物理學家模擬出物體以光速運動的幻覺瞬間

2025-10-14 | 來源: 煎蛋網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

物理學家第一次在實驗室中“看見”了光速幻覺——一種看似違背直覺的視覺現象。當物體以接近光速的速度運動時，人眼看到的景象並不會像教科書中那樣被壓縮，而是發生一種奇異的旋轉。

這個被稱為“Terrell-Penrose效應”的現象，曾在理論中存在六十多年，如今終於在現實中被模擬出來。

研究團隊利用超快激光脈沖和特制相機，成功再現了這種相對論下的視覺錯覺。根據愛因斯坦的狹義相對論，運動中的物體會在前進方向上變短——這被稱為洛倫茲收縮。過去，人類在粒子加速器中間接驗證過這種效應，但那只是數據上的證明。

而在1959年，數學家Roger Penrose與物理學家James Terrell提出：如果用肉眼或相機直接觀看，一個以光速飛馳的物體並不會顯得被壓扁，而是看起來像被旋轉了。這並非物體真的在轉動，而是因為光從物體不同部位到達觀察者的時間不同，導致圖像被“扭曲”。

如今，奧地利維也納工業大學的量子物理學家Dominik Hornof和他的團隊，首次在實驗中重現了這一幻象，並將成果發表在《Communications Physics》上。

“最讓我著迷的是它的簡單。”Hornof說，“只要有正確的想法，即使在小小的實驗室裡，也能讓相對論的奇觀‘復活’。這證明了百年前的預言，仍能以直觀的方式被看見。”

在實驗中，研究人員利用超快激光脈沖和“門控相機”，拍攝了一個立方體和一個球體“以接近光速運動”的畫面。最終得到的影像中，立方體看似被旋轉，球體則像能讓人“看見它的側面”——這正是Terrell-Penrose效應的直接呈現。

當然，真正讓物體以光速運動是不可能的。Hornof解釋：“根據愛因斯坦的理論，物體速度越快，其等效質量就越大。接近光速時，所需能量幾乎無窮。”要讓一個立方體以那樣的速度前進，需要的能量遠超人類現有能力。“這就是為什麼我們必須用巨大的粒子加速器，才能讓電子稍微接近光速。”

於是，科學家們決定“模仿”這種效果，而不是去真正加速物體。

他們使用一個邊長一米的立方體，向它發射極短的激光脈沖——每次脈沖僅持續300皮秒，也就是十億分之一秒的三分之一。相機在那一瞬間打開，只捕捉反射的光線，得到一個極薄的“光片”。

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每拍一次，他們就將立方體向前移動4.8厘米，這個距離等效於在兩次脈沖間隔中，以光速80%的速度運動的結果。隨後，他們將所有的“光片”組合成一張完整的影像。

“當所有切片疊加在一起，物體看起來像在以不可思議的速度前進，”Hornof說，“其實它根本沒動，這一切只是幾何的魔法。”

他們用同樣的方法拍攝球體，每次移動6厘米，以模擬99.9%光速的視覺效果。結果顯示，立方體像被旋轉，球體則似乎能“被看見背面的一角”。

“這種旋轉不是真的，”Hornof笑著解釋，“那只是光線到達時差造成的錯覺。幾何在欺騙人眼。”

因此，Terrell-Penrose效應並不違背愛因斯坦的理論。真實的物體確實在運動方向上被壓縮，但相機並不會直接記錄這種收縮。由於來自物體背面的光比前面晚到，圖像中出現了時間錯位，從而讓物體看起來被“旋轉”。

Hornof說：“當我們計算出這種幾何結構時，都被它的美驚呆了。而當它真正出現在照片裡時，那一刻真是令人激動。”

在這場僅持續數十億分之一秒的實驗裡，人類第一次“看見”了光速帶來的幻象。

這不只是一次物理學實驗，更像一次視覺上的詩意重生——讓時間與空間的彎曲，在一束激光中，化為肉眼可見的奇跡。