Більше століття дивне передбачення спеціальної теорії відносності Ейнштейна – ефект Террелла-Пенроуза – залишалося суто теоретичним. Цей ефект припускає, що об’єкти, що наближаються до швидкості світла, не здаватимуться стиснутими (як передбачає скорочення Лоренца), а повернутими. Тепер дослідники вперше продемонстрували це явище у лабораторних умовах, підтвердивши давню особливість релятивістської фізики.
Від Наукової Фантастики до Наукової Реальності
Експеримент виник з ідеї, натхненної оповіданням Г.Д. Уеллса 1901 року «Новий Прискорювач», у якому уявлявся препарат, що уповільнює час. Дослідники поцікавилися, чи не могло таке уповільнення проявити релятивістські ефекти, зокрема ефект Террелла-Пенроуза, що існував лише в симуляціях. Прорив стався завдяки співпраці з проектом SEEC, спрямованим на візуалізацію руху світла, і використанню надшвидкої фотографії для ефективного «уповільнення» швидкості світла, що здається.
Чому Ефект Террелла-Пенроуза має значення
Збентеження виникає через дві ключові концепції: скорочення Лоренца (об’єкти стискаються на високих швидкостях) та ефект Террелла-Пенроуза (об’єкти здаються повернутими замість цього). Ранні теоретичні роботи фізиків, таких як Антон Лампа та Хендрік Лоренц, сперечалися про те, чи будуть ці ефекти взагалі видимими. Пізніше Роджер Пенроуз та Джеймс Террелл незалежно розрахували, що скорочення не спостерігатиметься безпосередньо; натомість різниця у часі проходження світла створить ілюзію обертання. Це здається контрінтуїтивним передбачення залишалося непідтвердженим досі.
Експеримент: Імітація Релятивістських Швидкостей
Команда використовувала імпульсний лазер, що випромінює світло в пікосекундних імпульсах, і надшвидку камеру, здатну знімати зображення всього за 300 пікосекунд. Швидко роблячи «зрізи» об’єктів – сфери та куба – у міру їхнього руху, вони імітували спотворення, очікувані при швидкостях, близьких до швидкості світла. Ключовим був момент часу: кожне зображення фіксувало світло в момент, що трохи відрізняється, створюючи ефект прискореної зйомки.
Щоб ефект було видно, дослідники навмисно стиснули об’єкти у напрямі руху. Без цього кроку подовження компенсувало б обертання. Сфера рухалася зі швидкістю 99,9% швидкості світла, а куб – зі швидкістю 80% швидкості світла. Отримані зображення підтвердили ефект Террелла-Пенроуза: обидва об’єкти здавалися повернутими, що відповідало теоретичним прогнозам. Куб також продемонстрував гіперболічну кривизну на своїх ребрах, деталь, передбачену в 1970 Рамеш Бхандарі.
Наслідки та Майбутні дослідження
Цей експеримент як підтверджує вікове передбачення, а й відкриває нові можливості вивчення теорії відносності. Дослідники припускають, що аналогічні методи можуть перевірити уповільнення часу, зоряну аберацію і навіть уявні експерименти Ейнштейна про одночасність. Штучно зменшуючи швидкість світла за допомогою швидкої зйомки, вони ефективно внесли релятивістську фізику в лабораторію, перетворивши наукову фантастику на реальність, що спостерігається.
Успіх підкреслює силу поєднання передових технологій із теоретичною цікавістю. Цей експеримент доводить, що теорія відносності продовжує подавати сюрпризи навіть більш ніж через століття досліджень.
