Obiekt poruszający się z prędkością światła ma intrygujący wygląd

Fizycy po raz pierwszy zobaczyli intrygujący obraz obiektu poruszającego się z prędkością równą 99,9 proc. prędkości światła. Stworzyli symulację relatywistycznego zjawiska wizualnego zwanego efektem Terrella-Penrose’a. Migawka aparatu zarejestrowała zupełnie inny obraz niż mówi teoria względności Einsteina.

Wykorzystując ultraszybkie impulsy laserowe i specjalne kamery, naukowcy stworzyli iluzję optyczną, która zdaje się przeczyć szczególnej teorii względności Einsteina. Jedną z jej konsekwencji jest to, że obiekty pędzące z prędkościami bliskim prędkości światła wydają się obserwatorowi krótsze wzdłuż kierunku ruchu. Długość mierzona przez obserwatora jest mniejsza niż długość spoczynkowa. Zjawisko to znane jest jako kontrakcja Lorentza. Efekt ten został pośrednio potwierdzony w eksperymentach przeprowadzanych w akceleratorach cząstek.

Efekt Terrella-Penrose’a zamiast kontrakcji Lorentza

Matematyk Roger Penrose i fizyk James Terrell zauważyli jednak, że obserwator z kamerą w ogóle nie zobaczyłby realnego obrazu. Światło z różnych części obiektu potrzebuje bowiem różnego czasu (przy ogromnych prędkościach różnice byłyby  zauważalne), aby dotrzeć do kamery. Obiekt wyglądałby tak, jak gdyby był w spoczynku, ale obrócony wokół osi prostopadłej do płaszczyzny ruchu i obserwacji.

Ten model iluzji nazywany jest efektem Terrella-Penrose’a. Po raz pierwszy przetestowano go w warunkach laboratoryjnych. Fizycy stworzyli symulację obiektów poruszających się z prędkością równą 99,9 proc. prędkości światła. Wykorzystali ultraszybkie impulsy laserowe i specjalne kamery do wykonania zdjęć sześcianu i kuli. Powstały obrazy obiektów obracających się. To potwierdziło prawdziwość efektu Terrella-Penrose’a.

Efekt Terrella-Penrose’a nie przeczy teorii Einsteina

Dlaczego przeprowadzenie badania zamiast symulacji napotyka na trudności nie do pokonania. Przyspieszenie jakiegokolwiek obiektu do prędkości bliskiej prędkości światła jest niemożliwe. W miarę zbliżania się do 299 792 458 km/s zapotrzebowanie na energię rośnie lawinowo, a osiągnięcie tej prędkości wymaga nieskończonej energii. Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina, w miarę zbliżania się do prędkości światła masa relatywistyczna obiektu rośnie bowiem do nieskończoności. Potrzeba zatem nieskończonej ilości energii, aby go rozpędzić.

Efekt Terrella-Penrose’a nie przeczy szczególnej teorii względności Einsteina. Szybko poruszający się obiekt ulega fizycznemu skróceniu wzdłuż kierunku ruchu, ale aparat nie rejestruje tego bezpośrednio. Ponieważ światło z tyłu biegnie do celu dłużej niż światło z przodu, migawka rejestruje obiekt w taki sposób, że wydaje się on obrócony.

Źródło: https://www.livescience.com/physics-mathematics/physicists-capture-rare-illusion-of-an-object-moving-at-99-9-percent-the-speed-of-light; https://www.nature.com/articles/s42005-025-02003-6