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维也纳的物理学家利用激光和照相机模拟慢光速，重现了爱因斯坦相对论中一种奇异的视觉错觉——特雷尔-彭罗斯效应。正如 60 多年前预测的那样，快速移动的立方体出现了扭曲。
光速下的相对论变得奇怪
当物体以非常非常快的速度运动，接近光速时，我们日常对空间和时间的理解就开始崩塌。这正是爱因斯坦狭义相对论的核心。物体在加速时，长度实际上会缩短，时间在它们身上的流动方式与在外部观察者看来不同。这听起来似乎有些不可思议，但无数实验已经证实了这一点。
但相对论中有一个令人费解的预言，至今仍未曾被观测到。它被称为特雷尔-彭罗斯效应。该效应认为，超高速物体不仅看起来更短，而且看起来还旋转了。早在1959年，物理学家詹姆斯·特雷尔和罗杰·彭罗斯就分别得出了这一结论。如今，维也纳的科学家们首次利用高速摄像机和激光脉冲，在一个巧妙的实验室装置中将光速减慢至每秒仅2米，成功地在视觉上重现了这一奇特的幻象。
速度越快，目光越短
“假设一枚火箭以光速的90%从我们身边呼啸而过。对我们来说，它的长度不再和发射前一样，而是缩短了2.3倍，”维也纳工业大学的Peter Schattschneider教授解释道。这就是相对论长度收缩，也称为洛伦兹收缩。
然而，这种收缩是无法拍摄的。“如果你想拍摄火箭飞过时的照片，你必须考虑到来自不同点的光线到达相机所需的时间不同，”彼得·沙特施奈德解释道。来自物体不同部位并同时到达镜头或我们眼睛的光线并非同时发射——这导致了复杂的光学效应。
特雷尔-彭罗斯效应：快速运动的物体看起来会旋转。图片来源：维也纳技术大学
相对论的幻觉：旋转的立方体
假设这个超高速物体是一个立方体。那么，它背对着我们的一面比朝向我们的一面更远。如果两个光子同时到达我们的眼睛，一个来自立方体的前角，一个来自后角，那么来自后角的光子传播得更远。所以它一定是在更早的时间发射的。而那时，立方体的位置与光从前角发射时的位置不同。
“这让我们感觉立方体好像在旋转，”彼得·沙特施奈德说道。这是相对论性长度收缩和光从不同点传播不同时间的共同作用。正如特雷尔和彭罗斯所预测的那样，这两者共同导致了明显的旋转。
当然，这在日常生活中无关紧要，即使是拍摄一辆速度极快的汽车也是如此。即使是最快的一级方程式赛车，在汽车背对着我们的一侧和面向着我们的一侧发出的光线之间的时间差内，也只会移动很小一部分距离。但当火箭以接近光速飞行时，这种效果将清晰可见。
在实验室中重现相对论
从技术上讲，目前不可能将火箭加速到可以在照片中看到这种效果的速度。然而，维也纳技术大学USTEM的Peter Schattschneider领导的团队找到了另一种受艺术启发的解决方案：他们使用极短的激光脉冲和高速摄像机在实验室中重现了这种效果。
“我们在实验室里移动一个立方体和一个球体，并用高速摄像机记录不同时间从这些物体不同点反射的激光闪光，”负责这项实验的两名学生维多利亚·赫尔姆和多米尼克·霍诺夫解释说。“如果时间安排得当，就能创造出一种与光速不超过每秒2米时产生相同结果的情况。”
将风景不同部分的图像组合成一张大图像很容易。这里首次引入了时间因素：在多个不同时间点拍摄物体。然后，将激光闪光照射的区域（假设光速仅为 2 米/秒，光线将从该点发射的瞬间）组合成一张静态图像。这使得特雷尔-彭罗斯效应得以显现。
“我们将这些静止图像合成了超高速物体的短视频片段。结果正如我们所料，”彼得·沙特施奈德说道。“立方体看起来扭曲了，球体仍然是球体，但北极却在另一个位置。”
当物理与艺术牵手
特雷尔-彭罗斯效应的演示不仅是一项科学成就，更是艺术与科学非凡共生的成果。其起点是艺术家埃纳尔·德·迪奥斯·罗德里格斯（Enar de Dios Rodriguez）的一项艺术与科学项目。几年前，他与维也纳大学和维也纳技术大学合作，探索了超快摄影及其由此产生的“光的缓慢性”的可能性。
该研究结果现已发表在《通讯物理学》杂志上，这一举措可能有助于我们更好地理解直觉上难以捉摸的相对论世界。
编译自/ScitechDaily
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