Когато един обект се движи изключително бързо – близо до скоростта на светлината – някои основни предположения, които приемаме за даденост, вече не важат. Това е централното следствие от Специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн. Тогава обектът има различна дължина, отколкото когато е в покой, и времето за него тече различно, отколкото в лабораторията. Всичко това е многократно потвърждавано в експерименти.
Едно интересно следствие от теорията на относителността обаче все още не е наблюдавано – така нареченият ефект на Теръл-Пенроуз. През 1959 г. физиците Джеймс Теръл и Роджър Пенроуз (Нобелов лауреат през 2020 г.) независимо един от друг стигат до заключението, че бързо движещите се обекти трябва да изглеждат завъртени. Този ефект обаче никога не е бил демонстриран.
Сега, сътрудничество между Виенския технологичен университет (TU Wien) и Виенския университет успява за първи път да възпроизведе ефекта, използвайки лазерни импулси и прецизни камери – при ефективна скорост на светлината от 2 метра в секунда. Изследването е публикувано в списание Communications Physics.
Скъсяването на дължините
"Да предположим, че ракета прелита покрай нас със скорост от 90% от скоростта на светлината. За нас тя вече няма същата дължина, както преди излитането, а е 2,3 пъти по-къса", обяснява проф. Петер Шатшнайдер (Peter Schattschneider) от ТУ Виена. Това е релативистичното свиване на дължината, известно още като свиване на Лоренц.
Това скъсяване обаче не може да бъде фотографирано.
"Ако искате да направите снимка на ракетата, докато прелита, ще трябва да вземете предвид, че на светлината от различните точки на обекта ѝ трябва различно време, за да достигне до камерата", обяснява Шатшнайдер.
Светлината, идваща от различни части на обекта и достигаща едновременно до лещата или окото ни, не е била излъчвана едновременно – и това води до сложни оптични ефекти.
Кубът е привидно завъртян
Нека си представим, че свръхбързият обект е куб. Тогава страната отзад, спрямо нас, е по-далеч от страната, обърната към нас. Ако два фотона достигнат окото ни едновременно, единият от предния ъгъл на куба, а другият от задния, фотонът от задния ъгъл е изминал по-голямо разстояние. Така че той трябва да е бил излъчен по-рано. И по това време кубът не е бил в същата позиция, както когато светлината е била излъчена от предния ъгъл.
Релативистично движение на куб. Кредит: Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02003-6
"Това ще накара кубът да изглежда сякаш е бил завъртян", обяснява Шатшнайдер. Това е комбинация от релативистично свиване на дължината и различното време за пътуване на светлината от различни точки. Заедно това води до привидно завъртане, както е предсказано от Теръл и Пенроуз.
Разбира се, това е без значение в нашето ежедневие, дори когато снимаме изключително бърза кола. Дори най-бързата кола от Формула 1 ще измине съвсем малка част от разстоянието във времевата разлика между светлината, излъчвана от задната и от предната страна на колата. Но с ракета, движеща се със скорост, близка до скоростта на светлината, този ефект би бил ясно видим.
Номерът с ефективната скорост на светлината
Технически, в момента е невъзможно да се ускорят ракети до скорост, при която този ефект може да се види на снимка. Екипът, ръководен от Петер Шатшнайдер, обаче намира друго решение, вдъхновено от изкуството: те използват изключително кратки лазерни импулси и високоскоростна камера, за да пресъздадат ефекта в лаборатория.
"Движихме куб и сфера из лабораторията и използвахме високоскоростна камера, за да запишем лазерните светкавици, отразени от различни точки върху тези обекти в различно време", обясняват изследователите, провели експеримента. "Ако уцелите правилно времето, можете да създадете ситуация, която дава същите резултати, както ако скоростта на светлината не е повече от 2 метра в секунда."
Лесно е да се комбинират изображения на различни части от пейзажа в едно голямо изображение. Това, което е направено тук за първи път, е включването на фактора време: обектът се снима в много различни моменти. След това областите, осветени от лазерната светкавица в момента, в който светлината би била излъчена от тази точка, ако скоростта на светлината е само 2 м/сек, се комбинират в едно неподвижно изображение. Това прави ефекта на Теръл-Пенроуз видим.
"Комбинирахме неподвижните изображения в кратки видеоклипове на ултрабързите обекти. Резултатът бе точно това, което очаквахме", разказва Шатшнайдер. "Кубът изглежда усукан, сферата си остава сфера, но Северният ѝ полюс е на различно място."
Когато изкуството и науката си помагат взаимно
Демонстрацията на ефекта на Теръл-Пенроуз е не само научен успех, но и резултат от изключителна симбиоза между изкуство и наука. Отправната точка е проект между изкуство и наука на художника Енар де Диос Родригес, който преди няколко години, в сътрудничество с Виенския университет и Виенския технологичен университет, изследва възможностите на ултрабързата фотография и произтичащата от това "бавност на светлината".
Резултатите могат да ни помогнат да разберем малко по-добре интуитивно неуловимия свят на относителността.
Справка: Dominik Hornof et al, A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02003-6
Източник: A snapshot of relativistic motion: Special relativity made visible, Vienna University of Technology
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Бешката
Трогателна среща в Москва на командирите на Союз и Аполо 40 години след скачването
dolivo
Нова храна за медоносните пчели, заместваща прашеца, дава надежда за оцеляването им
dolivo
Психеделици, сексуалност и себепознание: Какво разкрива първото проучване
dolivo
Полетът на Starliner до МКС през 2024 г. е бил много по-драматичен, отколкото знаем (видео)