Фізики вперше продемонстрували ефект обертання об'єктів на релятивістських швидкостях

Вченим уперше в історії вдалося експериментально продемонструвати передбачення, пов'язане з теорією відносності Айнштайна, яке стверджує, що об'єкти, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, на фотографіях виглядають не стиснутими, а обернутими. Це досягнення стало можливим завдяки інноваційному застосуванню лазерної технології, яка фактично сповільнила світло до швидкості пішохода.

Спеціальна теорія відносності Айнштайна передбачає, що об'єкти, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, стискаються у напрямку руху — явище, відоме як скорочення Лоренца. Проте у 1959 році фізики Джеймс Террелл та Роджер Пенроуз (який пізніше отримав Нобелівську премію 2020 року) незалежно один від одного зробили неочікуване передбачення: на фотографії такі об'єкти мали б виглядати не стиснутими, а обернутими.

До цього часу ніхто не міг спостерігати цей ефект через надзвичайну складність фотографування об'єктів, що рухаються з релятивістськими швидкостями. Однак дослідникам вдалося знайти інноваційне рішення.

«Ми переміщували куб та кулю в лабораторії та використовували високошвидкісну камеру для запису лазерних спалахів, відбитих від різних точок цих об'єктів у різні моменти часу», — пояснили Вікторія Гельм та Домінік Горноф, студенти, які проводили експеримент.

«За правильного налаштування часу можна створити ситуацію, яка дає такі самі результати, як якби швидкість світла становила не більше 2 метрів на секунду», — додали вони.

Ця проривна методика ефективно зменшує швидкість світла з його звичайних 300 мільйонів метрів на секунду до лише 2 метрів на секунду — повільніше, ніж ходить людина — що робить раніше невидимі релятивістські ефекти спостережуваними в лабораторних умовах.

Ефект виникає через те, що світло від різних частин рухомого об'єкта не досягає наших очей або камери одночасно. Під час фотографування куба, що рухається з надзвичайно високою швидкістю:

• Світло від заднього кута проходить довший шлях, ніж світло від переднього кута
• Це означає, що світло від заднього кута було випромінене раніше
• За цей час різниці об'єкт перемістився в нове положення
• Ця різниця у часі польоту створює видимість обертання

Професор Петер Шаттшнайдер з Віденського технічного університету пояснює: «Через це нам здається, ніби куб обернувся». Результати досліджень команди повністю відповідають теоретичним передбаченням, показуючи, що куб виглядає закрученим, тоді як куля залишається сферичною, але з ознаками обертання навколо осі.

Цікаво, що це революційне наукове досягнення виникло з мистецько-наукової співпраці. Проєкт розпочався з того, що художниця Енар де Діос Родрігес досліджувала надшвидку фотографію та концепцію «повільності світла» разом із дослідниками віденських університетів.

Використовуючи лазерні імпульси тривалістю в пікосекунди (трильйонні частки секунди) та камери з часом експозиції до 300 пікосекунд, команда розробила методику, яка фіксує відбите світло від точно розташованих об'єктів. Ретельно синхронізуючи ці знімки та об'єднуючи їх у синтезовані «миттєві знімки», вони створили першу у світі візуальну демонстрацію ефекту Террелла-Пенроуза.

Дослідники анімували ці знімки у короткі відео, що показують об'єкти, які рухаються з віртуальними швидкостями 0,8c (80% швидкості світла) для куба та 0,999c (99,9% швидкості світла) для кулі.

Дослідження також відзначає сторіччя статті фізика Антона Лампи 1924 року, яка вперше дослідила, як спостерігач візуально сприймав би релятивістське скорочення довжини — роботи, що заклала основу для передбачень Террелла-Пенроуза 35 років потому.

Особливо важливим у цих відкриттях є те, як вони поєднують математичну теорію та візуальну інтуїцію. Теорія відносності Айнштайна завжди кидала виклик нашому повсякденному розумінню фізики, але цей експеримент надає відчутний спосіб побачити ці абстрактні концепції в дії.

У своїй статті, опублікованій у Communications Physics, дослідники припускають, що їхній метод потенційно міг би продемонструвати інші неспостережувані релятивістські явища, включаючи знаменитий уявний експеримент Айнштайна з «потягом», який розкриває сталість швидкості світла.