Historia pewnej teorii
Początki tej niezwykłej historii sięgają 1924 roku, kiedy to Anton Lampa po raz pierwszy zasugerował istnienie szczególnego zjawiska wizualnego związanego z obiektami poruszającymi się z prędkościami relatywistycznymi. Jednak pełne zrozumienie efektu przyszło dopiero w 1959 roku, kiedy to Roger Penrose i Nelson James Terrell niezależnie od siebie doszli do identycznych wniosków. Ich teoria przewidywała, że obiekt zbliżający się do prędkości światła na zdjęciu migawkowym nie będzie wyglądał na skurczony, lecz obrócony. To przewidywanie wydawało się stać w sprzeczności z dobrze ugruntowaną kontrakcją Lorentza, która mówi, iż obiekty fizycznie kurczą się w kierunku ruchu przy wysokich prędkościach. Jednak efekt Terrella-Penrose’a wyjaśniał kluczową różnicę między tym, co faktycznie dzieje się z obiektem, a tym, co rejestruje obserwator.
Czytaj też: Historyczny eksperyment dostarczył kluczowej odpowiedzi na pytanie o prawa fizyki
Gdybyś chciał zrobić zdjęcie rakiety, gdy przelatuje obok, musiałbyś wziąć pod uwagę, że światło z różnych punktów potrzebowało różnego czasu, aby dotrzeć do kamery. To sprawia, że wygląda to dla nas, jakby sześcian został obrócony – wyjaśnia Peter Schattschneider, współautor badania
Główną przeszkodą w eksperymentalnym potwierdzeniu zjawiska była oczywista niemożność rozpędzenia jakiegokolwiek obiektu do prędkości zbliżonej do 300 milionów metrów na sekundę. Zamiast walczyć z prawami fizyki, wiedeńscy naukowcy wpadli na pomysł, by podejść do problemu od drugiej strony: spowolnić wirtualnie samo światło. Ich metoda przypominała nieco działanie trybu panoramicznego w smartfonach. Polegała na pocięciu obiektu na ultracienkie segmenty, sfotografowaniu każdego z osobna, a następnie złożeniu tych „plastrów” w kompozytowy obraz. Wykorzystanie laserów pikosekundowych i ultraszybkiej fotografii z czasami naświetlania rzędu 300 pikosekund pozwoliło na efektywne zmniejszenie prędkości światła do około 1,8 metra na sekundę.
Oświetlamy obiekt impulsem lasera i robimy zdjęcie po pewnym czasie opóźnienia. Światło odbite od części obiektu, które odpowiadają odpowiedniej długości ścieżki optycznej, będzie wyglądać jasno na tym zdjęciu – opisują członkowie zespołu badawczego
Obraz wart tysiąca równań
Wyniki eksperymentu potwierdziły przewidywania teoretyków sprzed dziesięcioleci. Badacze testowali zarówno sferę poruszającą się z prędkością 0,999 c, jak i sześcian przy 0,8 c. Obserwacje pokazały dokładnie to, czego spodziewali się fizycy.
Połączyliśmy nieruchome obrazy w krótkie klipy wideo ultra-szybkich obiektów. Wynik był dokładnie taki, jakiego się spodziewaliśmy. Sześcian wydaje się skręcony, sfera pozostaje sferą, ale biegun północny jest w innym miejscu – dodaje Schattschneider
Kontrakcja Lorentza oczywiście nadal występuje: obiekty rzeczywiście ulegają fizycznemu skróceniu. Jednak na zdjęciu migawkowym efekt ten jest maskowany przez różnice w czasie dotarcia światła z różnych części obiektu do kamery, co daje wrażenie rotacji zamiast kompresji. Opublikowane w Communications Physics badanie otwiera interesujące możliwości dla dalszych eksperymentów. Technika opracowana przez wiedeński zespół może zostać wykorzystana do wizualizacji innych zjawisk przewidywanych przez teorię względności, włącznie ze słynnymi eksperymentami myślowymi Einsteina. Choć nie należy spodziewać się rewolucji w naszym codziennym życiu, to osiągnięcie austriackich naukowców ma istotne znaczenie dla edukacji i popularyzacji fizyki. Dzięki takim wizualizacjom abstrakcyjne koncepcje stają się bardziej przystępne dla studentów i osób zainteresowanych nauką.
Wartość namacalnego dowodu
Po stu latach czysto teoretycznych rozważań, efekt Terrella-Penrose’a wreszcie doczekał się eksperymentalnego potwierdzenia. Można się oczywiście zastanawiać, czy takie eksperymenty mają praktyczne znaczenie poza światem akademickim. Wydaje się jednak, że sama możliwość zobaczenia na własne oczy zjawisk, które do tej pory istniały jedynie w równaniach, stanowi wartość samą w sobie. Pokazuje to również, że nauka wciąż ma nam do zaoferowania nowe sposoby poznawania rzeczywistości, nawet jeśli dotyczą one koncepcji sprzed wieku.