Как на самом деле выглядят объекты на скорости света? Ученые впервые показали релятивистский «поворот» объектов

Альберт Эйнштейн, создавая свою специальную теорию относительности (СТО), перевернул наши представления о пространстве и времени. Мы привыкли думать о них как о чем-то абсолютном, неизменном фоне, на котором разворачиваются события. Но Эйнштейн показал: все не так просто. Особенно когда речь заходит о скоростях, близких к скорости света.

Одним из самых известных следствий СТО является лоренцево сокращение: для неподвижного наблюдателя быстро летящий объект кажется короче в направлении движения. Другое — замедление времени: часы на этом объекте идут медленнее. Эти эффекты, какими бы странными они ни казались, многократно подтверждены экспериментами с элементарными частицами и даже с точными атомными часами на самолетах и спутниках.

Однако был еще один, менее очевидный, но не менее интригующий предсказанный эффект. И вот он-то десятилетиями ускользал от прямого наблюдения.

Куб, который вращается сам по себе? Загадка Террелла-Пенроуза

Представьте, что мимо вас со скоростью, скажем, 90% от световой, пролетает не просто точка, а объемный объект, например, куб. Интуитивно, основываясь на знании о лоренцевом сокращении, мы могли бы ожидать увидеть просто «сплющенный» куб. Но еще в 1959 году физики Джеймс Террелл и Роджер Пенроуз (будущий нобелевский лауреат) независимо друг от друга пришли к выводу: все сложнее. Объект будет выглядеть не просто сокращенным, а еще и… повернутым!

Звучит парадоксально? Как движение вперед может вызвать видимость вращения?

Вся соль — в скорости света (и времени)

Ключ к разгадке кроется в том, как мы вообще видим объекты. Мы видим свет, который от них отразился или был ими испущен. И свету нужно время, чтобы добраться до наших глаз или камеры.

Теперь вернемся к нашему сверхбыстрому кубу. Свет от его ближней к нам грани дойдет до нас быстрее, чем свет от дальней грани, просто потому что последнему нужно преодолеть большее расстояние (сам куб + расстояние до нас). Но пока свет от дальней грани летит к нам, куб успевает еще немного сместиться вперед!

Камера (или наш глаз) фиксирует все лучи, пришедшие одновременно. Но эти лучи были испущены в разное время от разных частей куба, которые в моменты испускания находились в немного разных положениях из-за сверхбыстрого движения. Когда мозг или процессор камеры собирает эти «разновременные» сигналы в единый образ, возникает оптическая иллюзия: мы видим не только переднюю грань куба, но и часть его боковой грани, которая в состоянии покоя была бы скрыта. Итог — куб кажется повернутым.

Этот эффект — комбинация физического лоренцева сокращения и оптических фокусов, связанных с конечной скоростью света и временем его путешествия от разных точек объекта.

Почему мы этого не видим в жизни?

Даже самые быстрые объекты, созданные человеком, вроде истребителей или болидов Формулы-1, движутся ничтожно медленно по сравнению со скоростью света. Разница во времени прихода света от их передней и задней частей настолько мала, а смещение за это время так незначительно, что никакого видимого «поворота» мы заметить не можем. Чтобы эффект Террелла-Пенроуза стал явным, нужна скорость, сопоставимая со световой. А разогнать макроскопический объект до таких скоростей — задача пока из области фантастики.

Именно поэтому этот эффект так долго оставался лишь теоретическим предсказанием. Как же его проверить?

Изящное решение: «Замедлить» свет в лаборатории

Ученые из Венского технического университета и Венского университета нашли остроумный выход. Вместо того чтобы разгонять объект до немыслимых скоростей, они решили поиграть со светом и временем в контролируемых лабораторных условиях.

Их установка включала движущиеся объекты (куб и сферу), лазер, испускающий сверхкороткие импульсы, и высокоскоростную камеру. Идея была такой:

1. Объект движется с обычной, управляемой скоростью.
2. Лазер очень короткими вспышками освещает разные точки объекта в разные моменты времени.
3. Камера фиксирует эти отраженные вспышки.
4. Самое главное: моменты вспышек и съемки были рассчитаны так, чтобы имитировать ситуацию, в которой свет распространяется очень медленно — всего 2 метра в секунду!

Представьте, что вы делаете панораму, сшивая несколько фотографий. Здесь ученые сделали нечто похожее, но «сшивали» не только пространство, но и время. Они отбирали из множества кадров только те микроскопические участки объекта, которые были освещены лазером именно в тот расчетный момент, когда от них должен был бы стартовать фотон (если бы свет был таким «медленным»), чтобы достичь «виртуального наблюдателя» одновременно с фотонами от других частей объекта.

Соединив эти крошечные «правильные» фрагменты из разных кадров в одно статичное изображение, они получили именно ту картинку, которую увидел бы наблюдатель, если бы мимо него пролетал объект со скоростью, сравнимой с этой искусственно «замедленной» скоростью света.

Теория стала видимой

Результат превзошел ожидания и идеально совпал с предсказаниями Террелла и Пенроуза, сделанными более 60 лет назад! На полученных изображениях и коротких видео:

• Куб действительно выглядел повернутым и искаженным.
• Сфера оставалась сферической (как и предсказывает теория), но ее «полюса» и видимые детали поверхности были смещены, словно ее тоже провернули.

Это первое в истории прямое визуальное подтверждение эффекта Террелла-Пенроуза.

Что это значит для нас? И при чем тут искусство?

Конечно, этот эксперимент не изменит нашу повседневную жизнь. Но он имеет большое значение для науки и понимания мира.

Во-первых, он еще раз подтверждает предсказания специальной теории относительности, показывая ее работоспособность даже в таких тонких и неочевидных аспектах.

Во-вторых, и это, возможно, даже важнее, он помогает визуализировать крайне неинтуитивные концепции релятивистской физики. Одно дело — видеть формулы и читать описания, другое — буквально увидеть, как должен выглядеть объект, летящий почти со скоростью света. Это делает абстрактную теорию чуть более осязаемой и понятной.

Интересно, что толчком к этому научному прорыву послужил проект на стыке науки и искусства. Несколько лет назад художница Энар де Диос Родригес совместно с теми же университетами исследовала эстетические и концептуальные возможности сверхскоростной съемки, играя с идеей «видимой медлительности» света. Этот творческий поиск в итоге привел к чисто научному достижению. Прекрасный пример того, как разные области знания могут обогащать друг друга!

Так что в следующий раз, глядя на звезды и думая о просторах космоса, где объекты действительно могут двигаться с релятивистскими скоростями, вспомните: мир там может выглядеть еще более странно и удивительно, чем мы привыкли себе представлять. И спасибо ученым (и немного художникам!), что они помогают нам заглянуть в эту удивительную реальность.