物理学家首次捕获物体以99.9%光速运动的视觉幻象

物理学家首次模拟出以近光速运动的物体视觉形象 —— 这种被称为“特雷尔-彭罗斯效应”的光学幻象，通过超快激光脉冲与特殊相机得以实现。该实验看似违背爱因斯坦狭义相对论，实则印证了其精妙之处。

根据狭义相对论，高速运动物体应在运动方向上发生收缩，即洛伦兹收缩现象。这一效应已在粒子对撞机实验中得到间接证实。但1959年数学家罗杰·彭罗斯与物理学家詹姆斯·特雷尔指出，持相机观测者实际看到的并非压扁的物体。由于物体各部位反射光线抵达相机的时间差，观测者将看到物体发生旋转。

尽管此前已有理论模型阐释这种被称为“特雷尔-彭罗斯效应”的幻象，但本次研究首次在实验室环境中成功复现。研究团队在《通讯-物理学》期刊发表了这项成果。

“最令我赞叹的是实验的简洁性，”论文第一作者、维也纳技术大学量子物理学家多米尼克·霍诺夫告诉媒体，“运用巧思，我们能在小型实验室重现相对论效应。这证明即使历经百年预测，仍能以直观方式赋予理论生命。”

幻象重构之道

研究中，物理学家运用超快激光脉冲与选通相机，对以近光速“运动”的立方体与球体进行瞬态捕捉。成像结果显示物体发生旋转，从而验证了特雷尔-彭罗斯效应。

但如同所有研究，本实验亦面临挑战。霍诺夫解释道：“根据爱因斯坦理论，物体运动越快，其有效质量越大。接近光速时所需能量呈几何级增长。”目前人类无法使宏观物体达到近光速，“这就是为什么即便仅将电子加速至近光速，也需要巨型粒子对撞机。那需要天文数字的能量。”

研究团队另辟蹊径，采用精妙替代方案。“我们能够模拟视觉效果，”霍诺夫表示。他们以边长约1米的立方体为样本，向其发射持续300皮秒（百亿分之三秒）的超短激光脉冲，随后用仅在瞬间开启的选通相机捕捉反射光，每次生成一个薄层“切片”。

每次采集后，他们将立方体前移4.8厘米 —— 这相当于物体以80%光速在脉冲间隔内移动的距离。最终科学家将所有切片合成为运动立方体的瞬态图像。“当整合所有切片时，物体看似在极速飞驰，尽管它始终未曾移动，”霍诺夫说，“归根结底，这只是几何学的魔力。”

在球体实验中，每步移动6厘米以模拟99.9%光速。合成图像显示：立方体呈现旋转形态，球体则产生可窥见侧后方的视觉错觉。

“这种旋转并非物理真实，”霍诺夫强调，“这是光学幻象。光线同步抵达的几何结构欺骗了我们的视觉。”

这正是特雷尔-彭罗斯效应不与狭义相对论冲突的原因：高速运动物体确实在物理层面发生收缩，但相机无法直接记录此现象。由于物体后端光线比前端延迟抵达，最终成像会产生使物体看似旋转的偏移。

“进行数值模拟时，几何模型呈现的精妙令人惊叹，”霍诺夫感慨道，“当它在图像中真实显现时，我们激动不已。”

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！