Po více než století zůstávala podivná předpověď Einsteinovy teorie speciální relativity – Terrell-Penroseův efekt – čistě teoretická. Tento efekt naznačuje, že objekty blížící se rychlosti světla se nebudou jevit jako stlačené (jak předpovídá Lorentzova kontrakce), ale otočené. Nyní výzkumníci poprvé prokázali tento jev v laboratorních podmínkách a potvrdili tak dlouhotrvající rys relativistické fyziky.
Od sci-fi k vědecké realitě
Experiment vznikl na základě nápadu inspirovaného příběhem G.D. Wellse „The New Accelerator“ z roku 1901, který si představoval lék, který by zpomalil čas. Vědci přemýšleli, zda toto zpomalení může vykazovat relativistické efekty, zejména Terrell-Penroseův efekt, který existoval pouze v simulacích. Průlom přinesla spolupráce s projektem SEEC na vizualizaci pohybu světla pomocí ultrarychlé fotografie k efektivnímu „zpomalení“ zdánlivé rychlosti světla.
Proč záleží na efektu Terrell-Penrose
Zmatek pramení ze dvou klíčových konceptů: Lorentzova kontrakce (objekty se zmenšují vysokou rychlostí) a Terrell-Penroseův efekt (objekty se místo toho jeví otočené). Rané teoretické práce fyziků jako Anton Lampa a Hendrik Lorentz debatovaly o tom, zda budou tyto efekty vůbec viditelné. Roger Penrose a James Turrell později nezávisle vypočítali, že snížení nebude přímo pozorovatelné; místo toho rozdíl v době průchodu světla vytvoří iluzi rotace. Tato zdánlivě kontraintuitivní předpověď zůstala až dosud nepotvrzená.
Experiment: Simulace relativistických rychlostí
Tým použil pulzní laser, který vysílá světlo v pikosekundových pulzech, a ultrarychlou kameru schopnou zachytit snímky za pouhých 300 pikosekund. Rychlým vytvářením „plátků“ objektů – koulí a krychlí – při jejich pohybu simulovali deformace očekávané při rychlostech blízkých rychlosti světla. Klíčové bylo načasování: každý snímek zachytil světlo v trochu jiném okamžiku a vytvořil tak efekt časosběru.
Aby byl efekt viditelný, vědci záměrně stlačovali předměty ve směru pohybu. Bez tohoto kroku by prodloužení kompenzovalo rotaci. Koule se pohybovala rychlostí 99,9 % rychlosti světla a krychle rychlostí 80 % rychlosti světla. Výsledné snímky potvrdily Terrell-Penroseův efekt: oba objekty vypadaly otočené, což je v souladu s teoretickými předpověďmi. Krychle také vykazovala hyperbolické zakřivení na svých hranách, což je rys, který v roce 1970 předpověděl Ramesh Bhandari.
Důsledky a budoucí výzkum
Tento experiment nejen potvrzuje stoletou předpověď, ale také otevírá nové možnosti pro studium teorie relativity. Vědci naznačují, že podobné techniky by mohly testovat dilataci času, hvězdnou aberaci a dokonce i Einsteinovy myšlenkové experimenty o simultánnosti. Umělým zpomalením rychlosti světla rychlou střelbou účinně přenesli relativistickou fyziku do laboratoře a proměnili sci-fi v pozorovatelnou realitu.
Úspěch zdůrazňuje sílu spojení špičkové technologie s teoretickou zvědavostí. Tento experiment dokazuje, že teorie relativity stále přináší překvapení i po více než století výzkumu.
