У 1924 році фізик Антон Лампа припустив, що об’єкт, який рухається зі швидкістю світла, на фотографії виглядатиме не просто стиснутим, а… повернутим. Через десятиліття цю ідею незалежно розвинули Роджер Пенроуз і Джеймс Террелл. Але лише тепер дослідникам вдалося експериментально показати цей дивовижний ефект.
Йдеться про так званий ефект Террелла–Пенроуза — явище спеціальної теорії відносності, яке описує, як насправді виглядав би об’єкт, що рухається майже зі швидкістю світла.
Чому об’єкт «обертається», а не стискається?
Згідно зі спеціальною теорією відносності, об’єкти, що рухаються з надвисокими швидкостями, зазнають лоренцівського скорочення — тобто стискаються у напрямку руху. Здавалося б, саме це ми й мали б побачити на фотографії.
Але є нюанс: світло від різних точок об’єкта доходить до камери не одночасно. Якщо, наприклад, повз нас пролітає куб із майже світловою швидкістю, світло від його заднього краю має пройти довший шлях, ніж від переднього. У результаті зображення складається з «шматочків» різного часу — і об’єкт виглядає повернутим.
Інакше кажучи, замість однієї спотвореної грані куба ми бачимо дві сторони й ребро між ними — ніби куб трохи провернули.
Як сфотографувати те, що неможливо побачити?
Проблема в тому, що швидкість світла — 299 792 458 метрів за секунду. Навіть у найпотужніших прискорювачах частинок неможливо просто «навести камеру» й зробити знімок частинки в русі.
Команда дослідників із Віденського центру квантової науки і технологій (TU Wien) та Віденського університету пішла іншим шляхом. Вони використали імпульсний лазер і надшвидку зйомку, щоб розбити зображення на безліч тонких «світлових зрізів», а потім зібрати їх докупи — подібно до панорамного режиму смартфона.
Фактично вчені «уповільнили» світло до приблизно 2 метрів за секунду, створивши лабораторний аналог релятивістського руху. Об’єкт освітлювали короткими лазерними імпульсами й фотографували із заданою затримкою. На знімку яскравими ставали лише ті ділянки, світло від яких проходило певну оптичну довжину шляху.
Об’єднавши сотні таких кадрів у відео, дослідники отримали саме той результат, який передбачала теорія:
- куб виглядав «скрученим»,
- сфера залишалася сферою, але її «полюси» зміщувалися.
Підтвердження столітньої гіпотези
Ефект Террелла–Пенроуза понад 60 років існував переважно на сторінках підручників і в комп’ютерних симуляціях. Тепер він отримав експериментальне підтвердження в реальних вимірюваннях.
Результати опубліковано в журналі Communications Physics. Дослідники вважають, що подібна методика дозволить перевіряти й інші передбачення спеціальної теорії відносності, особливо ті, які складно відтворити без прямого доступу до екстремальних швидкостей.
Чому це важливо
Це дослідження не означає, що ми завтра зможемо фотографувати космічні кораблі на світловій швидкості. Але воно показує, що навіть найконтрінтуїтивніші передбачення фізики можна перевірити експериментально — якщо підійти до задачі творчо.
І головне: воно нагадує, що реальність на межі світлової швидкості виглядає зовсім не так, як підказує здоровий глузд. Тож якщо колись вирушите у подорож зі швидкістю світла — пам’ятайте: на фото у вас буде більше «вигідних ракурсів», ніж здається.