Al meer dan een eeuw is een bizarre voorspelling van Einsteins speciale relativiteitstheorie – het Terrell-Penrose-effect – puur theoretisch gebleven. Dit effect suggereert dat objecten die de snelheid van het licht naderen, niet gecomprimeerd lijken (volgens de Lorentz-contractie), maar geroteerd. Nu hebben onderzoekers dit fenomeen voor het eerst in een laboratoriumomgeving gedemonstreerd, wat een al lang bestaande eigenaardigheid van de relativistische fysica bevestigt.
Van sciencefiction naar wetenschappelijke realiteit
Het experiment kwam voort uit een gedachte die werd aangewakkerd door het verhaal van H.G. Wells uit 1901, ‘The New Accelerator’, waarin een medicijn werd voorgesteld dat de tijd vertraagde. Onderzoekers vroegen zich af of een dergelijke vertraging relativistische effecten aan het licht zou kunnen brengen, met name het Terrell-Penrose-effect, dat alleen in simulaties bestond. De doorbraak kwam tot stand door samenwerking met het SEEC-project, gericht op het visualiseren van de beweging van licht, en het gebruik van ultrasnelle fotografie om de schijnbare snelheid van licht effectief te ‘vertragen’.
Waarom het Terrell-Penrose-effect belangrijk is
De verwarring komt voort uit twee sleutelconcepten: Lorentz-contractie (objecten die met hoge snelheid krimpen) en het Terrell-Penrose-effect (objecten lijken in plaats daarvan geroteerd). In vroeg theoretisch werk van natuurkundigen als Anton Lampa en Hendrik Lorentz werd gedebatteerd over de vraag of deze effecten überhaupt zichtbaar zouden zijn. Later berekenden Roger Penrose en James Terrell onafhankelijk van elkaar dat de contractie niet direct zou worden waargenomen; in plaats daarvan zouden verschillen in de reistijd van het licht de illusie van rotatie creëren. Deze ogenschijnlijk contra-intuïtieve voorspelling bleef tot nu toe niet geverifieerd.
Het experiment: relativistische snelheden nabootsen
Het team gebruikte een gepulseerde laser, die licht uitstraalde in picoseconden, en een ultrasnelle camera die beelden kon vastleggen in slechts 300 picoseconden. Door snel “plakken” van objecten – een bol en een kubus – te nemen terwijl ze bewogen, bootsten ze de vervormingen na die verwacht werden bij een snelheid van bijna het licht. De sleutel was de timing: elk beeld ving licht op van een iets ander moment, waardoor een time-lapse-effect ontstond.
Om er zeker van te zijn dat het effect zichtbaar was, hebben de onderzoekers de objecten opzettelijk samengedrukt in de bewegingsrichting. Zonder deze stap zou de verlenging de rotatie teniet hebben gedaan. De bol werd met 99,9% van de lichtsnelheid bewogen, terwijl de kubus met 80% van de lichtsnelheid werd bewogen. De resulterende beelden bevestigden het Terrell-Penrose-effect: beide objecten leken geroteerd, wat overeenkwam met theoretische voorspellingen. De kubus vertoonde ook een hyperbolische kromming aan de randen, een detail dat in 1970 werd voorspeld door Ramesh Bhandari.
Implicaties en toekomstig onderzoek
Dit experiment valideert niet alleen een eeuwenoude voorspelling, maar opent ook nieuwe wegen voor het bestuderen van de relativiteitstheorie. Onderzoekers suggereren dat soortgelijke technieken tijdsdilatatie, stellaire aberratie en zelfs Einsteins gedachte-experimenten over gelijktijdigheid zouden kunnen testen. Door de snelheid van het licht kunstmatig te verlagen door middel van snelle beeldvorming, hebben ze op effectieve wijze de relativistische natuurkunde in het laboratorium gebracht, waardoor sciencefiction in een waarneembare realiteit is veranderd.
Het succes benadrukt de kracht van het combineren van geavanceerde technologie met theoretische nieuwsgierigheid. Dit experiment bewijst dat de relativiteitstheorie nog steeds verrassingen biedt, zelfs na meer dan een eeuw onderzoek.
