人類首次！物理學(xué)家終于看到物體加速到 99.9% 光速的樣子

它沒有縮短，反而轉(zhuǎn)起來了！

你可能會(huì)想起在中學(xué)課本上學(xué)到的相對論，當(dāng)物體以近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的長度會(huì)縮短，這一現(xiàn)象早已被各種各樣的物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)。所以你大概會(huì)認(rèn)為，如果有一個(gè)立方體從你面前以近光速經(jīng)過，而你的視力又恰巧非常好，你應(yīng)該會(huì)看到這個(gè)立方體在運(yùn)動(dòng)方向上被壓扁了。

科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室中模擬拍攝出物體以0.8倍光速運(yùn)動(dòng)的樣子。圖片來源：原論文

但事實(shí)并非如此。狹義相對論確實(shí)表明物體在以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生“尺縮效應(yīng)”，但這并不意味著這些物體“看上去”會(huì)縮短。相對論尺縮效應(yīng)（洛倫茲收縮）依賴測量的同時(shí)性，但我們看到物體外貌的并不是物體本身，而是同時(shí)抵達(dá)我們眼中的光線。

當(dāng)物體以近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的速度和光線本身的速度接近。這會(huì)導(dǎo)致我們某一時(shí)刻看到的光線，是物體的不同部分在不同位置發(fā)出的，這會(huì)扭曲我們看到的圖像。這種扭曲能在數(shù)學(xué)上精確抵消尺縮效應(yīng)，讓我們最終看到的物體沒有壓縮，而且就像扭轉(zhuǎn)了一樣。

1959年，英國科學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）和美國科學(xué)家詹姆斯·特雷爾（James Terrell）又獨(dú)立預(yù)測了這種效應(yīng)，并讓更多人意識到了這一點(diǎn)。因此，這種現(xiàn)象被稱為特雷爾-彭羅斯效應(yīng)（Terrell-Penrose effect）。

立方體以不同速度運(yùn)動(dòng)時(shí)（c為光速），尺縮效應(yīng)（左）和它看起來的樣子（右）。當(dāng)觀測者看到立方體后側(cè)的光線時(shí)，他看到的來自立方體前方的光線實(shí)際上是立方體運(yùn)動(dòng)到更前方時(shí)發(fā)出的。這會(huì)導(dǎo)致立方體看起來就像旋轉(zhuǎn)了一樣。圖片來源：Stigmatella aurantiaca/wikipedia

球體以不同速度運(yùn)動(dòng)時(shí)（c為光速），尺縮效應(yīng)（左）和它看起來的樣子（右）。特雷爾-彭羅斯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致它看起來就像旋轉(zhuǎn)了一樣。圖片來源：Prokaryotic Caspase Homolog/wikipedia

不過，后來人們發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象其實(shí)早就有人討論過。最早是在1924年，奧地利物理學(xué)家安東·蘭帕（Anton Lampa）就討論了這種現(xiàn)象。而在人類發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象差不多100年之后的今天，終于有科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)觀測到了這種現(xiàn)象。

模擬光速運(yùn)動(dòng)

為了直觀觀測到物體的扭轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)必須使用宏觀物體而非微觀粒子進(jìn)行。但很顯然，目前人類沒有任何手段將宏觀物體加速到接近光速——如果真的有人能做到這一點(diǎn)，那簡直就是《三體》中的“光粒”。所以，科學(xué)家只能在實(shí)驗(yàn)室中模擬以光速運(yùn)動(dòng)的物體。

今年 5 月，一篇發(fā)表在《通訊物理》（Communications Physics）上的論文表示，科學(xué)家使用超短激光脈沖和超高速攝影技術(shù)，制作出光線的定格動(dòng)畫，模擬出了物體以0.8倍光速（0.8c）、0.999倍光速（0.999c）運(yùn)動(dòng)時(shí)，它看起來的樣子。

