Книга: Новая занимательная астрономия

Быстрее света?

Быстрее света?

Распространено мнение, что теория относительности не допускает сверхсветовых скоростей. Так ли это? Могут ли вообще с точки зрения современной теории существовать в природе скорости, превосходящие скорость света? Вот как отвечает на этот интересный вопрос А. Л. Зельманов.

Действительно, с точки зрения теории относительности существует некоторая фундаментальная скорость с, которая является наибольшей возможной скоростью распространения каких-либо силовых взаимодействий. В чем же ее физический смысл?

Дело в том, что величина скорости, с которой один и тот же объект движется по отношению к различным системам отсчета, вообще говоря, не одинакова. По отношению к одной системе объект может покоиться, по отношению к другой — двигаться с небольшой скоростью, по отношению к третьей — с большой. В механике Ньютона есть такая скорость, величина которой одинакова по отношению ко всем системам отсчета, — но это бесконечно большая скорость. Такая скорость лишь предел. Любой реальный объект может перемещаться только с конечной скоростью. Однако в механике Ньютона скорость движения тел в принципе может быть как угодно велика.

В теории относительности тоже есть случай, когда величина скорости не зависит от выбора системы отсчета. Это бывает тогда, когда тело движется со скоростью, равной по величине фундаментальной.

Таким образом, фундаментальная скорость теории относительности — аналог бесконечно большой скорости механики Ньютона.

С точки зрения теории относительности любые перемещения масс и энергии, любая передача силовых взаимодействий могут происходить только со скоростями, не превосходящими фундаментальную.

Существуют объекты, обладающие массой покоя, не равной нулю, — они движутся только со скоростями меньше фундаментальной, и объекты, у которых масса покоя равна нулю (фотоны и нейтрино), — они могут двигаться только с фундаментальной скоростью.

И все же, как это ни покажется странным и парадоксальным, могут существовать скорости, превосходящие фундаментальную. Одним из примеров такой скорости может служить скорость перемещения светового зайчика по стене. Его можно заставить двигаться с любой сколь угодно большой скоростью. Но это всего лишь скорость перемещения освещенного места на поверхности стены — никакого движения вещества или передачи взаимодействия с такой скоростью при этом не происходит.

Теперь попытаемся уточнить, что такое вообще скорость движения какого-либо объекта. Это — всегда скорость движения по отношению к определенной системе отсчета. Более того, по отношению к той точке этой системы, через которую объект в данный момент проходит. Говорить о скорости движения объекта по отношению к какой-либо другой точке, которая находится на некотором расстоянии, или по отношению к другому объекту, существовавшему в иную эпоху, строго говоря, не имеет смысла.

Что же в таком случае представляет собой скорость движения какой-либо галактики по отношению к земному наблюдателю? Очевидно, такое понятие тем более лишено смысла, так как мы разобщены и в пространстве и во времени.

О какой же скорости в таком случае все же можно говорить? Только о скорости движения галактики по отношению к какой-либо определенной системе отсчета, охватывающей и ту область и ту эпоху, в которой существуем мы, и ту область и ту эпоху, в которой находилась галактика в момент выхода светового луча. Но подобную систему отсчета можно построить различными способами. Среди возможных вариантов выберем такую систему, по отношению к которой наша собственная скорость равна нулю. Тогда скорость остальных галактик будет, очевидно, зависеть от того, деформируется ли наша система отсчета с течением времени, и если деформируется, то как именно. Естественно было бы выбрать «жесткую», недеформирующуюся систему отсчета. Но это невозможно, так как в результате взаимного удаления галактик изменяется плотность распределения масс, а вследствие этого — и геометрия пространства.

Попробуем в таком случае выбрать систему отсчета, которая не деформируется хотя бы в радиальных направлениях от той точки, в которой мы сами находимся. В однородной изотропной Вселенной это возможно. По отношению к такой системе отсчета скорости движения галактик отличны от нуля и по величине всегда меньше фундаментальной. И эти скорости, очевидно, являются вместе с тем скоростями изменения расстояний между удаляющимися галактиками и точкой, в которой находимся мы.

Но в теории удобнее пользоваться деформирующейся системой отсчета, сопутствующей расширяющейся системе галактик, т. е. такой системой отсчета, в которой скорости всех галактик равны нулю (если пренебречь сравнительно небольшими скоростями беспорядочных движений). В сопутствующей системе отсчета расстояния между галактиками меняются не вследствие их перемещений относительно этой системы, а благодаря деформации (расширению) самой системы отсчета.

Эти скорости изменения расстояний между галактиками могут оказаться, подобно скорости перемещения зайчика по стене, и больше фундаментальной.

Но они отнюдь не являются скоростями движения каких-либо материальных объектов.

Однако при этом как будто бы возникает совершенно парадоксальная ситуация. Получается, что в первой системе отсчета скорости изменения расстояний между галактиками всегда меньше фундаментальной, а во второй системе такие же скорости могут быть и больше фундаментальной.

Но это противоречие кажущееся. Дело в том, что и расстояние между двумя любыми объектами, и скорость его изменения — это величины, зависящие от системы отсчета.