物理学家终于看到物体加速到99.9%光速的样子

它没有缩短，反而转起来了！

你可能会想起在中学课本上学到的相对论，当物体以近光速运动时，它的长度会缩短，这一现象早已被各种各样的物理实验证实。所以你大概会认为，如果有一个立方体从你面前以近光速经过，而你的视力又恰巧非常好，你应该会看到这个立方体在运动方向上被压扁了。

科学家首次在实验室中模拟拍摄出物体以0.8倍光速运动的样子。图片来源：原论文

但事实并非如此。狭义相对论确实表明物体在以光速运动时会发生“尺缩效应”，但这并不意味着这些物体“看上去”会缩短。相对论尺缩效应(洛伦兹收缩)依赖测量的同时性，但我们看到物体外貌的并不是物体本身，而是同时抵达我们眼中的光线。

当物体以近光速运动时，物体运动的速度和光线本身的速度接近。这会导致我们某一时刻看到的光线，是物体的不同部分在不同位置发出的，这会扭曲我们看到的图像。这种扭曲能在数学上精确抵消尺缩效应，让我们最终看到的物体没有压缩，而且就像扭转了一样。

1959年，英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和美国科学家詹姆斯·特雷尔(James Terrell)又独立预测了这种效应，并让更多人意识到了这一点。因此，这种现象被称为特雷尔-彭罗斯效应(Terrell-Penrose effect)。

立方体以不同速度运动时(c为光速)，尺缩效应(左)和它看起来的样子(右)。当观测者看到立方体后侧的光线时，他看到的来自立方体前方的光线实际上是立方体运动到更前方时发出的。这会导致立方体看起来就像旋转了一样。图片来源：Stigmatella aurantiaca/wikipedia

球体以不同速度运动时(c为光速)，尺缩效应(左)和它看起来的样子(右)。特雷尔-彭罗斯效应会导致它看起来就像旋转了一样。图片来源：Prokaryotic Caspase Homolog/wikipedia

不过，后来人们发现，这种现象其实早就有人讨论过。最早是在1924年，奥地利物理学家安东·兰帕(Anton Lampa)就讨论了这种现象。而在人类发现这一现象差不多100年之后的今天，终于有科学家通过实验观测到了这种现象。

模拟光速运动

为了直观观测到物体的扭转，实验必须使用宏观物体而非微观粒子进行。但很显然，目前人类没有任何手段将宏观物体加速到接近光速——如果真的有人能做到这一点，那简直就是《三体》中的“光粒”。所以，科学家只能在实验室中模拟以光速运动的物体。

今年 5 月，一篇发表在《通讯物理》(Communications Physics)上的论文表示，科学家使用超短激光脉冲和超高速摄影技术，制作出光线的定格动画，模拟出了物体以0.8倍光速(0.8c)、0.999倍光速(0.999c)运动时，它看起来的样子。

在实验的设置上，他们使用持续时间1皮秒(1秒=10¹² 皮秒)的超短激光照亮物体，并同时在激光器旁边架设超高速摄像机给物体拍照。拍照时，研究团队将曝光时间限制到了400皮秒，在这样短的时间内，光只能传播12厘米。因为这些光线是从摄像机旁边的激光器发出，经过物体反射才抵达摄像机，所以他们拍出的照片实际上是物体在视线方向上厚6厘米的切片。

实验设置情况。图片来源：原论文

通过调整激光发射的时间偏移，研究团队可以拍到物体不同位置的6厘米切片。以下图(a)为例，研究人员可以使用这种方法，拍摄出物体从A到C的多个切片，每个切片厚度为6厘米。

图片来源：原论文

接着，研究人员将被拍摄的物体横向移动4.8厘米，再重复上述的切片拍摄。不断重复这个过程，他们就得到了物体在不同位置的大量切片拍摄图片。接着，他们还需要将这些切片以特定顺序组合成我们某一时刻看上去的样子。

以上图为例，我们可以将物体在初始位置位于最远端的切片(C端)，和物体在下一个位置，但距离镜头更近的相邻切片组合在一起。接着，将多个位置的不同切片照片按这样的顺序切片组合起来，我们就得到了物体以0.8倍光速运动的定格照片(4.8/6=0.8)。

将物体在不同位置(横轴j)拍摄的不同切片照片(纵轴i，数字按从远到近排列)按错位方式组合成同一帧(S₀、S₁……)，再将这些帧组合成连续的视频，研究人员就能模拟出物体以近光速运动的视频。图片来源：原论文

研究团队按照这种方式制作出了多张照片，并将照片组合成视频。视频每秒播放30帧，光在相邻切片之间传播的距离为6厘米，这相当于他们视频中的模拟光速仅有1.8米/秒。就算视频中的立方体移动速度仅有1.44米/秒，也相当于视频中光速的0.8倍。

模拟立方体以0.8c运动的样子。图片来源：原论文

极限光速

接着，研究团队还将一个圆盘几乎侧对着摄像机，模拟圆盘以0.999c运动时的尺缩效应，并用上面拍摄立方体的方式，模拟拍摄了圆盘以0.999c运动的图像。

模拟极端光速时，圆盘侧对着摄像机。图片来源：原论文

结果显示，就算物体因为极端接近光速的运动，发生了严重的尺缩效应，它看起来也是一个完整的圆。原本侧对着摄像机的圆盘，因为特雷尔-彭罗斯效应就像转了过来一样，正面面向摄像机。

模拟圆盘以0.999c运动的样子，开始多余的部分为支撑结构。拍摄时圆盘侧对摄像机，但在最终图像中它却像转过来了一样。图片来源：原论文

你有猜到光速世界的样子吗？