Открытие сверхсветового разлета радиокомпонентов квазаров вызвало оживленную дискуссию. Какие же скорости и почему могут превышать скорость света?

        Подавляющее большинство читателей самым решительным образом ответит на этот вопрос отрицательно. В наш просвещенный век  мы с ранних лет слышим о том, что согласно теории относительности не может быть скорости больше скорости света. Однако это утверждение, вообще говоря, несправедливо. Дело в том, что нужно указать точно, о какой скорости идет речь.
        В последнее время повышенный интерес проявляется к обнаруженным два года назад объектам, видимое движение которых происходит со скоростями, намного превышающими скорость света. В июле 1971 года в американском журнале «Science» была опубликована статья группы радиоастрономов из Массачусетского технологического института, в которой сообщались результаты радиоинтерферометрических наблюдений квазара 3С 279. Этот объект состоит из двух одинаковых, почти точечных компонентов. Расстояние между ними в проекции на картинную плоскость (плоскость, перпендикулярную лучу зрения и проходящую через источник) увеличилось за четыре месяца наблюдений примерно на 3,3 световых года. Открытие было сенсационным! С Земли можно видеть лишь проекцию расстояний на картинную плоскость, но даже эта составляющая расстояния между компонентами возрастала со скоростью, в десять раз превышающей скорость света.
        Оказалось, однако, что этот феномен имеет вполне естественное объяснение, в основе которого лежит эффект, известный и раньше. Его можно понять, не прибегая к математическому аппарату специальной теории относительности, а используя только элементарные физические представления. Немного позже мы  рассмотрим физику этого явления. Но сначала ответим на вопрос, какие же скорости и почему могут превышать скорость света. Что говорит об этом специальная теория относительности? Напомним коротко, как обстоит дело.
        Специальная теория относительности описывает пространственно-временные соотношения в инерциальных системах отсчета. В основе теории лежат два постулата:
        1. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (специальный принцип относительности);
        2. Существует фундаментальная константа С = (2,9979250+-0,0000010)*10^10 см/сек такая, что если в одной инерциальной системе отсчета сигнал распространяется со скоростью С, то и в любой другой инерциальной системе отсчета этот сигнал тоже распространяется со скоростью С.
        Тот факт, что свет в вакууме распространяется именно со скоростью С, никак не вытекает из специальной теории относительности, а является следствием другой теории – электродинамики. Если бы оказалось, что скорость света в вакууме не равна С, то специальная теория относительности от этого нисколько не пострадала бы.
        Из специальной теории относительности следует, что одна инерциальная система не может двигаться относительно другой со скоростью, большей или равной С. Однако это ограничение для систем отсчета не распространяется на частицы, с которыми нельзя связать системы отсчета, что ясно уже из факта существования частиц (фотоны, нейтрино и другие), движущихся со скоростью, равной С.
        Формальный аппарат специальной теории относительности никак не противоречит существованию гипотетических частиц, называемых «тахионами», которые движутся со скоростью, большей С. Однако здесь на сцену выходит принцип причинности. Из формулы для преобразования скоростей в теории относительности следует: если скорость частицы больше С в одной инерциальной системе, то она будет больше С в любой другой инерциальной системе, причем всегда существует такая система, в которой скорость тахиона обращается в бесконечность. Это означало бы установление причинно-следственной связи между одновременными событиями. Однако события А и В, одновременные в некоторой системе отсчета, окажутся, как известно, неодновременными в другой системе отсчета. Более того, если в одной системе отсчета событие В наступает после А, то найдется и такая система отсчета, в которой событие В происходит раньше А. Такая пара событий называется «пространственноподобной». Существование причинно-следственной связи между такими событиями, как легко видеть, противоречит принципу причинности поскольку в этом случае причина и следствие могут поменяться местами. Таким образом, согласно принципу причинности, причинно-следственная связь может осуществляться только между событиями, которые не могут оказаться одновременными ни в одной системе отсчета. Такая пара событий называется «времениподобной».
        Вопрос о границах применимости принципа причинности мы обсуждать не будем, поскольку он выходит далеко за рамки этой статьи. В настоящее время принцип причинности в макромире сомнению не подвергается, хотя вопрос о возможности существования тахионов всё ещё обсуждается в физической литературе, распространение сигнала быстрее света считается невозможным.
