Przez ponad sto lat dziwna przepowiednia szczególnej teorii względności Einsteina – efekt Terrella-Penrose’a – pozostawała czysto teoretyczna. Efekt ten sugeruje, że obiekty zbliżające się do prędkości światła nie będą wyglądać na ściśnięte (jak przewiduje skrócenie Lorentza), ale obrócone. Teraz badacze po raz pierwszy zademonstrowali to zjawisko w warunkach laboratoryjnych, potwierdzając wieloletnią cechę fizyki relatywistycznej.
Od science fiction do rzeczywistości naukowej
Eksperyment zrodził się z pomysłu zainspirowanego opowieścią „Nowy akcelerator” G.D. Wellsa z 1901 r., która wyobrażała sobie lek spowalniający czas. Naukowcy zastanawiali się, czy to spowolnienie może wykazywać efekty relatywistyczne, w szczególności efekt Terrella-Penrose’a, który istniał tylko w symulacjach. Przełom nastąpił dzięki współpracy z projektem SEEC mającym na celu wizualizację ruchu światła przy użyciu ultraszybkiej fotografii do skutecznego „spowalniania” pozornej prędkości światła.
Dlaczego efekt Terrella-Penrose’a ma znaczenie
Zamieszanie wynika z dwóch kluczowych pojęć: skurczu Lorentza (obiekty kurczą się przy dużych prędkościach) i efektu Terrella-Penrose’a (zamiast tego obiekty wydają się być obrócone). We wczesnych pracach teoretycznych fizyków takich jak Anton Lampa i Hendrik Lorentz debatowano, czy te efekty będą w ogóle widoczne. Roger Penrose i James Turrell później niezależnie obliczyli, że redukcja nie będzie bezpośrednio obserwowalna; zamiast tego różnica w czasie podróży światła stworzy iluzję rotacji. Ta pozornie sprzeczna z intuicją prognoza pozostała niepotwierdzona aż do chwili obecnej.
Eksperyment: symulacja prędkości relatywistycznych
Zespół wykorzystał laser impulsowy emitujący światło w impulsach pikosekundowych oraz ultraszybką kamerę zdolną do wykonywania zdjęć w zaledwie 300 pikosekund. Szybko tworząc „kawałki” poruszających się obiektów – kul i sześcianów, symulowali zniekształcenia oczekiwane przy prędkościach bliskich prędkości światła. Kluczowy był czas: każde zdjęcie uchwyciło światło w nieco innym momencie, tworząc efekt poklatkowy.
Aby efekt był widoczny, badacze celowo ściskali obiekty w kierunku ruchu. Bez tego kroku wydłużenie kompensowałoby obrót. Kula poruszała się z prędkością 99,9% prędkości światła, a sześcian z prędkością 80% prędkości światła. Powstałe obrazy potwierdziły efekt Terrella-Penrose’a: oba obiekty wyglądały na obrócone, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi. Sześcian wykazywał również hiperboliczną krzywiznę na krawędziach, cechę przewidzianą w 1970 roku przez Ramesha Bhandariego.
Implikacje i przyszłe badania
Eksperyment ten nie tylko potwierdza stuletnie przewidywania, ale także otwiera nowe możliwości studiowania teorii względności. Naukowcy sugerują, że podobnymi technikami można przetestować dylatację czasu, aberrację gwiazd, a nawet eksperymenty myślowe Einsteina dotyczące jednoczesności. Sztucznie spowalniając prędkość światła poprzez szybkie strzelanie, skutecznie przenieśli fizykę relatywistyczną do laboratorium, zamieniając fantastykę naukową w obserwowalną rzeczywistość.
Sukces podkreśla siłę łączenia najnowocześniejszej technologii z teoretyczną ciekawością. Eksperyment ten dowodzi, że teoria względności nadal zaskakuje, nawet po ponad stu latach badań.
