Ученые впервые наблюдали эффект Террелла-Пенроуза, подтверждая теорию Эйнштейна
Физикам впервые удалось продемонстрировать эффект Террелла–Пенроуза, из-за которого объект, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, кажется искривлённым. Результаты исследования, проведённого совместно учёными из Венского технического университета (TU Wien) и Венского университета, подтверждают ключевое предсказание теории относительности, впервые сделав видимым оптическую иллюзию релятивистского движения.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, объекты, движущиеся с околосветовой скоростью, подвергаются необычным эффектам, включая изменение длины и времени по сравнению с покоящимися телами. Многие из этих эффектов уже были подтверждены экспериментально, но предсказанный в 1959 году Джеймсом Терреллом и Роджером Пенроузом эффект видимого поворота объекта оставался ненаблюдаемым.
«Представьте, что мимо нас пролетает ракета со скоростью 90% от скорости света. Для нас её длина уже не такая, как до старта, а в 2,3 раза меньше», — пояснил профессор Петер Шаттшнайдер из TU Wien. Это явление, известное как лоренцево сокращение, невозможно запечатлеть напрямую из-за сложного взаимодействия света в таких условиях.
«Если попытаться сфотографировать пролетающую ракету, нужно учитывать, что свет от разных её точек достигает камеры за разное время», — добавил Шаттшнайдер.
Человеческое восприятие объекта не отражает его состояние в единый момент времени. Поскольку свет распространяется с постоянной скоростью, его лучи от более удалённых частей объекта должны быть испущены раньше, чем от ближних, чтобы достичь глаз наблюдателя одновременно. Обычно объекты движутся слишком медленно, чтобы эта разница влияла на восприятие, но при околосветовых скоростях она становится значимой, и объект кажется повёрнутым.
«В результате нам кажется, будто куб повернулся», — отметил Шаттшнайдер.
Эта кажущаяся ротация — следствие комбинации релятивистского сокращения длины и разного времени распространения света от разных точек объекта, как и предсказывали Террелл и Пенроуз.
Поскольку современные технологии не позволяют разогнать объект до таких скоростей, команда TU Wien воспроизвела эффект в лаборатории с помощью высокоскоростной камеры и коротких лазерных импульсов.
«Мы перемещали куб и сферу по лаборатории, а камера фиксировала отражённые лазерные вспышки от разных точек объектов в разное время», — объяснили студенты Виктория Хельм и Доминик Хорноф, проводившие эксперимент. «Если правильно подобрать время, можно создать условия, эквивалентные снижению скорости света до 2 метров в секунду».
Комбинируя снимки, сделанные в разных точках пространства и времени, исследователи смоделировали ситуацию, в которой свет движется крайне медленно, что позволило впервые визуализировать эффект Террелла–Пенроуза.
«Мы объединили кадры в короткие видео сверхбыстрых объектов. Результат полностью совпал с ожиданиями: куб выглядел перекошенным, а сфера оставалась сферой, но её северный полюс смещался», — подвёл итог Шаттшнайдер.
Исследование опубликовано в журнале .