Движещ се със светлинна скорост космически кораб изглежда странно: Физици го видяха за първи път

Физиците са пресъздали странна визуална илюзия, вкоренена в специалната теория на относителността на Айнщайн, известна като ефектът на Теръл-Пенроуз. Обекти, които се движат почти със скоростта на светлината, изглеждат обърнати надолу, а нов експеримент потвърждава това. 

Изследването е публикувано в списание Communications Physics, пише Space.

Какво се случва с обектите, които се движат почти със скоростта на светлината?

Специалната теория на относителността на Айнщайн описва какво се случва с обектите, които се движат почти със скоростта на светлината. Това показва две основни последици от такова бързо движение.

Първото следствие е, че времето ще тече по-бавно за обект, движещ се почти със скоростта на светлината, отколкото за обектите, движещи се с по-бавна скорост около него. Това е известно като забавяне на времето.

Друго следствие се нарича свиване на дължината. Представете си космически кораб, който прелита със скорост от 90% от скоростта на светлината. Когато наблюдавате този кораб, той ще ви се стори приблизително 2 пъти по-къс, отколкото е в действителност.

Ефектът, който никой не е виждал преди

Както виждаме, и времето, и продължителността са относителни понятия. Има един ефект, произтичащ от специалната теория на относителността, който никой досега не е виждал. Това се нарича ефект на Теръл-Пенроуз. През 1959 г. физиците Джеймс Теръл и Роджър Пенроуз предсказаха, че обектите, движещи се с част от скоростта на светлината, би трябвало да изглеждат завъртени.

Авторите на изследването казват, че за да се снима космически кораб, прелитащ с почти светлинна скорост, трябва да се вземе предвид, че светлината, идваща от различни точки, достига до камерата за различно време.

Например, представете си космически кораб с форма на куб. Светлината, отразена от ъгъл на страната на куба, която е най-близо до нас, изминава по-кратко разстояние от светлината от ъгъл на най-отдалечената страна на куба. Два фотона (частици светлина), изстреляни едновременно от всеки от двата ъгъла, ще достигнат обектива на камерата по различно време, защото единият фотон трябва да измине по-голямо разстояние. Това означава, че в неподвижно изображение, в което всички заснети фотони достигат обектива на камерата едновременно, фотонът от далечния ъгъл е трябвало да напусне обектива по-рано от този от близкия ъгъл, за да пристигне синхронно. Но този куб се движи много бързо и покрива голяма част от пространството много бързо.

По този начин, в хипотетичното неподвижно изображение на ускоряващия куб, фотонът от далечния ъгъл е бил излъчен преди фотона от близкия ъгъл, както се очакваше, освен когато кубът е бил в другата позиция. И тъй като кубът се движи почти със скоростта на светлината, тази позиция наистина ще бъде доста различна. По този начин кубът ще изглежда обърнат с главата надолу. Докато двата фотона достигнат камерата, ъгълът от далечната страна на куба ще изглежда сякаш е в близкия ъгъл и обратно.

Физиците за първи път доказаха дългогодишна теория

Учени за първи път откриха начин да видят ефекта на Теръл-Пенроуз в лаборатория, използвайки лазери и много високоскоростна камера.

Физиците провели експеримент, в който успели да създадат сценарий и да си представят скоростта на светлината само 2 м/с. Това забавило целия процес, за да могат да го заснемат на камера.

Учените преместили куба и сферата из лабораторията и използвали камера, за да запишат лазерните светкавици, отразени от различни точки върху обектите по различно време. Кубът и сферата са били деформирани, за да симулират свиване на дължината. Кубът всъщност е бил правоъгълен паралелепипед, а сферата е била сплескана в диск.

Физиците насочили изключително къси лазерни лъчи към куба и сферата и заснели изображения на отразената светлина със скорост на затвора на камерата от само една трилионна част от секундата. След всяко изображение кубът и сферата били пренаредени, сякаш се движат със скорост, близка до скоростта на светлината. След това изображенията са комбинирани, за да включат само тези, при които всеки обект е бил осветен от лазера в точния момент, в който светлината би била излъчена, ако скоростта на светлината беше само 2 m/s, а не 300 000 000 m/s, колкото е в действителност.

Учените са комбинирали неподвижните изображения в кратки видеоклипове на ултрабързи обекти. Резултатът е се оказал точно както се очакваше. Кубът наистина изглежда обърнат надолу и въпреки че сферата си е останала сфера, полюсите ѝ също са били обърнати.