محسوب می‌شود. اصل دیگر، اصل همسانگردی است که بیان می‌کند هیچ جهتی در فضا بر جهت‌های دیگر برتری ندارد و جهان در همه جهات یکسان است. بااین‌حال، زمانی‌که جهان همگن، همسانگرد و نامتناهی باشد، مکانیک نیوتنی با چالش‌های جدی روبرو می‌شود. برخی از ایرادات اصلی این کیهان‌شناسی عبارتند از:

1. چگالی جهان برابر با صفر: بر اساس اصل همسانگردی، شتاب گرانشی باید صفر باشد، زیرا وجود شتاب گرانشی در یک جهت خاص، خلاف اصل همسانگردی است. در نتیجه، طبق معادله پواسن (نسخه دیفرانسیلی قانون گرانش نیوتن)، چگالی جهان دقیقاً صفر خواهد بود. اما در واقعیت، چگالی جهان هرچند بسیار کم، اما صفر نیست.
2. میدان گرانشی بی‌نهایت: اگر ماده به‌طور یکنواخت در تمام نقاط فضای نامتناهی توزیع شده باشد، مکانیک نیوتنی منجر به وجود میدان گرانشی بی‌نهایت می‌شود. شتاب گرانشی در این حالت با شعاع جهان متناسب است و ازآنجاکه شعاع جهان نامتناهی است، میدان گرانشی نیز بی‌نهایت خواهد بود.
3. سرعت نامحدود انتقال اثرات گرانشی: در مکانیک نیوتنی، انتقال اثرات گرانشی با سرعت نامحدود انجام می‌شود، که حتی در زمان خود نیوتن نیز قابل‌قبول نبود.
4. سرعت فراتر از نور: در مکانیک نیوتنی، می‌توان با اعمال نیرو به جسمی، سرعت آن را به فراتر از سرعت نور رساند. اما بعدها مشخص شد که سرعت نور، سرعت حدی جهان است.
5. عدم ناوردایی تحت تبدیلات لورنتس: قوانین مکانیک نیوتنی تنها در یک دستگاه مطلق و در سرعت‌های پایین معتبرند و در سرعت‌های بالا قادر به توصیف رفتار گرانشی ماده نیستند.
6. جهان نیوتنی نامتناهی و ایستا: چنین جهانی فاقد تعادل است و حتی کوچک‌ترین اختلال، تعادل آن را برهم زده و منجر به انقباض گرانشی یا انفجار و انبساط سریع می‌شود.
7. پارادوکس اولبرس: در سال ۱۸۲۶، اولبرس این پرسش را مطرح کرد که چرا آسمان شب تاریک است؟ با فرض همگنی، همسانگردی و نامتناهی بودن جهان، باید در هر جهت به ستاره‌ای ختم شود و آسمان همیشه روشن باشد. اما واقعیت چنین نیست، که این موضوع چالشی برای مکانیک نیوتنی ایجاد می‌کند.

ایرادات مطرح‌شده نشان‌دهنده محدودیت‌های مکانیک نیوتنی در توضیح ویژگی‌های جهان است و زمینه را برای پیشرفت نظریه‌های جدید، مانند نسبیت عام اینشتین، فراهم کرد.