在實(shí)驗(yàn)的設(shè)置上，他們使用持續(xù)時(shí)間1皮秒（1秒=1012 皮秒）的超短激光照亮物體，并同時(shí)在激光器旁邊架設(shè)超高速攝像機(jī)給物體拍照。拍照時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將曝光時(shí)間限制到了400皮秒，在這樣短的時(shí)間內(nèi)，光只能傳播12厘米。因?yàn)檫@些光線是從攝像機(jī)旁邊的激光器發(fā)出，經(jīng)過物體反射才抵達(dá)攝像機(jī)，所以他們拍出的照片實(shí)際上是物體在視線方向上厚6厘米的切片。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況。圖片來源：原論文

通過調(diào)整激光發(fā)射的時(shí)間偏移，研究團(tuán)隊(duì)可以拍到物體不同位置的6厘米切片。以下圖（a）為例，研究人員可以使用這種方法，拍攝出物體從A到C的多個(gè)切片，每個(gè)切片厚度為6厘米。

圖片來源：原論文

接著，研究人員將被拍攝的物體橫向移動(dòng)4.8厘米，再重復(fù)上述的切片拍攝。不斷重復(fù)這個(gè)過程，他們就得到了物體在不同位置的大量切片拍攝圖片。接著，他們還需要將這些切片以特定順序組合成我們某一時(shí)刻看上去的樣子。

以上圖為例，我們可以將物體在初始位置位于最遠(yuǎn)端的切片（C端），和物體在下一個(gè)位置，但距離鏡頭更近的相鄰切片組合在一起。接著，將多個(gè)位置的不同切片照片按這樣的順序切片組合起來，我們就得到了物體以0.8倍光速運(yùn)動(dòng)的定格照片（4.8/6=0.8）。

將物體在不同位置（橫軸j）拍攝的不同切片照片（縱軸i，數(shù)字按從遠(yuǎn)到近排列）按錯(cuò)位方式組合成同一幀（S?、S?……），再將這些幀組合成連續(xù)的視頻，研究人員就能模擬出物體以近光速運(yùn)動(dòng)的視頻。圖片來源：原論文

研究團(tuán)隊(duì)按照這種方式制作出了多張照片，并將照片組合成視頻。視頻每秒播放30幀，光在相鄰切片之間傳播的距離為6厘米，這相當(dāng)于他們視頻中的模擬光速僅有1.8米/秒。就算視頻中的立方體移動(dòng)速度僅有1.44米/秒，也相當(dāng)于視頻中光速的0.8倍。

模擬立方體以0.8c運(yùn)動(dòng)的樣子。圖片來源：原論文

極限光速

接著，研究團(tuán)隊(duì)還將一個(gè)圓盤幾乎側(cè)對著攝像機(jī)，模擬圓盤以0.999c運(yùn)動(dòng)時(shí)的尺縮效應(yīng)，并用上面拍攝立方體的方式，模擬拍攝了圓盤以0.999c運(yùn)動(dòng)的圖像。

模擬極端光速時(shí)，圓盤側(cè)對著攝像機(jī)。圖片來源：原論文

結(jié)果顯示，就算物體因?yàn)闃O端接近光速的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生了嚴(yán)重的尺縮效應(yīng)，它看起來也是一個(gè)完整的圓。原本側(cè)對著攝像機(jī)的圓盤，因?yàn)樘乩谞?彭羅斯效應(yīng)就像轉(zhuǎn)了過來一樣，正面面向攝像機(jī)。

模擬圓盤以0.999c運(yùn)動(dòng)的樣子，開始多余的部分為支撐結(jié)構(gòu)。拍攝時(shí)圓盤側(cè)對攝像機(jī)，但在最終圖像中它卻像轉(zhuǎn)過來了一樣。圖片來源：原論文

你有猜到光速世界的樣子嗎？

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.nature.com/articles/s42005-025-02003-6

[2]https://www.livescience.com/physics-mathematics/physicists-capture-rare-illusion-of-an-object-moving-at-99-9-percent-the-speed-of-light

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation

策劃制作

來源丨環(huán)球科學(xué)（id：huanqiukexue）

作者丨王昱

責(zé)編丨鐘艷平

審校丨徐來、張林林