你知道嗎？愛(ài)因斯坦的相對(duì)論里有個(gè)神奇的預(yù)言，說(shuō)高速運(yùn)動(dòng)的物體看起來(lái)會(huì)像是被旋轉(zhuǎn)了一樣。這個(gè)預(yù)言提出 60 多年了，直到現(xiàn)在，科學(xué)家們才終于把它 “抓” 到！

在我們平常的認(rèn)知里，空間和時(shí)間是很穩(wěn)定的概念。但愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度特別特別快，快到接近光速的時(shí)候，一切就變得不一樣啦。物體的長(zhǎng)度會(huì)隨著速度加快而縮短，而且時(shí)間流逝的速度也和靜止時(shí)不一樣。這些聽(tīng)起來(lái)很荒誕的理論，已經(jīng)被無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。

1959 年，物理學(xué)家詹姆斯?特雷爾（James Terrell）和羅杰?彭羅斯（Roger Penrose）分別提出了一個(gè)更讓人難以置信的預(yù)言 —— 特雷爾 - 彭羅斯效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)說(shuō)，超高速運(yùn)動(dòng)的物體不僅看起來(lái)會(huì)變短，還會(huì)像是被旋轉(zhuǎn)過(guò)?？蛇@么多年過(guò)去了，一直沒(méi)人真正看到過(guò)這種現(xiàn)象。

最近，維也納的科學(xué)家們做到了！他們借助巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置，用激光和高速攝像機(jī)，成功重現(xiàn)了這個(gè)神奇的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)。在實(shí)驗(yàn)里，他們把光的速度減慢到了每秒 2 米（在現(xiàn)實(shí)世界里，光可是以每秒約 30 萬(wàn)千米的速度傳播呢?。?/p>

維也納工業(yè)大學(xué)的彼得?沙茨施耐德（Peter Schattschneider）教授舉了個(gè)例子：“假如有一枚火箭以 90% 的光速?gòu)奈覀冄矍帮w過(guò)，在我們眼中，它的長(zhǎng)度不再是起飛前的樣子，而是會(huì)縮短到原來(lái)的 2.3 倍。” 這就是相對(duì)論里說(shuō)的長(zhǎng)度收縮，也叫洛倫茲收縮。不過(guò)，這種長(zhǎng)度收縮是沒(méi)辦法直接拍下來(lái)的。因?yàn)槲矬w不同部分發(fā)出的光到達(dá)相機(jī)的時(shí)間不一樣，所以拍出來(lái)的效果會(huì)受到復(fù)雜的光學(xué)影響。

咱們拿一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的立方體來(lái)舉例，就能更好地理解這個(gè)扭曲錯(cuò)覺(jué)了。立方體背對(duì)我們的那一面比正對(duì)我們的一面要遠(yuǎn)一些。如果有兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)我們的眼睛，一個(gè)來(lái)自立方體的前角，另一個(gè)來(lái)自后角，那來(lái)自后角的光子傳播的距離肯定更遠(yuǎn)，這就意味著它發(fā)出的時(shí)間更早。在那個(gè)時(shí)候，立方體的位置和前角發(fā)光時(shí)的位置不一樣，所以在我們看來(lái)，立方體就好像被旋轉(zhuǎn)過(guò)一樣。這就是長(zhǎng)度收縮和光傳播時(shí)間差異共同作用產(chǎn)生的奇妙效果。

在日常生活里，哪怕是拍攝速度極快的汽車(chē)，這種現(xiàn)象也不會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)榫退闶亲羁斓?F1 賽車(chē)，在車(chē)身前后不同面發(fā)光到達(dá)我們眼睛的時(shí)間差里，移動(dòng)的距離實(shí)在是太短了。但要是火箭以接近光速飛行，這個(gè)效果就會(huì)很明顯。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在還沒(méi)辦法把火箭加速到能讓我們直接在照片里看到這種效果的速度。于是，維也納工業(yè)大學(xué)的彼得?沙茨施耐德團(tuán)隊(duì)受到藝術(shù)的啟發(fā)，找到了新辦法。他們讓立方體和球體在實(shí)驗(yàn)室里移動(dòng)，用高速攝像機(jī)記錄物體不同點(diǎn)在不同時(shí)間反射的激光閃光。只要控制好時(shí)間，就能模擬出光的速度只有每秒 2 米時(shí)的效果。

這次實(shí)驗(yàn)的特別之處在于，他們把物體在不同時(shí)間拍攝的照片組合起來(lái)，把那些在光速度為每秒 2 米時(shí)從物體各點(diǎn)發(fā)出光的瞬間所照亮的區(qū)域，合成了一張靜態(tài)圖片。就這樣，特雷爾 - 彭羅斯效應(yīng)清晰地展現(xiàn)在大家眼前。最后，他們把這些靜態(tài)圖片做成了高速物體的短視頻，結(jié)果和預(yù)言完全一樣：立方體看起來(lái)像是被扭曲了，球體還是球體，但北極點(diǎn)的位置變了。

這次成功展示特雷爾 - 彭羅斯效應(yīng)，不僅是科學(xué)上的重大突破，也是藝術(shù)與科學(xué)完美結(jié)合的成果。最開(kāi)始，藝術(shù)家埃納爾?德?迪奧斯?羅德里格斯（Enar de Dios Rodriguez）和維也納大學(xué)、維也納工業(yè)大學(xué)合作開(kāi)展了一個(gè)藝術(shù)科學(xué)項(xiàng)目，探索超快攝影和由此產(chǎn)生的 “光的慢效應(yīng)”，為這次實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。現(xiàn)在，研究成果已經(jīng)發(fā)表在了《通信物理學(xué)》雜志上，這讓我們對(duì)相對(duì)論這個(gè)難以直觀理解的世界又多了一些認(rèn)識(shí)。

愛(ài)因斯坦相對(duì)論的這個(gè)預(yù)言被證實(shí)，讓我們看到了科學(xué)的神奇之處。大家對(duì)這次的發(fā)現(xiàn)有什么想法？你覺(jué)得相對(duì)論里還有哪些有趣的現(xiàn)象值得去探索呢？快來(lái)評(píng)論區(qū)一起討論吧！

參考資料：DOI:10.1038/s42005-025-02003-6