Этот эффект описывает, как необычно выглядели бы для нас объекты, например, космический корабль, движущийся со скоростью, близкой к световой.
Недавний эксперимент позволил наглядно продемонстрировать предсказание, сделанное более 60 лет назад и известное как эффект Пенроуза-Террелла. Оно касается того, как мы воспринимаем объекты, мчащиеся со скоростями, сопоставимыми со скоростью света.
Когда объекты – для простоты представим себе космический корабль – приближаются к световой скорости, начинают происходить поистине странные вещи. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, наблюдатель, следящий за пролетающим мимо кораблем, увидит его более коротким, чем в состоянии покоя.
«Представьте, что мимо нас проносится ракета со скоростью девяносто процентов от скорости света, — поясняет профессор Петер Шаттшнайдер из Венского технического университета (TU Wien). — Для нас её визуальная длина будет уже не такой, какой она была до старта, а в 2,3 раза меньше».
При этом для самого корабля его собственная длина останется неизменной, а вот наблюдатель, то есть вы, покажется ему сжатым. Это явление, как и замедление времени, — общепризнанная часть специальной теории относительности Эйнштейна. Однако были предсказаны и другие эффекты, в том числе кажущееся вращение объектов, пролетающих мимо друг друга на релятивистских скоростях.
Одно из таких предсказаний, сделанное Джеймсом Терреллом и Роджером Пенроузом в 1959 году, гласит: объекты, не обладающие идеальной сферической симметрией (в отличие от сферы с её замечательной вращательной симметрией), будут казаться наблюдателю развернутыми.
«Показано, что если видимые направления объектов нанести как точки на сферу, окружающую наблюдателя, то преобразование Лоренца соответствует конформному преобразованию на поверхности этой сферы. Таким образом, при достаточно малом телесном угле объект будет выглядеть — оптически — одинаковой формы для всех наблюдателей.
Сфера будет сфотографирована с точно таким же круглым контуром, независимо от того, неподвижна она или движется относительно камеры, — объяснял Террелл в одной из своих статей 1959 года на эту тему. — Объект с меньшей симметрией, чем сфера, например, метровая линейка, при быстром движении относительно наблюдателя будет казаться претерпевшим вращение, а не сжатие».
Согласно их работам, в случае со сферой такое сжатие или вращение сфотографировать невозможно.
«Если бы вы захотели сфотографировать ракету в полете, вам пришлось бы учесть, что свет от разных её точек добирается до камеры за разное время», — разъяснил Шаттшнайдер.
«На первый взгляд этот результат может показаться парадоксальным. Например, можно было бы подумать, что для удаленной сферы, движущейся перпендикулярно линии, соединяющей её центр с наблюдателем, уплощение в направлении движения, безусловно, будет заметно, — объясняли Пенроуз и Террелл в другой статье 1959 года. — Поскольку касательные от наблюдателя к уплощенной сфере почти одинаковой длины, может показаться, что конечная скорость света здесь не имеет значения».
«Однако свет, который, по мнению наблюдателя, исходит от передней части сферы, покидает сферу позже, в системе отсчета наблюдателя, чем тот, который, кажется, исходит от задней части. Фактически, свет от задней части достигает наблюдателя из-за сферы, что возможно, поскольку сфера постоянно уходит с его пути. Таким образом, длина изображения сферы в направлении движения больше, чем можно было бы ожидать, так что если бы не уплощение, сфера казалась бы вытянутой».
Хотя сферы и будут выглядеть сферическими, казалось бы, что их полюс сместился, словно их повернули. Этот эффект проще объяснить на примере куба, и именно с кубом новая команда исследователей попыталась наглядно продемонстрировать это явление, используя сверхкороткие лазерные импульсы и высокоскоростную камеру.
«Мы перемещали куб и сферу по лаборатории и с помощью высокоскоростной камеры записывали лазерные вспышки, отраженные от разных точек этих объектов в разное время, — рассказали Виктория Хельм и Доминик Хорноф, студенты, проводившие эксперимент. — Если правильно подобрать время, можно создать ситуацию, которая даст те же результаты, как если бы скорость света не превышала 2 метров в секунду (примерно 7,2 км/ч)».
Представьте себе полую кубическую конструкцию, движущуюся с невообразимой скоростью, или, наоборот, медленно движущийся куб, испускающий невероятно медленные световые волны. Если два фотона света — один от передней грани куба, другой от задней — одновременно попадают вам в глаза, это означает, что они были испущены в немного разное время, причем фотон от задней грани был испущен раньше.
«Из-за этого нам кажется, будто куб повернулся», — добавил Шаттшнайдер.
«Последовательность лазерных импульсов направляется на объект, а отраженный свет улавливается камерой со стробированием, — уточняют исследователи в своей статье. — Задержка Δt между лазерными импульсами и экспозицией сканируется, эффективно выявляя движение импульсного света по статичному объекту. Хитрость визуализации релятивистского движения заключается в смещении объекта на расстояние, которое он прошел бы за время задержки Δt».
Используя эту установку, команда получила визуализацию того, что мы увидели бы, если бы куб двигался со скоростью 80% от скорости света, а сфера — со скоростью 99,9% от скорости света.
«Мы объединили отдельные кадры в короткие видеоролики сверхбыстрых объектов. Результат полностью совпал с нашими ожиданиями, — сказал Шаттшнайдер. — Куб выглядит искривленным, сфера остается сферой, но её Северный полюс оказывается в другом месте».
Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.
Читайте также: Массовое заблуждение: реальная причина, по которой мы не можем превысить скорость света
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.