Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, быстро движущиеся объекты должны сжиматься в направлении движения — это явление называется лоренцевым сокращением. Однако в 1959 году математик Роджер Пенроуз и физик Джеймс Террелл показали, что наблюдатель с камерой увидит не сплюснутый объект, а повернутый. Причина в том, что свет от разных частей объекта достигает камеры в разное время.
Физики впервые воспроизвели в лаборатории оптическую иллюзию объекта, летящего со скоростью 99,9% от световой
Ученые из Венского технического университета с помощью ультракоротких лазерных импульсов и специальных камер впервые в лабораторных условиях смоделировали эффект Террелла-Пенроуза — оптическую иллюзию, которая возникает при наблюдении за объектами, движущимися с околосветовой скоростью.
Команда «сшила кусочки света», чтобы создать моментальные снимки. В состоянии покоя (слева) куб выглядит нормально. Но при моделировании на скорости 99,9 % от скорости света (справа) сфера по-прежнему выглядит круглой, но показывает части своей дальней стороны. Hornof et al., 2025; CC BY 4.0)
Лоренцево сокращение — реальный физический эффект, подтвержденный экспериментами на ускорителях частиц. Но человеческий глаз или камера не могут зафиксировать его напрямую. Причина в конечной скорости света: фотоны от дальних частей объекта начинают свой путь к наблюдателю раньше, чем от ближних. Когда все они одновременно попадают на сетчатку или матрицу камеры, изображение оказывается смещенным так, что объект кажется повернутым, а не сжатым. Этот парадокс описали Пенроуз и Террелл независимо друг от друга в 1959 году.
a Вид сверху на лоренцево сжатую сферу, движущуюся со скоростью v = 0,7 c слева направо. Для того чтобы фотоны A и B одновременно попали в камеру, фотон A должен быть испущен на Δt позже, когда фотон B пройдет мимо A (серая волнистая линия). За это время точка A переместилась в положение A'. По симметрии фотон из точки C должен быть испущен на Δt раньше, чем фотон B. b На снимке сжатая сфера кажется вытянутой.
Разогнать реальный объект до скорости света невозможно — это противоречит теории относительности, даже приблизиться к скорости света очень трудно. «Чем быстрее что-то движется, тем больше увеличивается его эффективная масса. По мере приближения к скорости света необходимая энергия растет очень сильно», — объяснил Доминик Хорноф, первый автор исследования. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.
Как «увидеть» скорость света
Физики применили хитрый прием. Они использовали куб со стороной около метра и обстреливали его ультракороткими лазерными импульсами длительностью 300 пикосекунд. Специальная камера фиксировала отраженный свет, создавая тонкие «срезы». После каждого среза изображение куба «передвигали» на 4,8 сантиметра — ровно на то расстояние, которое он преодолел бы за время между импульсами при движении со скоростью 80% от скорости света. Затем все срезы объединили в единый снимок.
a Импульсный лазерный луч фокусируется через линзу, чтобы осветить весь объект. Камера с затвором включается, чтобы зафиксировать свет, рассеянный от объекта, с определенной задержкой по отношению к лазерному пуску. b Слегка наклоненная модель сферы, сжатой сокращением Лоренца, видимая из камеры (синий) для v = 0,999 c, почти сжимается до двумерного объекта. Северный полюс направлен в сторону камеры. Рядом с камерой импульсы ps-лазера направляются через зеркала на линзу, чтобы расшириться на все поле зрения. На вставке показана модель сферы с другой точки зрения. c Лоренцево сжатый куб с длиной стороны 1 × 1 × 0,6 м.
«Когда вы комбинируете все срезы, объект выглядит так, будто несется невероятно быстро, хотя на самом деле вообще не двигался», — рассказал Хорноф. Эксперимент повторили со сферой, имитируя скорость 99,9% от световой. На итоговых изображениях куб выглядел повернутым, а можно «заглянуть» за края сферы.
Ротация не является физической — это оптическая иллюзия, вызванная геометрией, вызванной разницей во времени прихода света. Эффект Террелла-Пенроуза не противоречит теории относительности: объект действительно сжимается, но камера фиксирует не само сжатие, а искаженное изображение из-за разницы во времени прихода света от передней и задней частей объекта.