Как выглядит объект, движущийся со скоростью света? Учёные впервые сфотографировали его

Когда объект движется с экстремальной скоростью, близкой к скорости света (c), правила нашего повседневного восприятия перестают действовать.

Это центральное следствие специальной теории относительности Альберта Эйнштейна: длина объекта сокращается, и время для него течёт иначе.

Хотя эти явления были многократно экспериментально подтверждены, одно любопытное следствие оставалось незамеченным: так называемый эффект Террелла-Пенроуза.

В 1959 году физики Джеймс Террелл и Роджер Пенроуз (лауреат Нобелевской премии 2020 года) независимо друг от друга пришли к выводу, что объекты, движущиеся с высокой скоростью, должны не только казаться короче, но и повёрнутыми.

Совместная работа Венского технического университета (TU Wien) и Венского университета доказала это.

Куб, который, кажется, вращается

«Представьте, что мимо нас пролетает ракета со скоростью, составляющей 90 процентов скорости света. Для нас её длина уже не будет такой же, как до взлёта, а в 2,3 раза короче», — объясняет профессор Петер Шатшнайдер из Венского технического университета. Это явление известно как лоренцево сокращение. Однако сфотографировать это сокращение не так-то просто.

«Если вы хотите сфотографировать пролетающую ракету, вам придётся учитывать, что свет из разных точек доходит до камеры за разное время», — добавляет профессор.

Свет, достигающий наших глаз одновременно из разных частей объекта, испускается не одновременно, что создаёт сложные оптические эффекты.

Представим, что объект — куб. Свет из дальнего угла куба доходит до нас дольше, чем свет из переднего. Следовательно, чтобы оба достигли нас одновременно, свет из дальнего угла должен был излучаться раньше.

В этот более ранний момент куб находился в немного ином положении. «Из-за этого кажется, будто куб вращается», — говорит Шатшнайдер. Именно это сочетание сокращения длины и разного времени прохождения света и создаёт кажущееся вращение, предсказанное Терреллом и Пенроузом.

Секрет: эффективное замедление света

Технически невозможно разогнать макроскопический объект до скорости, при которой этот эффект будет заметен. Однако команда Шатшнайдера нашла решение, вдохновлённое искусством: они использовали сверхкороткие лазерные импульсы и высокоскоростную камеру, чтобы воссоздать эффект в лабораторных условиях.

«Мы перемещали куб и сферу и использовали высокоскоростную камеру для записи лазерных вспышек, отражённых от разных точек этих объектов в разное время», — объясняют Виктория Хельм и Доминик Хорноф, два студента, проводивших эксперимент.

«Если правильно настроить время, можно создать ситуацию, которая даст те же результаты, что и при скорости света не более 2 метров в секунду».

Метод заключается в сшивании множества тонких срезов отражённого света.

Команда фотографировала объект в несколько моментов времени, а затем объединяла области, освещённые лазером в тот самый момент, когда свет испускался бы, если бы скорость с составляла всего 2 м/с.

В результате получается единое неподвижное изображение, на котором виден эффект Террелла-Пенроуза.

«Мы объединили неподвижные изображения сверхбыстрых объектов в короткие видеоклипы. Результат оказался именно таким, как мы и ожидали», — говорит Шатшнайдер.

«Куб выглядит искривлённым, сфера остаётся сферой, но её северный полюс находится в другом месте».

Эта демонстрация — не только научный успех, но и результат симбиоза искусства и науки, поскольку проект зародился в результате сотрудничества с художником Энаром де Диосом Родригесом. Результаты, опубликованные в журнале Communications Physics , помогают нам лучше понять зачастую противоречивый мир теории относительности.

источник