Однако одно интересное следствие теории относительности до сих пор не наблюдалось - так называемый эффект Террелла-Пенроуза. В 1959 году физики Джеймс Террелл и Роджер Пенроуз (Нобелевский лауреат 2020 года) независимо друг от друга пришли к выводу, что быстро движущиеся объекты должны казаться вращающимися. Однако этот эффект никогда не был продемонстрирован. Теперь в сотрудничестве между TU Wien (Вена) и Венским университетом впервые удалось воспроизвести эффект с помощью лазерных импульсов и высокоточных камер - при эффективной скорости света 2 метра в секунду.

Чем быстрее, тем короче: сокращение длины по Эйнштейну

- Предположим, ракета проносится мимо нас со скоростью девяносто процентов скорости света. Для нас он больше не имеет такой длины, как до взлета, а стал в 2,3 раза короче", - объясняет профессор. Петер Шаттшнайдер из Венского университета. Это релятивистское сокращение длины, также известное как сокращение Лоренца.

Однако это сокращение невозможно сфотографировать. "Если бы вы хотели сфотографировать ракету, когда она пролетала мимо, вам пришлось бы принять во внимание, что свету из разных точек требовалось разное время, чтобы достичь камеры", - объясняет Питер Шаттшнайдер. Свет, исходящий из разных частей объекта и попадающий в хрусталик или наш глаз одновременно, излучался не одновременно - и это приводит к сложным оптическим эффектам.

Гоночный куб: кажется, что он вращается

Давайте представим, что сверхбыстрый объект - это куб. Тогда сторона, обращенная от нас, находится дальше, чем сторона, обращенная к нам. Если два фотона достигают нашего глаза одновременно, один из переднего угла куба, а другой из заднего угла, то фотон из заднего угла прошел дальше. Таким образом, он, должно быть, был испущен в более раннее время. И в это время куб находился не в том положении, в котором был, когда свет исходил из переднего угла.

"Нам кажется, что куб был повернут", - говорит Петер Шаттшнайдер. Это сочетание релятивистского сокращения длины и разного времени прохождения света из разных точек. В совокупности это приводит к очевидному вращению, как и предсказывали Террелл и Пенроуз.

Конечно, это не имеет значения в повседневной жизни, даже при фотографировании чрезвычайно быстрого автомобиля. Даже самый быстрый болид Формулы-1 проедет лишь малую долю расстояния за время разницы во времени между светом, излучаемым той стороной болида, которая обращена от нас, и той, которая обращена к нам. Но если бы ракета летела со скоростью, близкой к скорости света, этот эффект был бы отчетливо виден.

Эффективный трюк со скоростью света

Технически в настоящее время невозможно разогнать ракеты до скорости, при которой этот эффект можно было бы увидеть на фотографии. Однако группа под руководством Питера Шаттшнайдера из USTEM в Венском университете нашла другое решение, вдохновленное искусством: они использовали чрезвычайно короткие лазерные импульсы и высокоскоростную камеру, чтобы воссоздать эффект в лаборатории.

"Мы передвигали куб и сферу по лаборатории и использовали высокоскоростную камеру для записи лазерных вспышек, отраженных от разных точек этих объектов в разное время", - объясняют Виктория Хелм и Доминик Хорноф, два студента, проводившие эксперимент. "Если вы правильно выберете время, вы можете создать ситуацию, которая приведет к тем же результатам, как если бы скорость света составляла не более 2 метров в секунду".

Изображения разных частей ландшафта легко объединить в одно большое изображение. Что было сделано здесь впервые, так это учет фактора времени: объект фотографируется в разное время. Затем области, освещенные лазерной вспышкой в тот момент, когда свет испускался бы из этой точки, если бы скорость света составляла всего 2 м/с, объединяются в одно неподвижное изображение. Это делает заметным эффект Террелла-Пенроуза.

"Мы объединили неподвижные изображения в короткие видеоклипы со сверхскоростными объектами. Результат оказался именно таким, как мы ожидали", - говорит Петер Шаттшнайдер. "Куб кажется искривленным, сфера остается сферой, но Северный полюс находится в другом месте".

Когда искусство и наука переплетаются друг с другом

Демонстрация эффекта Террелла-Пенроуза - это не только научный успех, но и результат необычайного симбиоза искусства и науки. Отправной точкой стал научно-художественный проект художника Энара де Диоса Родригеса, который несколько лет назад в сотрудничестве с Венским университетом и Венским технологическим университетом исследовал возможности сверхбыстрой фотографии и возникающую в результате "замедленность света".

Результаты теперь опубликованы в журнале Communications Physics - шаг, который может помочь нам немного лучше понять интуитивно ускользающий мир теории относительности.