爱因斯坦“翻车”了？科学家首次“拍到”99.9%光速物体

这个可能有点烧脑，但我希望这篇文章能让你看明白。

我们是不是都被骗了？相机拍到的以接近光速飞行的物体，根本不是爱因斯坦理论中那个被压扁的样子，而是一个旋转的“幻影”。

这项堪称“视觉魔术”的实验，首次在实验室里捕捉到了这个被预言了60多年的神秘现象，它不仅让我们对相对论有了全新的直观认识，更可能为观测那些曾经只存在于思想实验中的物理奇观打开了一扇大门。该研究成果已于2025年5月1日发表在《自然》旗下子刊《通讯物理学》上。

你是否想过，一个物体以99.9%的光速从你眼前飞过会是什么样？

根据我们从教科书里学到的知识——爱因斯坦的狭义相对论，答案似乎很明确：它会在运动方向上被“压扁”，也就是著名的“洛伦兹收缩”或尺缩效应。一个球体会变成一个橄榄球，一个立方体会变成一个“砖块”。这个概念，就像时间会变慢一样，早已成为相对论的标志性符号。

然而，早在1959年，两位物理学界的大神——罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和詹姆斯·特雷尔（James Terrell）就提出了一个惊人的观点：洛伦兹收缩是真实的物理效应，但你的眼睛或相机，绝对看不到一个被压扁的物体。

这怎么可能？物理上被压扁了，我们却看不见？难道是我们的眼睛出了问题？

不，出问题的不是眼睛，而是光。一张“快照”的本质，是捕捉在同一时刻到达相机的所有光子。对于一个高速飞行的三维物体，从它后端发出的光，需要比前端发出的光多走一段距离才能到达你的相机。

当物体接近光速时，这点微小的时间差就变得至关重要。就在后端的光奋力“追赶”前端的光时，物体本身已经向前窜了一大截！

于是，一个奇妙的现象就发生了：光的这种“延迟”效应，恰好补偿了物理上的“压扁”效应，最终呈现在你视网膜上的，不是一个收缩的物体，而是一个看起来被旋转了的物体！

一个高速飞行的球，看起来依然是个球；

而一个立方体，则会展现出你本来看不到的侧面，仿佛它转了个身让你看一样。

这个理论，被称为“特雷尔-彭罗斯效应”，简直就是相对论里的一个史诗级彩蛋。但60多年来，它一直只是个“传说”。毕竟，谁能把一个一米长的立方体加速到光速的80%呢？要知道，即便是驱动一颗电子到接近光速，都需要动用巨大的粒子加速器。

“既然无法让物体真的飞起来，那就让‘光’飞起来好了。” 维也纳大学的这群科学家们脑洞大开。

他们设计了一个绝妙的“骗局”。

第一步：光之切片。他们用仅有300皮秒（一秒的一万亿分之三百）的超短激光脉冲去照射一个静止的立方体。同时，用一个同样只能在瞬息之间开合的“门控相机”去捕捉反射光。每一次拍摄，都只能拍下光走过特定距离后反射回来的一个极薄的“光切片”。

第二步：手动位移。每拍完一个“切片”，他们就把立方体向前移动4.8厘米。这个距离经过了精确计算，正好等于一个以80%光速运动的立方体，在两次激光脉冲的间隔时间内飞过的距离。

第三步：合成电影。他们不断重复这个过程，就像在制作一部定格动画，最终将所有不同位置拍摄到的“光切片”按照时间顺序组合起来，一张前所未有的“相对论快照”就诞生了。

“当你把所有切片组合起来，这个物体看起来就像在以不可思议的速度飞驰，尽管它其实从未真正移动过，”该研究的第一作者多米尼克·霍诺夫（Dominik Hornof）解释道，“说到底，这其实是个几何游戏。”

结果令人震撼。

在最终合成的照片中，那个物理上被压缩成0.6倍厚度的“砖块”，看起来真的像一个完美的立方体被旋转了一个角度，露出了它本应被遮挡的侧面。

而那个被模拟成以99.9%光速飞行的球体，也依然保持着完美的球形，甚至能让你窥见它“后脑勺”的景象。

眼见不一定为实，尤其是在光速的舞台上，连几何学都给你耍了个花招。这项实验用一种极其直观的方式告诉我们：物理真实（洛伦兹收缩）和视觉真实（特雷尔旋转）是两回事。你的身体若真的在高速飞行，会感受到挤压；但你的眼睛，却只能看到一场华丽的旋转。

所以，爱因斯坦并没有翻车，尺缩效应是真的，只是我们根本看不到！

参考文献：

Hornof, D., Helm, V., de Dios Rodriguez, E. et al. A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect.Commun Phys8, 161 (2025).