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)動時，它的長度會縮短，這一現(xiàn)象早已被各種各樣的物理實驗證實。所以你大概會認(rèn)為，如果有一個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)該會看到這個立方體在運(yùn)動方向上被壓扁了。

科學(xué)家首次在實驗室中模擬拍攝出物體以0.8倍光速運(yùn)動的樣子。圖片來源：原論文

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

當(dāng)物體以近光速運(yùn)動時，物體運(yùn)動的速度和光線本身的速度接近。這會導(dǎo)致我們某一時刻看到的光線，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）又獨立預(yù)測了這種效應(yīng)，并讓更多人意識到了這一點。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)動時（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，他看到的來自立方體前方的光線實際上是立方體運(yùn)動到更前方時發(fā)出的。這會導(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)動時（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)家通過實驗觀測到了這種現(xiàn)象。

模擬光速運(yùn)動

為了直觀觀測到物體的扭轉(zhuǎn)，實驗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，那簡直就是《三體》中的“光粒”。所以，科學(xué)家只能在實驗室中模擬以光速運(yùn)動的物體。

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)動時，它看起來的樣子。

在實驗的設(shè)置上，他們使用持續(xù)時間1皮秒（1秒=1012 皮秒）的超短激光照亮物體，并同時在激光器旁邊架設(shè)超高速攝像機(jī)給物體拍照。拍照時，研究團(tuán)隊將曝光時間限制到了400皮秒，在這樣短的時間內(nèi)，光只能傳播12厘米。因為這些光線是從攝像機(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際上是物體在視線方向上厚6厘米的切片。

實驗設(shè)置情況。圖片來源：原論文

通過調(diào)整激光發(fā)射的時間偏移，研究團(tuán)隊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的多個切片，每個切片厚度為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4.8厘米，再重復(fù)上述的切片拍攝。不斷重復(fù)這個過程，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），和物體在下一個位置，但距離鏡頭更近的相鄰切片組合在一起。接著，將多個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)動的視頻。圖片來源：原論文

研究團(tuán)隊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)動的樣子。圖片來源：原論文

極限光速

接著，研究團(tuán)隊還將一個圓盤幾乎側(cè)對著攝像機(jī)，模擬圓盤以0.999c運(yùn)動時的尺縮效應(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)動的圖像。

模擬極端光速時，圓盤側(cè)對著攝像機(jī)。圖片來源：原論文

結(jié)果顯示，就算物體因為極端接近光速的運(yùn)動，發(fā)生了嚴(yán)重的尺縮效應(yīng)，它看起來也是一個完整的圓。原本側(cè)對著攝像機(jī)的圓盤，因為特雷爾-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)動的樣子，開始多余的部分為支撐結(jié)構(gòu)。拍攝時圓盤側(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