Виктор Комаров - Новая занимательная астрономия

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.

Общеизвестно, что мир, в котором мы живем, трехмерен. Окружающее нас пространство обладает тремя измерениями — длиной, шириной и высотой.

Ну, а если бы наш мир имел больше трех измерений? Как повлияло бы «лишнее» измерение на течение различных физических процессов?..

Рис. 20. Воображаемые двумерные существа.

На страницах современных научно-фантастических произведений довольно часто можно встретиться с почти мгновенным преодолением огромных космических расстояний с помощью так называемой «нуль-транспортировки» или перехода через «гиперпространство», или «подпространство», или «надпространство».

Что имеют в виду фантасты? Ведь хорошо известно, что максимальной скоростью, с которой могут перемещаться любые реальные тела, является скорость света в пустоте, и то практически она недостижима. О каких же «скачках» через миллионы и сотни миллионов световых лет может идти речь? Разумеется, идея эта — фантастическая. Однако в ее основе лежат довольно интересные физико-математические соображения.

Начнем с того, что представим себе одномерное существо-точку, живущее в одномерном пространстве, т. е. на прямой линии. В этом «тесном» мире имеются только одно измерение — длина и только два возможных направления — вперед и назад.

У двумерных воображаемых существ, «плоскатиков», возможностей значительно больше. Они уже могут перемещаться в двух измерениях, в их мире помимо длины есть еще и ширина. Но они точно так же не способны выйти в третье измерение, как и существа-точки не могут «выпрыгнуть» за пределы своей прямой линии. Одномерные и двумерные обитатели в принципе могут прийти к теоретическому заключению о возможности существования большего числа измерений, но путь в следующее измерение для них закрыт.

По обе стороны от плоскости расположено трехмерное пространство, в котором обитаем мы, трехмерные существа, неведомые для двумерного жителя, заключенного в свой двумерный мир: ведь даже видеть он может только в пределах своего пространства. Ввиду этого о существовании трехмерного мира и его обитателей двумерный житель мог бы узнать только в том случае, если бы какой-нибудь человек, к примеру, проткнул плоскость пальцем. Но и тогда двумерное существо могло бы наблюдать только двумерную область соприкосновения между пальцем и плоскостью. Вряд ли этого было бы достаточно, чтобы сделать какие-то заключения о «потустороннем», с точки зрения двумерного жителя, трехмерном пространстве и его «таинственных» обитателях.