物理学家模拟出物体以光速运动的幻觉瞬间

2025-10-14 | 来源: 煎蛋网 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

物理学家第一次在实验室中“看见”了光速幻觉——一种看似违背直觉的视觉现象。当物体以接近光速的速度运动时，人眼看到的景象并不会像教科书中那样被压缩，而是发生一种奇异的旋转。

这个被称为“Terrell-Penrose效应”的现象，曾在理论中存在六十多年，如今终于在现实中被模拟出来。

研究团队利用超快激光脉冲和特制相机，成功再现了这种相对论下的视觉错觉。根据爱因斯坦的狭义相对论，运动中的物体会在前进方向上变短——这被称为洛伦兹收缩。过去，人类在粒子加速器中间接验证过这种效应，但那只是数据上的证明。

而在1959年，数学家Roger Penrose与物理学家James Terrell提出：如果用肉眼或相机直接观看，一个以光速飞驰的物体并不会显得被压扁，而是看起来像被旋转了。这并非物体真的在转动，而是因为光从物体不同部位到达观察者的时间不同，导致图像被“扭曲”。

如今，奥地利维也纳工业大学的量子物理学家Dominik Hornof和他的团队，首次在实验中重现了这一幻象，并将成果发表在《Communications Physics》上。

“最让我着迷的是它的简单。”Hornof说，“只要有正确的想法，即使在小小的实验室里，也能让相对论的奇观‘复活’。这证明了百年前的预言，仍能以直观的方式被看见。”

在实验中，研究人员利用超快激光脉冲和“门控相机”，拍摄了一个立方体和一个球体“以接近光速运动”的画面。最终得到的影像中，立方体看似被旋转，球体则像能让人“看见它的侧面”——这正是Terrell-Penrose效应的直接呈现。

当然，真正让物体以光速运动是不可能的。Hornof解释：“根据爱因斯坦的理论，物体速度越快，其等效质量就越大。接近光速时，所需能量几乎无穷。”要让一个立方体以那样的速度前进，需要的能量远超人类现有能力。“这就是为什么我们必须用巨大的粒子加速器，才能让电子稍微接近光速。”

于是，科学家们决定“模仿”这种效果，而不是去真正加速物体。

他们使用一个边长一米的立方体，向它发射极短的激光脉冲——每次脉冲仅持续300皮秒，也就是十亿分之一秒的三分之一。相机在那一瞬间打开，只捕捉反射的光线，得到一个极薄的“光片”。

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每拍一次，他们就将立方体向前移动4.8厘米，这个距离等效于在两次脉冲间隔中，以光速80%的速度运动的结果。随后，他们将所有的“光片”组合成一张完整的影像。

“当所有切片叠加在一起，物体看起来像在以不可思议的速度前进，”Hornof说，“其实它根本没动，这一切只是几何的魔法。”

他们用同样的方法拍摄球体，每次移动6厘米，以模拟99.9%光速的视觉效果。结果显示，立方体像被旋转，球体则似乎能“被看见背面的一角”。

“这种旋转不是真的，”Hornof笑着解释，“那只是光线到达时差造成的错觉。几何在欺骗人眼。”

因此，Terrell-Penrose效应并不违背爱因斯坦的理论。真实的物体确实在运动方向上被压缩，但相机并不会直接记录这种收缩。由于来自物体背面的光比前面晚到，图像中出现了时间错位，从而让物体看起来被“旋转”。

Hornof说：“当我们计算出这种几何结构时，都被它的美惊呆了。而当它真正出现在照片里时，那一刻真是令人激动。”

在这场仅持续数十亿分之一秒的实验里，人类第一次“看见”了光速带来的幻象。

这不只是一次物理学实验，更像一次视觉上的诗意重生——让时间与空间的弯曲，在一束激光中，化为肉眼可见的奇迹。