Как выглядят объекты на скорости света? Физики нашли способ это показать

Допустим, мимо вас летит объект со скоростью, близкой к скорости света. Что вы увидите? Из уроков физики вы можете вспомнить, что он должен сжаться по ходу движения. Это явление называется лоренцевым сокращением и является следствием специальной теории относительности Эйнштейна.

Но если вы сделаете фото, вы этого сжатия не увидите.

Вместо сжатого объекта камера покажет другое: объект будет выглядеть просто повернутым. Этот странный зрительный эффект, названный эффектом Террелла-Пенроуза, предсказали в 1959 году. Но была проблема: более 60 лет его не могли проверить опытом в лаборатории. Так было до недавнего времени.

Почему фотография показывает не то, что есть?

Что такое фотография? Это запись частиц света, или фотонов, которые попали в объектив камеры в одно время. Ключевые слова здесь — «в одно время».

Возьмем куб, летящий мимо вас слева направо очень быстро. Чтобы камера его сняла, фотоны от всех его точек должны прилететь к ней одновременно. Но фотоны летят по разным путям. Свет от ближней к нам грани летит меньшее расстояние, чем свет от дальней.

Это значит, что свет от дальних точек куба должен был вылететь раньше, чем свет от ближних. И пока тот «ранний» свет летел к камере, сам куб уже переместился вперед.

Что же запишет камера? Она увидит переднюю грань куба там, где она была мгновение назад, а заднюю — там, где она была еще раньше. Из-за этого на снимке объект кажется вытянутым по ходу движения. Самое главное: это зрительное вытягивание точно отменяет физическое лоренцево сжатие. Одно искажение исправляет другое, и мы получаем изображение объекта без сжатия, но как будто повернутого. Мы видим его боковую грань, которая при покое была бы не видна.

Как сфотографировать то, что невозможно сфотографировать?

Теория понятна. Но как ее проверить? Нельзя разогнать обычный куб до 80% от скорости света. Ученые из Австрии применили другой метод. Они не ускоряли объект, а создали эффект замедленного света.

Их способ похож на покадровую съемку, сделанную за очень короткие промежутки времени.

1. Очень короткие вспышки. Установка освещает неподвижный объект импульсами лазера. Длина каждого импульса — одна пикосекунда. За это время свет проходит очень малое расстояние.
2. Очень быстрая камера. Камера с быстрым затвором делает снимок. Она записывает только узкую полоску объекта, от которой отразился свет.
3. Сдвиг и повторение. После снимка объект немного сдвигают. Затем новый импульс лазера и новый снимок следующей полоски.
4. Сборка картинки. Компьютерная программа соединяет много таких полосок в один кадр. Полоска задней части берется с первого положения объекта, полоска средней части — с десятого, а полоска передней — с двадцатого.

Так ученые создают фото, которое получилось бы, если бы объект на самом деле летел с огромной скоростью. Они заменяют разницу во времени прилета света разницей в положении объекта.

Что они в итоге получили?

Итоги полностью подтвердили теорию.

• Сфера, которая двигалась со скоростью 99,9% от световой, на снимке осталась круглой. Она не стала эллипсом. Она просто выглядела повернутой, и были видны части ее задней стороны.
• Куб, который летел со скоростью 80% от световой, также не выглядел сжатым. На фото он был похож на обычный куб, но повернутый так, что стала видна его боковая грань.

Эти полученные снимки почти точно совпали с расчетными моделями. Впервые за 65 лет гипотеза получила прямое зрительное подтверждение.

Этот опыт помогает понять один из самых необычных эффектов физики. Он показывает, что физическая реальность (объекты правда сжимаются) и зрительное явление (мы видим их повернутыми) — это разные вещи.

Работа физиков соединяет формулы теории относительности с тем, как вещи могли бы выглядеть, если бы мы двигались очень быстро. Возможно, этот способ поможет показать и другие известные мысленные опыты, которые раньше существовали только в книгах.