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作者：Keith Cooper

翻譯：daikin

校對：鐘藝

排版：邱和琴

后臺：朱宸宇

https://www.space.com/science/a-spaceship-moving-near-the-speed-of-light-would-appear-rotated-special-relativity-experiment-proves

這一理論最早可追溯至約70年前。

An illustration of a spaceship flying extremely fast in a colorful display.

(Image credit: Fug4s/Getty Images)

概念圖：一艘宇宙飛船在斑斕光帶中以接近光速飛行。

（圖源：Fug4s/Getty Images）

愛因斯坦狹義相對論揭示了一個奇特現象：當物體接近光速運動時，觀測者會看到其發生視覺翻轉。

狹義相對論主要闡釋了近光速運動物體的特殊效應，其中最顯著的有兩方面：第一是時間膨脹效應——相對于低速參照系，近光速物體的時間流速明顯變緩。這一現象不僅解釋了著名的雙生子悖論，更在GPS衛星定位等實際技術中得到應用驗證。

（譯者注：在物理學中，雙生子悖論是狹義相對論中的一個思想實驗，涉及一對雙胞胎，其中一個進行高速太空旅行，返回地球后發現留在地球上的那個雙胞胎變老了。這一結果看似令人困惑，因為每個雙胞胎都看到對方在移動，所以，由于錯誤套用時間膨脹和相對性原理，每個雙胞胎都應該錯誤地認為對方變老得更慢。）

第二項關鍵效應是長度收縮。"設想一枚以90%光速掠過的火箭"，維也納理工大學物理學家彼得·沙茨施耐德解釋道，"在我們看來，其長度會縮短至原長的43%。"

這種收縮并非實體變化，而是觀測效應。飛船內的宇航員仍會測得船體保持原有尺寸，這正是"相對性"原理的直觀體現。

1959年，物理學家特雷爾與彭羅斯提出推論：近光速運動的物體將呈現旋轉視覺效果，這一預言被稱為特雷爾-彭羅斯效應。

"拍攝高速運動的飛船時，"沙茨施耐德補充道，"必須考慮不同部位光線到達鏡頭的時間差。"

以博格立方體為例，沙茨施耐德教授這樣解釋：假設一艘立方體飛船以近光速斜向掠過觀測者，此時存在一個關鍵前提——立方體近端角落反射的光線傳播距離，遠短于遠端角落的反射光線。若兩個光子同時從對角位置發出，由于路徑差異，它們到達鏡頭的時間會產生微小偏移。這意味著在靜態圖像中，要確保光子同步抵達鏡頭，遠角光子必須比近角更早發出，這種時空錯位最終導致立方體在視覺上產生旋轉效果。

雖然上述理論推導看似合理，但實際觀測面臨根本性挑戰：立方體并非靜止——它以近光速疾馳，時空坐標瞬息萬變。在假設的靜態快照中，雖然遠角光子確實更早發出，但這些光子實際源自立方體完全不同的空間位點。由于運動速度接近光速，其位移差異被急劇放大。

沙茨施耐德用動態視角解釋這種時空錯位："當兩處光子最終抵達鏡頭時，原本的幾何對應關系已徹底改變——遠端角落的影像會覆蓋近端位置，反之亦然，這就像有人把立方體擰轉了一個角度。"

雖然該效應長期未被直接觀測，受制于將宏觀物體加速至近光速所需的天文級能量，但維也納理工大學聯合團隊研發出創新模擬方案：通過時空參數重構，成功在實驗室環境中復現相對論性物體的視覺旋轉效應。

這組影像揭示了近光速運動物體的視覺反轉現象。圖a)為長方體的基準校準圖像；圖b)呈現以99.9%光速運動的長度收縮球體產生的多重影像旋轉；圖c)展示立方體在高速狀態下的空間旋轉效果。（圖源：Hornoff等人（2025））

維也納理工大學學生多米尼克·霍諾夫與維多利亞·赫爾姆設計了一項創新實驗：他們通過參數重構構建出光速僅為6.56英尺（2米/秒）的虛擬場景。這種光速降維處理使得整個相對論效應過程被充分延緩，從而能夠被高速攝影系統精確捕捉。

霍諾夫與赫爾姆在聯合聲明中闡釋："我們在實驗室內移動立方體與球體，通過高速攝像機記錄這些物體不同位置在不同時刻反射的激光閃光。只要精確控制時間參數，就能創造出等效于光速僅2米/秒的觀測條件。"

為模擬實現長度收縮效應，立方體與球體均進行形變處理——以長寬比0.6的長方體模擬80%光速運動的"立方體"；對應99.9%光速運動的球體則被壓扁成圓盤狀。

實驗裝置解析：圖b)模擬長度收縮后球體的圓盤；圖c) 1×1×0.6米規格的長方體，模擬長度收縮后的立方體。（圖片來源：Hornoff等人（2025））

霍諾夫與赫爾姆分別使用激光器的極短脈沖照射立方體與球體，同時以萬億分之一秒（即皮秒）的超短曝光時間記錄反射光圖像。隨后合成的圖像僅保留那些在假設光速為每秒兩米（而非實際上的每秒299,792,458米）時本應發光的時間點被激光照亮的物體影像。

沙茨施耐德解讀到："我們將靜態幀序列合成為超高速物體的動態視頻，結果完全符合預期——立方體呈現螺旋扭曲形態，球體雖保持圓形但北極點發生顯著位移。"

特雷爾-彭羅斯效應再次印證：當自然法則被推向極端條件時，會展現出與日常經驗截然不同的顛倒錯亂現象。

該研究成果已于5月5日發表于《通訊-物理學》期刊

責任編輯：DAIKIN

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