Эксперимент, По-Видимому, Подтверждает Умопомрачительный Эффект Пенроуза-Террелла, Предсказанный 66 Лет Назад

Эффект описывает странный способ, которым мы видим объекты, такие как космический корабль, движущийся со скоростью света.

Эксперимент визуализировал предсказание об объектах, движущихся со скоростью света, известное как эффект Пенроуза-Террелла, впервые сделанный более 60 лет назад.

Когда объекты приближаются к скорости света (назовем это космическим кораблем, для удобства), происходит несколько странных вещей. Согласно нашей лучшей классической модели Вселенной, наблюдатель, смотрящий на проходящий мимо космический корабль, увидит длину космического корабля короче.

"Предположим, что ракета пролетит мимо нас со скоростью девяносто процентов от скорости света", - объяснил в своем заявлении профессор Петер Шатшнайдер из TU Wien. «Для нас он больше не имеет той же длины, что и до взлета, но в 2,3 раза короче».

Между тем, космический корабль будет воспринимать свою собственную длину как нормальную и видеть его как вас, который был сокращен по длине.

Это, как и задление времени, является общепринятой частью теории специальной теории относительности Эйнштейна. Но были предсказаны и другие эффекты, включая очевидное вращение объектов, проходя друг от друга на релятивистской скорости. Одно из предсказаний, сделанное Джеймсом Терреллом и Роджером Пенроузом в 1959 году, заключается в том, что объекты, кроме сферы (с ее завидной вращательной симметрией), будут казаться повернутыми другому наблюдателю.

«Показано, что если видимые направления объектов построены в виде точек на сфере, окружающей наблюдателя, преобразование Лоренца соответствует конформному преобразованию на поверхности этой сферы. Таким образом, для достаточно малого подподлежанного сплошного угла объект будет выглядеть - оптически - одинаковой формы для всех наблюдателей. Сфера будет фотографироваться с точно таким же круглым контуром, будь то неподвижная или в движении по отношению к камере", - объяснил Террелл в одной из статей 1959 года на эту тему. «Объект с меньшей симметрией, чем сфера, например, измерительная палочка, будет казаться в быстром движении по отношению к наблюдателю, претерпев вращение, а не сокращение».

Согласно работам, это сокращение и вращение не могут быть сфотографированы сферой.

"Если бы вы хотели сфотографировать ракету, когда она пролетела мимо, вам пришлось бы принять во внимание, что свету из разных точек потребовалось разное время, чтобы добраться до камеры", - объяснил Шатшнайдер.

"Поначалу этот результат может показаться парадоксальным. Например, можно подумать, что для далекой сферы, движущейся перпендикулярно линии, соединяющей ее центр с наблюдателем, сглаживание в ее направлении движения, безусловно, будет очевидным, объяснили Пенроуз и Террелл в другой статье 1959 года.

"Поскольку касательные от наблюдателя к сплющенной сфере почти одинаковой длины, может показаться, что конечная скорость света здесь не имеет значения. Однако свет, который, кажется наблюдателю, исходит из ведущей части сферы, покидает сферу позже, в кадре наблюдателя, чем тот, который, кажется, исходит из задней части. На самом деле свет от задней части достигает наблюдателя из-за сферы, что он может сделать, так как сфера постоянно сходит со своего пути. Таким образом, длина изображения сферы в направлении движения больше, чем можно было бы ожидать, так что если бы не сплющение, сфера казалась бы удлиненной».

В то время как сферы будут выглядеть сферически, они будут казаться другим полюсом, как если бы он был повернут. Эффект легче объяснить с помощью куба, и именно с помощью куба новая команда попыталась визуализировать явление с помощью чрезвычайно коротких лазерных импульсов и высокоскоростной камеры.

"Мы переместили куб и сферу вокруг лаборатории и использовали высокоскоростную камеру для записи лазерных вспышек, отраженных из разных точек на этих объектах в разное время", - сказали Виктория Хелм и Доминик Хорноф, два студента, которые провели эксперимент. «Если вы правильно укажете время, вы можете создать ситуацию, которая даст те же результаты, как если бы скорость света была не более 2 метров в секунду [4,5 мили в час]».

Представьте себе полую кубическую структуру, движущуюся с абсурдной скоростью, или медленную версию этого куба, излучающую невероятно медленные волны света. Если два фотона света попали в глаза одновременно - один из передней части куба и один из задней части куба - это означает, что они были испущены в несколько разное время, при этом фотон из задней части куба излучался первым.

"Это заставляет нас выглядеть так, как будто куб был повернут", - добавил Шатшнайдер.

"Поезд лазерных импульсов направляется к объекту, и отраженный свет фиксируется с помощью закрытой камеры", - уточняет команда в своей статье. «Задержка Δt между лазерными импульсами и экспозицией сканируется, эффективно раскрывая движение импульсного света по статическому объекту. Хитрость визуализации релятивистского движения заключается в том, чтобы сместить объект на расстояние, на которое он будет двигаться в течение времени задержки Δt».

Используя настройку, команда создала визуализацию того, что мы увидим, если куб движется со скоростью 80 процентов от скорости света, а сфера со скоростью 99,9 процента от скорости света.

"Мы объединили неподвижные изображения в короткие видеоклипы сверхбыстрых объектов. Результат был именно таким, как мы ожидали", - сказал Шатшнайдер. «Куб кажется скрученным, сфера остается сферой, но Северный полюс находится в другом месте».