В 1959 году физики Джеймс Террелл и Роджер Пенроуз независимо друг от друга показали, что объект, движущийся с околосветовой скоростью, будет восприниматься наблюдателем не сжатым, а слегка повернутым — из-за оптического эффекта, который до сих пор существовал только в теории и численных симуляциях. Теперь ученые впервые подтвердили его экспериментальным путем.
Одно из ключевых предсказаний специальной теории относительности Эйнштейна — лоренцево сокращение — гласит, что длина объекта, движущегося на релятивистской скорости, становится короче по сравнению с длиной в состоянии покоя, а время для него замедляется. Этот эффект многократно подтверждался в экспериментах с частицами, движущимися почти со скоростью света.
Однако визуализировать так называемое вращение Террелла — Пенроуза — оптический эффект, при котором в глазах наблюдателя движущийся на релятивистской скорости объект выглядит не сжатым, а немного повернутым — удавалось только в симуляциях. Поворот при этом не физический: объект не меняет форму и не деформируется, это лишь иллюзия восприятия, вызванная разницей прибытия света от разных частей движущегося тела.
Теперь, чтобы воспроизвести визуальные эффекты при разных формах объектов, физики из Венского университета (Австрия) под руководством Доминика Хорнофа (Dominik Hornof) взяли неподвижный 3D-распечатанный куб (а также аналогичную сферу) и освещали его серией лазерных импульсов. Имитировать эффект «снижения» скорости света до двух метров в секунду удалось с помощью лазерных импульсов и сверхбыстрой камеры.
Импульсы при этом запускались последовательно, с изменяющимся временем задержки, а макеты между экспозициями сдвигали на небольшое расстояние — такое, которое объект бы прошел за время между импульсами, если бы двигался с околосветовой скоростью. Отраженный свет от разных частей куба и сферы фиксировали с помощью камеры, поэтапно воссоздавая одномоментное восприятие движущегося объекта.
По итогу ученые получили набор снимков и анимации, имитирующих восприятие объекта в движении. Их собрали в единый кадр, соответствующий одному моменту времени для наблюдателя. Таким образом физики продемонстрировали кажущийся поворот, аналогичный вращению Террелла — Пенроуза при наблюдении с ортогональной проекцией. Текст научной работы представлен в журнале Communications Physics.
Авторы статьи отметили, что скорость объекта оставалась низкой, поскольку они имитировали оптическое искажение, а не физику движения на околосветовой скорости. Тем не менее новый эксперимент — первый в истории случай физического моделирования релятивистского искажения изображения, открывающий путь к экспериментальной визуализации других эффектов, ранее доступных лишь в теории или численных симуляциях.