轉載自《環(huán)球科學》

撰文：王昱

審校：冬鳶

當物體以接近光速運動，會變成什么樣子？請看以下動圖：

科學家在實驗室中模擬物體接近光速時運動的樣子。圖片來源：原論文

你可能在中學課本里學習過狹義相對論：當物體以近光速運動時，它的長度會縮短（“尺縮效應”），這一現(xiàn)象早已被各種各樣的物理實驗證實。

尺縮效應公式

所以你大概會認為，如果有一個立方體從你面前以近光速經(jīng)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。

但事實并非如此。狹義相對論確實表明物體在以光速運動時會發(fā)生“尺縮效應”，但這并不意味著這些物體“看上去”會縮短。

這是因為尺縮效應依賴測量的同時性，而我們看到物體外貌的并不是物體本身，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(fā)出的，從而扭曲我們看到的圖像。這種扭曲能在數(shù)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，英國科學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）和美國科學家詹姆斯·特雷爾（James Terrell）獨立預測了這種效應，并讓更多人意識到了這一點。因此，這種現(xiàn)象被稱為特雷爾-彭羅斯效應（Terrell-Penrose effect）。

立方體以不同速度運動時（c為光速），尺縮效應（左）和它看起來的樣子（右）。當觀測者看到立方體后側的光線時，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(fā)出的。這會導致立方體看起來就像旋轉了一樣。圖片來源：Wikipedia

球體以不同速度運動時（c為光速），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。圖片來源：Wikipedia

不過，后來人們發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)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(xiàn)象。而在人類發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象差不多100年之后的今天，有科學家通過實驗觀測到了這種現(xiàn)象。

模擬光速運動

為了直觀觀測到特雷爾-彭羅斯效應中物體的扭轉，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?！?。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(fā)表在《通訊物理》（Communications Physics）上的論文表示，科學家使用超短激光脈沖和超高速攝影技術，制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。

文章首先用下圖闡釋了特雷爾-彭羅斯效應的原理：

對于以接近光速（比如0.7倍光速）運動的物體，距離相機較遠點（如圖中的B點）的光必須比較近點（A點）更早發(fā)射，才能同時到達相機。在光從B傳播到A的這段時間內，物體已經(jīng)移動，A點移動到了A'的位置。（在速度遠低于光速時，這個移動可以忽略，所以我們在日常生活中不會感受到）

因此，相機捕捉到的并不是物體在某一時刻的瞬時狀態(tài)，而是由不同時刻、不同位置的碎片信息拼接而成的圖像。這導致物體在運動方向上看起來被拉長了，而這種拉長恰好精確地補償了洛倫茲收縮，最終效果就是物體看起來像是被旋轉了。

當下方的攝像機接收到圓盤B點的光線，同時接收到的圓盤A點的光線其實是從A'點發(fā)出的，因此視覺上會表現(xiàn)出傾斜。圖片來源：原論文

在具體實驗設置上，研究人員使用持續(xù)時間1皮秒（1秒=1012皮秒）的超短激光照亮運動物體，并同時在激光器旁邊架設超高速攝像機給物體拍照。每次激光脈沖后，相機在一個極短的特定延遲時間后開門曝光。

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，光的傳播距離是12厘米。因此，每次曝光只能捕獲到那些光程與“激光發(fā)射時間+延遲時間”精確匹配的物體部分反射回來的光。最終拍出的照片，實際上是光在物體上切割出、在視線方向上厚6厘米的“切片”。

通過調整激光發(fā)射和相機曝光兩者間的延遲時間，研究團隊可以拍到物體不同位置的切片。

實驗設置情況，下方為激光器和超高速攝像機，上方為接收并散射激光的物體。圖片來源：原論文

上述步驟獲得的是靜止物體在不同深度的時間切片。如何讓它看起來在高速運動呢？關鍵在于機械位移與圖像合成：

研究人員首先制作了按照洛倫茲因子收縮的物體模型。例如，一個邊長為1米的立方體，在0.8倍光速的速度下，其長度應收縮為原長的0.6倍，因此他們制作了一個 1m × 1m × 0.6m 的長方體。對于速度為0.999c的球體，模型則被壓縮成一個幾乎平坦的圓盤。

實驗使用的立方體，長寬高為1 × 1 × 0.6 米。圖片來源：原論文

接著，研究人員將被拍攝的物體橫向移動4.8厘米，再重復上述的切片拍攝。不斷重復這個過程，他們就得到了物體在不同位置的大量切片拍攝圖片。接著，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。

在完成一個位置的所有時間切片拍攝后，他們將物體在運動方向上移動一個特定的距離，模擬了物體一定速度的移動（為了模擬0.8倍光速，這個距離通過計算得出是4.8cm）。不斷重復，他們就得到了物體在不同位置的大量切片拍攝圖片。接著，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。

以之前圖片中的C點為例，我們可以將物體在初始位置位于最遠端的切片（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。接著，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。

將物體在不同位置（橫軸j）拍攝的不同切片照片（縱軸i，數(shù)字按從遠到近排列）按錯位方式組合成同一幀（S?、S?……），再將這些幀組合成連續(xù)的視頻，研究人員就能模擬出物體以近光速運動的視頻。圖片來源：原論文

研究團隊按照這種方式制作出了多張照片，并將照片組合成視頻。視頻每秒播放30幀，光在相鄰切片之間傳播的距離為6厘米，這相當于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，在視頻中也相當于光速的0.8倍。

模擬立方體以0.8c運動的樣子。圖片來源：原論文

極限光速

研究團隊還將一個圓盤幾乎側對著攝像機，模擬圓盤的尺縮效應，并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，圓盤側對著攝像機。圖片來源：原論文

結果顯示，就算物體因為極端接近光速的運動，發(fā)生了嚴重的尺縮效應，它看起來也是一個完整的圓。原本側對著攝像機的圓盤，因為特雷爾-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，開始多余的部分為支撐結構。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。圖片來源：原論文

你有猜到光速世界的樣子嗎？

參考論文：

https://www./articles/s42005-025-02003-6

參考鏈接：

https://www./physics-mathematics/physicists-capture-rare-illusion-of-an-object-moving-at-99-9-percent-the-speed-of-light

https://en./wiki/Terrell_rotation

撰文：王昱

審校：冬鳶