    Однако скорости, которые не связаны с передачей информации, могут сколь угодно превышать скорость света. Напомним два хорошо известных примера. Первый носит условное название «ножницы». Представим себе два твердых стержня, скрещенных под углом . Один из них покоится, другой движется перпендикулярно своей оси со скоростью V. Точка их пересечения перемещается со скоростью Vо = V/sin. Легко видеть, что для любого V можно сделать  настолько малым, что Vо будет превышать С. Но поскольку с точкой пересечения не передается информация, то возможно Vо > C ничему не противоречит.
        Второй пример известен под названием «световой зайчик». Направим луч прожектора на удаленный экран, имеющий форму сферы, в центре которой находится прожектор. Если мы достаточно быстро вращаем прожектор, то освещенное пятно перемещается по экрану с неограниченно большой скоростью. Ясно, однако, что «зайчик» не может переносить никакой информации с одного места экрана на другое.
        Вернемся теперь к эффекту сверхсветового разлета компонентов, обнаруженному у кавзара 3С 279. Прежде чем выводить формулы, описывающие этот эффект, нужно понять его физический смысл. Рассмотрим источник коротких импульсов света, который движется к наблюдателю со скоростью, близкой к световой. Раз в секунду (по неподвижным относительно наблюдателя часам, расставленным на пути источника) он испускает импульс света в сторону наблюдателя. Из-за того, что каждый следующий импульс испускается ближе к наблюдателю, чем предыдущий, наблюдатель будет видеть вспышки чаще, чем раз в секунду. Если скорость источника  приближается к световой, то, поскольку источник лишь немного отстает от своего излучения, частота вспышек для наблюдателя неограниченно возрастает, хотя импульсы по-прежнему испускаются раз в секунду по неподвижным часам. Заметим, что это не есть эффект Доплера в строгом смысле слова, так как мы не переходим в систему отсчета источника. Таким образом, всё, что происходит с источником, наблюдатель видит в ускоренном темпе. Если источник движется под небольшим углом к лучу зрения, то наблюдателю будет казаться, что источник перемещается перпендикулярно лучу зрения гораздо быстрее, чем это происходит на самом деле. Кажущаяся скорость поперечного движения может сколь угодно превышать световую, в то время как истинная скорость движения источника остается меньше скорости света.
        Переведем наши рассуждения на более строгий язык формул. Пусть источник испускает в точке А импульс света в сторону наблюдателя. Двигаясь далее со скоростью V < С под углом  к лучу зрения (см. рисунок), источник испускает в точке В второй импульс через время дt после первого. Насколько позже придет к наблюдателю импульс В, чем импульс А? К моменту испускания импульса В импульс А успел пройти расстояние АА' = Сдt и находился ближе к наблюдателю, чем только что испущенный импульс В на отрезок
        дD = АА' - AB cos = Сдt - Vдt cos.
        Этот промежуток между импульсами в дальнейшем сохраняется, так что импульс В придет к наблюдателю после импульса А через время
        дtнабл = дD/С = дt[1 - (V/С) cos].
За это время источник сместился в картинной плоскости на расстояние
        AB sin = дt sin.
Поэтому кажущаяся наблюдателю скорость перемещения источника в картинной плоскости равна:
        Vнабл = AB sin/дtнабл = V sin/[1 - (V/С) cos].
        Источник, движущийся под малым углом  к лучу зрения, может иметь кажущуюся наблюдателю скорость перемещения в картинной плоскости, сколь угодно большую скорости света, хотя истинная скорость движения источника всегда меньше световой.
        Чтобы убедиться в том, что Vнабл может сколь угодно превышать С, преобразуем знаменатель полученного выражения:
        Vнабл = V sin/{[1 - (V/C)] + (V/C)(1 - cos)}.
Когда V стремится к С, мы можем пренебречь в знаменателе первым членом по сравнению со вторым. Делая элементарные тригонометрические преобразования, получаем:
        Vнабл = С ctg(/2).
Эта величина стремится к бесконечности при , стремящемся к нулю. Нужно подчеркнуть, что истинная скорость источника в системе отсчета наблюдателя не превышает скорости света.
        Вероятно, в тех квазарах, где наблюдается сверхсветовой разлет радиокомпонентов, излучающие облака плазмы, были выброшены из ядра с ультрарелятивистской скоростью под малым углом к лучу зрения. Нужно сказать, что существуют и другие объяснения кажущегося сверхсветового разлета компонентов в квазарах. Однако окончательного выбора пока сделать нельзя, так как мы ещё точно не знаем, что представляет собой квазар и связанные с ним радиоисточники.