物理學家首次捕獲物體以99.9%光速運動的視覺幻象

物理學家首次模擬出以近光速運動的物體視覺形象 —— 這種被稱為“特雷爾-彭羅斯效應”的光學幻象，通過超快激光脈沖與特殊相機得以實現。該實驗看似違背愛因斯坦狹義相對論，實則印證了其精妙之處。

根據狹義相對論，高速運動物體應在運動方向上發生收縮，即洛倫茲收縮現象。這一效應已在粒子對撞機實驗中得到間接證實。但1959年數學家羅杰·彭羅斯與物理學家詹姆斯·特雷爾指出，持相機觀測者實際看到的并非壓扁的物體。由于物體各部位反射光線抵達相機的時間差，觀測者將看到物體發生旋轉。

盡管此前已有理論模型闡釋這種被稱為“特雷爾-彭羅斯效應”的幻象，但本次研究首次在實驗室環境中成功復現。研究團隊在《通訊-物理學》期刊發表了這項成果。

“最令我贊嘆的是實驗的簡潔性，”論文第一作者、維也納技術大學量子物理學家多米尼克·霍諾夫告訴媒體，“運用巧思，我們能在小型實驗室重現相對論效應。這證明即使歷經百年預測，仍能以直觀方式賦予理論生命。”

幻象重構之道

研究中，物理學家運用超快激光脈沖與選通相機，對以近光速“運動”的立方體與球體進行瞬態捕捉。成像結果顯示物體發生旋轉，從而驗證了特雷爾-彭羅斯效應。

但如同所有研究，本實驗亦面臨挑戰?；糁Z夫解釋道：“根據愛因斯坦理論，物體運動越快，其有效質量越大。接近光速時所需能量呈幾何級增長。”目前人類無法使宏觀物體達到近光速，“這就是為什么即便僅將電子加速至近光速，也需要巨型粒子對撞機。那需要天文數字的能量。”

研究團隊另辟蹊徑，采用精妙替代方案。“我們能夠模擬視覺效果，”霍諾夫表示。他們以邊長約1米的立方體為樣本，向其發射持續300皮秒（百億分之三秒）的超短激光脈沖，隨后用僅在瞬間開啟的選通相機捕捉反射光，每次生成一個薄層“切片”。

每次采集后，他們將立方體前移4.8厘米 —— 這相當于物體以80%光速在脈沖間隔內移動的距離。最終科學家將所有切片合成為運動立方體的瞬態圖像?！爱斦纤星衅瑫r，物體看似在極速飛馳，盡管它始終未曾移動，”霍諾夫說，“歸根結底，這只是幾何學的魔力?！?/p>

在球體實驗中，每步移動6厘米以模擬99.9%光速。合成圖像顯示：立方體呈現旋轉形態，球體則產生可窺見側后方的視覺錯覺。

“這種旋轉并非物理真實，”霍諾夫強調，“這是光學幻象。光線同步抵達的幾何結構欺騙了我們的視覺?！?/p>

這正是特雷爾-彭羅斯效應不與狹義相對論沖突的原因：高速運動物體確實在物理層面發生收縮，但相機無法直接記錄此現象。由于物體后端光線比前端延遲抵達，最終成像會產生使物體看似旋轉的偏移。

“進行數值模擬時，幾何模型呈現的精妙令人驚嘆，”霍諾夫感慨道，“當它在圖像中真實顯現時，我們激動不已?！?/p>

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