Швидше за фундаментальну швидкість?!

Поширена думка, що теорія відносності не допускає надсвітлових швидкостей. Чи так це? Чи можуть існувати в природі швидкості, швидші за фундаментальну швидкість світла? Справді, з погляду теорії відносності існує певна фундаментальна швидкість c, яка є найбільшою можливою при поширенні будь-яких силових взаємодій. У чому її фізичний сенс?

Справа в тому, що величина швидкості, з якою той самий об'єкт рухається по відношенню до різних систем відліку, взагалі кажучи, не однакова. По відношенню до однієї системи об'єкт може лежати, по відношенню до іншої - рухатися з невеликою швидкістю, по відношенню до третьої - з великою. У механіці Ньютона є така швидкість, величина якої однакова по відношенню до всіх систем відліку, але це нескінченно велика швидкість. У механіці Ньютона швидкість руху тіл у принципі може бути як завгодно велика.

У теорії відносності теж є випадок, коли величина швидкості залежить від вибору системи відліку. Це буває тоді, коли тіло рухається зі швидкістю, яка дорівнює за величиною фундаментальній. Таким чином, фундаментальна швидкість теорії відносності – аналог нескінченно великої швидкості у механіці Ньютона.

І все ж, як це здасться дивним і парадоксальним, можуть існувати швидкості, які перевершують фундаментальну. Одним із прикладів такої може бути швидкість переміщення світлового зайчика по стіні. Його можна змусити рухатися з будь-якою великою швидкістю. Але це лише швидкість переміщення освітленого місця на поверхні стіни – жодного руху речовини чи передачі взаємодії з такою швидкістю при цьому не відбувається.

Тепер спробуємо уточнити, що таке взагалі швидкість руху якогось об'єкта. Це завжди швидкість руху по відношенню до певної системи відліку. Понад це, відносно тієї точки системи, яку об'єкт зараз проходить. Говорити про швидкість руху об'єкта стосовно будь-якої іншої точки, яка знаходиться на деякій відстані, або стосовно іншого об'єкта, що існував в іншу епоху, строго кажучи, не має сенсу.

Що ж у такому разі є швидкість руху якої-небудь галактики по відношенню до земного спостерігача? Вочевидь, таке поняття тим паче позбавлене сенсу, оскільки ми роз'єднані у просторі й часі. Про яку ж швидкість у такому разі все ж таки можна говорити? Тільки про рух галактики по відношенню до якоїсь певної системи відліку, що охоплює і ту область і ту епоху, в якій ми існуємо, і ту область і ту епоху, в якій знаходилася галактика в момент виходу світлового променя. Але подібну систему відліку можна побудувати у різний спосіб. Серед можливих варіантів виберемо таку систему, стосовно якої власна швидкість дорівнює нулю. Тоді швидкість інших галактик, очевидно, залежатиме від того, чи наша система відліку деформується з плином часу, і якщо деформується, то як саме. Природно було б вибрати "жорстку" систему відліку, що не деформується. Але це неможливо, тому що в результаті взаємного віддалення галактик змінюється густина розподілу мас, а внаслідок цього – геометрія простору.

Спробуємо у такому разі вибрати систему відліку, яка не деформується хоча б у радіальних напрямках від тієї точки, де ми самі знаходимося. В однорідному і ізотропному Всесвіті це можливо. Відносно такої системи відліку швидкості руху галактик відмінні від нуля і за величиною завжди менше фундаментальної. І вони, очевидно, є водночас швидкостями зміни відстаней між віддаленими галактиками, що віддаляються і точкою, в якій ми знаходимося. Але в теорії зручніше користуватися системою відліку, що деформується, супутньою системі галактик, які розширюються, тобто такою системою відліку, в якій швидкості всіх галактик рівна нулю (якщо знехтувати порівняно невеликими швидкостями безладних рухів). У супутній системі відліку відстані між галактиками змінюються не внаслідок їх переміщень щодо цієї системи, а завдяки деформації (розширенню) самої системи відліку. Ці швидкості зміни відстаней між галактиками можуть виявитися, подібно до швидкості переміщення зайчика по стіні, більші від фундаментальної швидкості. Але вони не є швидкостями руху будь-яких матеріальних об'єктів. Однак при цьому начебто виникає парадоксальна ситуація. Виходить, що в першій системі відліку швидкості зміни відстаней між галактиками завжди менші від фундаментальної, а в другій системі такі ж швидкості можуть бути і більшими за фундаментальну. Але це протиріччя тільки здається. Справа в тому, що і відстань між двома будь-якими об'єктами, і швидкість його зміни - це величини, що залежать від системи відліку.