Über ein Jahrhundert lang blieb eine bizarre Vorhersage von Einsteins spezieller Relativitätstheorie – der Terrell-Penrose-Effekt – rein theoretisch. Dieser Effekt legt nahe, dass Objekte, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, nicht komprimiert (gemäß der Lorentz-Kontraktion), sondern rotiert erscheinen würden. Jetzt haben Forscher dieses Phänomen erstmals im Labor nachgewiesen und damit eine seit langem bestehende Eigenart der relativistischen Physik bestätigt.
Von Science Fiction zur wissenschaftlichen Realität
Das Experiment entstand aus einem Gedanken, der durch H.G. Wells‘ Erzählung „The New Accelerator“ aus dem Jahr 1901 ausgelöst wurde, in der er sich ein Medikament vorstellte, das die Zeit verlangsamt. Die Forscher fragten sich, ob eine solche Verlangsamung relativistische Effekte offenbaren könnte, insbesondere den Terrell-Penrose-Effekt, der bisher nur in Simulationen existierte. Der Durchbruch gelang durch die Zusammenarbeit mit dem SEEC-Projekt, das sich auf die Visualisierung der Lichtbewegung und den Einsatz ultraschneller Fotografie zur effektiven „Verlangsamung“ der scheinbaren Lichtgeschwindigkeit konzentrierte.
Warum der Terrell-Penrose-Effekt wichtig ist
Die Verwirrung ergibt sich aus zwei Schlüsselkonzepten: der Lorentz-Kontraktion (Objekte schrumpfen bei hoher Geschwindigkeit) und dem Terrell-Penrose-Effekt (Objekte erscheinen stattdessen gedreht). In frühen theoretischen Arbeiten von Physikern wie Anton Lampa und Hendrik Lorentz wurde diskutiert, ob diese Effekte überhaupt sichtbar sein würden. Später berechneten Roger Penrose und James Terrell unabhängig voneinander, dass die Kontraktion nicht direkt beobachtet werden würde; Stattdessen würden leichte Laufzeitunterschiede die Illusion einer Rotation erzeugen. Diese scheinbar kontraintuitive Vorhersage blieb bisher unbestätigt.
Das Experiment: Nachahmung relativistischer Geschwindigkeiten
Das Team verwendete einen gepulsten Laser, der Licht in Pikosekundenstößen aussendet, und eine ultraschnelle Kamera, die Bilder in nur 300 Pikosekunden aufnehmen kann. Indem sie bei ihrer Bewegung schnell „Scheiben“ von Objekten – einer Kugel und einem Würfel – aufnahmen, ahmten sie die bei nahezu Lichtgeschwindigkeit zu erwartenden Verzerrungen nach. Der Schlüssel lag im Timing: Jedes Bild fing das Licht zu einem etwas anderen Zeitpunkt ein und erzeugte so einen Zeitraffereffekt.
Um sicherzustellen, dass der Effekt sichtbar ist, haben die Forscher die Objekte absichtlich entlang der Bewegungsrichtung komprimiert. Ohne diesen Schritt hätte die Dehnung die Rotation aufgehoben. Die Kugel wurde mit 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt, während der Würfel mit 80 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt wurde. Die resultierenden Bilder bestätigten den Terrell-Penrose-Effekt: Beide Objekte erschienen gedreht, was den theoretischen Vorhersagen entsprach. Der Würfel wies außerdem eine hyperbolische Krümmung an seinen Kanten auf, ein Detail, das 1970 von Ramesh Bhandari vorhergesagt wurde.
Implikationen und zukünftige Forschung
Dieses Experiment bestätigt nicht nur eine jahrhundertealte Vorhersage, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Erforschung der Relativitätstheorie. Forscher schlagen vor, dass ähnliche Techniken Zeitdilatation, Sternaberration und sogar Einsteins Gedankenexperimente zur Gleichzeitigkeit testen könnten. Durch die künstliche Reduzierung der Lichtgeschwindigkeit durch schnelle Bildgebung haben sie die relativistische Physik effektiv ins Labor gebracht und Science-Fiction in beobachtbare Realität verwandelt.
Der Erfolg unterstreicht die Kraft der Kombination fortschrittlicher Technologie mit theoretischer Neugier. Dieses Experiment beweist, dass die Relativitätstheorie auch nach mehr als einem Jahrhundert der Forschung weiterhin Überraschungen bereithält.
