Более столетия странное предсказание специальной теории относительности Эйнштейна – эффект Террелла-Пенроуза – оставалось чисто теоретическим. Этот эффект предполагает, что объекты, приближающиеся к скорости света, не будут казаться сжатыми (как предсказывает сокращение Лоренца), а повернутыми. Теперь исследователи впервые продемонстрировали это явление в лабораторных условиях, подтвердив давнюю особенность релятивистской физики.
От Научной Фантастики к Научной Реальности
Эксперимент возник из идеи, вдохновлённой рассказом Г.Д. Уэллса 1901 года «Новый Ускоритель», в котором воображался препарат, замедляющий время. Исследователи задались вопросом, не могло ли такое замедление проявить релятивистские эффекты, в частности эффект Террелла-Пенроуза, существовавший лишь в симуляциях. Прорыв произошёл благодаря сотрудничеству с проектом SEEC, направленным на визуализацию движения света, и использованию сверхбыстрой фотографии для эффективного «замедления» кажущейся скорости света.
Почему Эффект Террелла-Пенроуза Имеет Значение
Смущение возникает из-за двух ключевых концепций: сокращения Лоренца (объекты сжимаются на высоких скоростях) и эффекта Террелла-Пенроуза (объекты кажутся повернутыми вместо этого). Ранние теоретические работы физиков, таких как Антон Лампа и Хендрик Лоренц, спорили о том, будут ли эти эффекты вообще видимы. Позже Роджер Пенроуз и Джеймс Террелл независимо рассчитали, что сокращение не будет наблюдаться напрямую; вместо этого разница во времени прохождения света создаст иллюзию вращения. Это кажущееся контринтуитивным предсказание оставалось неподтверждённым до сих пор.
Эксперимент: Имитация Релятивистских Скоростей
Команда использовала импульсный лазер, излучающий свет в пикосекундных импульсах, и сверхбыструю камеру, способную снимать изображения всего за 300 пикосекунд. Быстро делая «срезы» объектов – сферы и куба – по мере их движения, они имитировали искажения, ожидаемые при скоростях, близких к скорости света. Ключевым был момент времени: каждое изображение фиксировало свет в немного отличающийся момент, создавая эффект ускоренной съёмки.
Чтобы эффект был виден, исследователи намеренно сжали объекты в направлении движения. Без этого шага удлинение компенсировало бы вращение. Сфера двигалась со скоростью 99,9% от скорости света, а куб – со скоростью 80% от скорости света. Полученные изображения подтвердили эффект Террелла-Пенроуза: оба объекта казались повернутыми, что соответствовало теоретическим предсказаниям. Куб также продемонстрировал гиперболическую кривизну на своих рёбрах, деталь, предсказанную в 1970 году Рамешем Бхандари.
Последствия и Будущие Исследования
Этот эксперимент не только подтверждает вековое предсказание, но и открывает новые возможности для изучения теории относительности. Исследователи предполагают, что аналогичные методы могут проверить замедление времени, звездную аберрацию и даже мысленные эксперименты Эйнштейна о одновременности. Искусственно уменьшая скорость света с помощью быстрой съёмки, они эффективно внесли релятивистскую физику в лабораторию, превратив научную фантастику в наблюдаемую реальность.
Успех подчеркивает силу сочетания передовых технологий с теоретическим любопытством. Этот эксперимент доказывает, что теория относительности продолжает преподносить сюрпризы даже спустя более чем столетие исследований.
