Фізики вперше показали ефект обертання тіл, що рухаються з релятивістськими швидкостями.

Дослідники з Віденського технічного університету та Віденського університету успішно експериментально підтвердили теорію Террелла-Пенроуза, зменшивши швидкість світла до рівня, що відповідає швидкості людської ходьби.

Науковці вперше в історії змогли експериментально підтвердити одне з передбачень теорії відносності Альберта Ейнштейна. Це передбачення стосується того, що об'єкти, що рухаються з швидкістю, близькою до швидкості світла, на зображеннях виглядають не стиснутими, а обернутими. Це remarkable досягнення стало можливим завдяки новаторському використанню лазерних технологій, які фактично зуміли уповільнити світло до швидкості, що відповідає швидкості ходьби.

Спеціальна теорія відносності, розроблена Альбертом Айнштайном, стверджує, що об'єкти, які переміщуються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, зазнають стиснення в напрямку свого руху — це явище називається скороченням Лоренца. Однак у 1959 році незалежно один від одного фізики Джеймс Террелл та Роджер Пенроуз (який отримав Нобелівську премію в 2020 році) висловили несподіване припущення: на фотографіях ці об'єкти виглядають не стиснутими, а, навпаки, обернутими.

До цього моменту жодна особа не могла зафіксувати цей феномен через величезні труднощі, пов'язані з фотографуванням об'єктів, які рухаються з релятивістськими швидкостями. Проте науковцям вдалося винайти новаторське рішення.

"У лабораторії ми переміщали куб і кулю, застосовуючи високошвидкісну камеру, щоб зафіксувати лазерні спалахи, які відбивалися від різних точок цих об'єктів у різні моменти часу", -- розповіли Вікторія Гельм і Домінік Горноф, студенти, що брали участь в експерименті.

"За правильного налаштування часу можна створити ситуацію, яка дає такі самі результати, як якби швидкість світла становила не більше 2 метрів на секунду", -- додали вони.

Ця проривна методика ефективно зменшує швидкість світла з його звичайних 300 мільйонів метрів на секунду до лише 2 метрів на секунду -- повільніше, ніж ходить людина -- що робить раніше невидимі релятивістські ефекти спостережуваними в лабораторних умовах.

Ефект виникає внаслідок того, що світло, яке відображається з різних ділянок швидко рухомого об'єкта, не досягає наших очей або камери в один і той же момент. Коли ми фотографуємо куб, що переміщується з надзвичайною швидкістю:

Професор Петер Шаттшнайдер з Віденського технічного університету пояснює: "Через це нам здається, ніби куб обернувся". Результати досліджень команди повністю відповідають теоретичним передбаченням, показуючи, що куб виглядає закрученим, тоді як куля залишається сферичною, але з ознаками обертання навколо осі.

Варто зазначити, що це інноваційне наукове відкриття стало результатом тісної співпраці між мистецтвом і наукою. Ініціатива почалася, коли художниця Енар де Діос Родрігес займалася вивченням надшвидкої фотографії та ідеєю "повільності світла" спільно з вченими з університетів Відня.

Застосовуючи лазерні імпульси тривалістю в пікосекунди (одна трильйонна частка секунди) та камери, здатні до експозиції до 300 пікосекунд, дослідницька команда розробила новий метод, який дозволяє зафіксувати відбите світло від точно розташованих об'єктів. Завдяки ретельній синхронізації знімків та їх об'єднанню в синтетичні "миттєві знімки", їм вдалося створити першу в історії візуальну демонстрацію ефекту Террелла-Пенроуза.

Вчені перетворили ці фотографії на короткі відеоролики, які демонструють об'єкти, що рухаються з віртуальними швидкостями: 0,8c (80% швидкості світла) для куба і 0,999c (99,9% швидкості світла) для сфери.

Дослідження також підкреслює сторіччя з моменту публікації статті фізика Антона Лампи 1924 року, яка вперше вивчила, як спостерігач міг би візуально сприймати релятивістське скорочення довжини. Ця робота стала основою для майбутніх передбачень, зроблених Терреллом і Пенроузом, через 35 років.

Особливо важливим у цих відкриттях є те, як вони поєднують математичну теорію та візуальну інтуїцію. Теорія відносності Айнштайна завжди кидала виклик нашому повсякденному розумінню фізики, але цей експеримент надає відчутний спосіб побачити ці абстрактні концепції в дії.

У своїй статті, опублікованій у Communications Physics, дослідники припускають, що їхній метод потенційно міг би продемонструвати інші неспостережувані релятивістські явища, включаючи знаменитий уявний експеримент Айнштайна з "потягом", який розкриває сталість швидкості світла.