Un experiment ingenios a reușit să vizualizeze o predicție veche de 60 de ani despre modul în care realitatea se distorsionează la viteze relativiste, confirmând celebrul efect Terrell-Penrose.
Atunci când un obiect se apropie de viteza luminii, legile fizicii clasice sunt lăsate în urmă, iar Universul devine un loc extrem de ciudat. Conform celui mai bun model pe care îl avem despre cosmos — Teoria Relativității Speciale a lui Einstein — un observator care privește o navă spațială trecând în viteză pe lângă el ar trebui să o vadă „turtită” în direcția de mișcare.
Totuși, realitatea vizuală este mult mai complexă și mai bizară decât simpla contracție, iar un nou experiment a demonstrat acest lucru cu o claritate fascinantă.
Efectul Terrell-Penrose: mai mult decât o simplă contracție
Fenomenul clasic, cunoscut sub numele de contracția Lorentz, sugerează că obiectele se scurtează pe măsură ce accelerează.
„Să presupunem că o rachetă trece pe lângă noi cu o viteză de 90% din viteza luminii. Pentru noi, aceasta nu mai are aceeași lungime ca înainte de decolare, ci apare de 2,3 ori mai scurtă.”, a explicat profesorul Peter Schattschneider de la TU Wien (Universitatea Tehnică din Viena).
În acest scenariu demn de un film SF, echipajul de pe navă ar percepe propria lungime ca fiind normală, dar te-ar vedea pe tine, observatorul static, ca fiind cel comprimat. Aceasta este o parte acceptată și verificată a relativității. Dar, în anul 1959, fizicienii James Terrell și Roger Penrose au venit cu o completare care a complicat lucrurile: obiectele nu par doar mai scurte, ci par să se rotească.
Paradoxul rotației optice
Efectul Terrell-Penrose prezice că, din cauza timpului finit pe care lumina îl parcurge de la diferite puncte ale unui obiect în mișcare până la ochiul observatorului, forma percepută se schimbă drastic.
Dacă obiectul este o sferă, lucrurile sunt surprinzător de stabile. Terrell explica în anul 1959 că o sferă va apărea tot ca un cerc perfect pentru toți observatorii, indiferent de viteză. „O sferă va fi fotografiată cu exact același contur circular, indiferent dacă este staționară sau în mișcare în raport cu camera”, scria fizicianul.
Totuși, dacă obiectul are o simetrie mai mică — să zicem, un cub sau „un metru” de măsurat — acesta nu va părea doar contractat, ci va părea că a suferit o rotație.
Roger Penrose a detaliat acest aparent paradox: „S-ar putea crede că, pentru o sferă îndepărtată… aplatizarea în direcția mișcării sale ar fi cu siguranță evidentă”. Dar nu este așa. De ce? Pentru că lumina care vine din „spatele” sferei ajunge la observator mai târziu decât cea din față. Practic, vezi partea din spate a sferei chiar dacă aceasta se mișcă spre tine, ceea ce creează iluzia că sfera s-a rotit, arătându-ți un „pol” diferit.
Simulator Terrell-Penrose
Cum să „încetinești” lumina
Deși nu putem accelera obiecte macroscopice la viteza luminii pentru a face o fotografie, cercetătorii de la TU Wien au găsit o metodă ingenioasă de a ocoli problema. Au folosit un cub, impulsuri laser ultra-scurte și o cameră de mare viteză pentru a simula efectul.
„Am mutat un cub și o sferă în laborator și am folosit camera de mare viteză pentru a înregistra flash-urile laser reflectate din diferite puncte ale acestor obiecte în momente diferite”, au explicat Victoria Helm și Dominik Hornof, studenții care au realizat experimentul.
Trucul a fost sincronizarea. Ei au creat o situație în care rezultatele sunt identice cu cele dintr-un univers în care viteza luminii ar fi de doar 2 metri pe secundă (aproximativ 7,2 km/h).
Imaginați-vă o structură cubică ce se deplasează absurd de repede, sau un cub lent care emite o lumină incredibil de leneșă. Dacă doi fotoni îți lovesc retina în același timp — unul din fața cubului și unul din spate — înseamnă că au fost emiși în momente diferite. Fotonul din spate a plecat primul pentru a ajunge la tine simultan cu cel din față.
„Acest lucru ne face să credem că, de fapt, cubul a fost rotit”, a adăugat Schattschneider.
Rezultatul: un cub răsucit și o sferă cu polul mutat
Echipa a scanat întârzierea dintre impulsurile laser și expunerea camerei, dezvăluind modul în care lumina se comportă pe obiectul static ca și cum acesta s-ar mișca relativist.
Folosind această configurație sofisticată, cercetătorii au produs vizualizarea exactă a ceea ce am vedea dacă un cub s-ar mișca cu 80% din viteza luminii, iar o sferă cu 99,9% din viteza luminii.
„Am combinat imaginile statice în clipuri video scurte cu obiectele ultra-rapide. Rezultatul a fost exact ceea ce ne așteptam. Un cub pare răsucit, o sferă rămâne o sferă, dar Polul Nord se află într-un loc diferit.”, a concluzionat Schattschneider.
Studiul complet, care transformă matematica abstractă în imagini concrete, a fost publicat în jurnalul Communications Physics.
