人類首次！物理學家終於看到物體加速到99.9%光速的樣子
本文轉載自公衆號“環球科學”（id：huanqiukexue）
科學家首次在實驗室中模擬拍攝出物體以0.8倍光速運動的樣子丨原論文
它沒有縮短，反而轉起來了！
撰文 | 王昱
審校 | 冬鳶
你可能會想起在中學課本上學到的相對論，當物體以近光速運動時，它的長度會縮短，這一現象早已被各種各樣的物理實驗證實。所以你大概會認爲，如果有一個立方體從你面前以近光速經過，而你的視力又恰巧非常好，你應該會看到這個立方體在運動方向上被壓扁了。
但事實並非如此。狹義相對論確實表明物體在以光速運動時會發生“尺縮效應”，但這並不意味着這些物體“看上去”會縮短。相對論尺縮效應（洛倫茲收縮）依賴測量的同時性，但我們看到物體外貌的並不是物體本身，而是同時抵達我們眼中的光線。
當物體以近光速運動時，物體運動的速度和光線本身的速度接近。這會導致我們某一時刻看到的光線，是物體的不同部分在不同位置發出的，這會扭曲我們看到的圖像。這種扭曲能在數學上精確抵消尺縮效應，讓我們最終看到的物體沒有壓縮，而且就像扭轉了一樣。
1959年，英國科學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）和美國科學家詹姆斯·特雷爾（James Terrell）又獨立預測了這種效應，並讓更多人意識到了這一點。因此，這種現象被稱爲特雷爾-彭羅斯效應（Terrell-Penrose effect）。
立方體以不同速度運動時（c爲光速），尺縮效應（左）和它看起來的樣子（右）。當觀測者看到立方體後側的光線時，他看到的來自立方體前方的光線實際上是立方體運動到更前方時發出的。這會導致立方體看起來就像旋轉了一樣丨Stigmatella aurantiaca/wikipedia
球體以不同速度運動時（c爲光速），尺縮效應（左）和它看起來的樣子（右）。特雷爾-彭羅斯效應會導致它看起來就像旋轉了一樣丨Prokaryotic Caspase Homolog/wikipedia
不過，後來人們發現，這種現象其實早就有人討論過。最早是在1924年，奧地利物理學家安東·蘭帕（Anton Lampa）就討論了這種現象。而在人類發現這一現象差不多100年之後的今天，終於有科學家通過實驗觀測到了這種現象。
模擬光速運動
爲了直觀觀測到物體的扭轉，實驗必須使用宏觀物體而非微觀粒子進行。但很顯然，目前人類沒有任何手段將宏觀物體加速到接近光速——如果真的有人能做到這一點，那簡直就是《三體》中的“光粒”。所以，科學家只能在實驗室中模擬以光速運動的物體。
今年5月，一篇發表在《通訊物理》（Communications Physics）上的論文表示，科學家使用超短激光脈衝和超高速攝影技術，製作出光線的定格動畫，模擬出了物體以0.8倍光速（0.8c）、0.999倍光速（0.999c）運動時，它看起來的樣子。
在實驗的設置上，他們使用持續時間1皮秒（1秒=10¹²皮秒）的超短激光照亮物體，並同時在激光器旁邊架設超高速攝像機給物體拍照。拍照時，研究團隊將曝光時間限制到了400皮秒，在這樣短的時間內，光只能傳播12釐米。因爲這些光線是從攝像機旁邊的激光器發出，經過物體反射才抵達攝像機，所以他們拍出的照片實際上是物體在視線方向上厚6釐米的切片。
實驗設置情況丨原論文
通過調整激光發射的時間偏移，研究團隊可以拍到物體不同位置的6釐米切片。以下圖（a）爲例，研究人員可以使用這種方法，拍攝出物體從A到C的多個切片，每個切片厚度爲6釐米。
圖片來源：原論文
接着，研究人員將被拍攝的物體橫向移動4.8釐米，再重複上述的切片拍攝。不斷重複這個過程，他們就得到了物體在不同位置的大量切片拍攝圖片。接着，他們他們還需要將這些切片以特定順序組合成我們某一時刻看上去的樣子。
以上圖爲例，我們可以將物體在初始位置位於最遠端的切片（C端），和物體在下一個位置，但距離鏡頭更近的相鄰切片組合在一起。接着，將多個位置的不同切片照片按這樣的順序切片組合起來，我們就得到了物體以0.8倍光速運動的定格照片（4.8/6=0.8）。
將物體在不同位置（橫軸j）拍攝的不同切片照片（縱軸i，數字按從遠到近排列）按錯位方式組合成同一幀（S₀、S₁……），再將這些幀組合成連續的視頻，研究人員就能模擬出物體以近光速運動的視頻丨原論文
研究團隊按照這種方式製作出了多張照片，並將照片組合成視頻。視頻每秒播放30幀，光在相鄰切片之間傳播的距離爲6釐米，這相當於他們視頻中的模擬光速僅有1.8米/秒。就算視頻中的立方體移動速度僅有1.44米/秒，也相當於視頻中光速的0.8倍。
模擬立方體以0.8c運動的樣子丨原論文
極限光速
接着，研究團隊還將一個圓盤幾乎側對着攝像機，模擬圓盤以0.999c運動時的尺縮效應，並用上面拍攝立方體的方式，模擬拍攝了圓盤以0.999c運動的圖像。
模擬極端光速時，圓盤側對着攝像機丨原論文
結果顯示，就算物體因爲極端接近光速的運動，發生了嚴重的尺縮效應，它看起來也是一個完整的圓。原本側對着攝像機的圓盤，因爲特雷爾-彭羅斯效應就像轉了過來一樣，正面面向攝像機。
模擬圓盤以0.999c運動的樣子，開始多餘的部分爲支撐結構。拍攝時圓盤側對攝像機，但在最終圖像中它卻像轉過來了一樣丨原論文
你有猜到光速世界的樣子嗎？
參考論文：
https://www.nature.com/articles/s42005-025-02003-6
參考文獻
[1]https://www.livescience.com/physics-mathematics/physicists-capture-rare-illusion-of-an-object-moving-at-99-9-percent-the-speed-of-light
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
本文經授權轉載自 環球科學（ID：huanqiukexue）
