Обман зрения: как ученые «обогнали» свет в лаборатории

С помощью сверхкоротких лазерных импульсов и специальных камер ученые смоделировали оптическую иллюзию, которая, кажется, бросает вызов теории относительности Эйнштейна.

Согласно специальной теории относительности, быстро движущиеся объекты должны сжиматься в направлении движения — этот феномен известен как лоренцево сокращение. Он был подтвержден косвенно в экспериментах на ускорителях частиц.

Однако в 1959 году математик Роджер Пенроуз и физик Джеймс Террелл указали, что наблюдатель с камерой на самом деле не увидит сплюснутый объект. Из-за того, что свет от разных его частей достигает камеры в разное время, объект будет казаться развернутым.

Хотя предыдущие модели уже работали с этой иллюзией, названной эффектом Террелла-Пенроуза, впервые ее удалось воссоздать в условиях лаборатории. Результаты своей работы команда описала в журнале Communications Physics.

«Мне больше всего нравится простота эксперимента, — поделился Доминик Хорноф, квантовый физик из Венского технического университета и ведущий автор исследования. — Имея правильную идею, можно воссоздать релятивистские эффекты в маленькой лаборатории. Это доказывает, что даже столетние предсказания можно оживить очень наглядным способом».

Воссоздание иллюзии

В новом исследовании физики использовали сверхбыстрые лазерные импульсы и камеры с стробированием, чтобы получить «мгновенные снимки» куба и сферы, «движущихся» почти со скоростью света. На этих снимках объекты выглядели повернутыми, что и подтвердило истинность эффекта Террелла-Пенроуза.

Однако, как и в любом исследовании, не обошлось без трудностей. Разогнать любой объект до скоростей, близких к световой, на данный момент невозможно. «В теории Эйнштейна, чем быстрее что-то движется, тем больше увеличивается его эффективная масса. По мере приближения к скорости света требуемая энергия растет колоссально», — пояснил Хорноф. Мы не можем генерировать столько энергии, чтобы разогнать, например, куб, и «именно поэтому нам нужны огромные ускорители частиц, даже чтобы разогнать до таких скоростей электроны. Потребовалось бы гигантское количество энергии».

Поэтому команда использовала остроумную замену. «Мы можем сымитировать визуальный эффект», — сказал Хорноф. Они начали с куба со стороной около 1 метра. Затем они направили на объект сверхкороткие лазерные импульсы длительностью всего 300 пикосекунд (около одной десятой миллиардной доли секунды). Отраженный свет улавливала стробирующая камера, которая открывалась лишь на это мгновение, создавая каждый раз тонкий «срез».

После каждого среза куб «передвигали» вперед на 4,8 см — именно такое расстояние он преодолел бы, двигаясь со скоростью 80% от скорости света за время между импульсами. Затем ученые собрали все эти срезы в один снимок движущегося куба.

«Когда вы объединяете все срезы, объект выглядит так, будто мчится с невероятной скоростью, хотя на самом деле он вообще не двигался, — объяснил Хорноф. — В конечном счете, это просто геометрия».

Они повторили процесс со сферой, смещая ее на 6 см за шаг, чтобы имитировать 99,9% скорости света. Когда срезы объединили, куб казался повернутым, а у сферы создавалось ощущение, что можно заглянуть за ее боковую сторону.

«Поворот не является физическим, — подчеркнул Хорноф. — Это оптическая иллюзия. Наш глаз обманывает геометрия того, как свет достигает его одновременно».

Именно поэтому эффект Террелла-Пенроуза не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. Быстро движущийся объект физически сокращается вдоль направления движения, но камера не фиксирует это напрямую. Поскольку свет от задней части объекта добирается до камеры дольше, чем от передней, на снимке происходит смещение, из-за которого объект кажется развернутым.

«Когда мы проводили расчеты, мы были удивлены тем, как элегантно работала геометрия, — заключил Хорноф. — Увидеть это воплощенным в изображениях было поистине захватывающе».

Что дальше?

Этот эксперимент не только подтверждает давние теоретические выкладки, но и открывает новые возможности для моделирования релятивистских эффектов. В будущем подобные методы могут помочь визуализировать и другие сложные явления, например, то, как выглядели бы объекты вблизи черных дыр или в других экстремальных условиях, где законы относительности играют ключевую роль. И все это — в пределах лаборатории.