北京
2025年發表在《通訊物理》上的一項研究，向我們證實了一件事情，那就是當物體以接近光速的高速運動時，觀察者看到的物體與物體實際的樣子并不相同，而且差別很大。
這是人類首次利用超高速攝影技術模擬出了高速運動物體的真實視覺效果。高速運動的物體本來應該是什么樣子呢？這一點狹義相對論早就告訴我們了：高速運動的物體會在長度上發生收縮，這也就意味著當一個宏觀物體以接近光速從我們眼前掠過，我們看到的應該是它被壓扁的樣子，這種現象就被稱為“洛倫茲收縮”，已被無數實驗證實。
洛倫茲收縮時高速物理理論上的樣子，但這并不意味著我們的眼睛真的會看到一個壓扁的物體，因為現實比理論更復雜，以至于物理測量并不完全等同于視覺觀察。
1959年，兩位物理學家，羅杰·彭羅斯和詹姆斯·特雷爾獨立推導出了相同的結論，該結論后來被命名為“特雷爾彭羅斯效應”，這一效應表明，盡管高速運動的物體確實發生了長度收縮，但在觀察者眼中看到的卻并不是一個壓扁的物體，而是一個發生了旋轉的物體。
為什么會產生這種差異呢？
簡單來講，當一個物體以接近光速運動時，觀察者在一個瞬間接收到的視覺信號可能來自物體不同時刻、不同位置發出的光子，這種物體前端和后端發出的光到達觀察者眼睛的時間差異，就導致了圖像扭曲變形，而這種變形又恰好地笑了長度的收縮效應，最終觀察者看到的就是物體發生了旋轉的假象。特雷爾彭羅斯效應本質上是一種視覺錯覺，而導致這種錯覺發生的根本原因就是光傳播的有限速度。
盡管特雷爾彭羅斯效應早已提出，但一直以來科學家們只能通過數學推導和計算機模擬來理解這種視覺現象，因為要將一個宏觀物體加速到接近光速，所需的能量遠超人類現有的科技水平。
那么，這一次實驗又是如何完成的呢？該實驗并不是真的將一個宏觀物體加速到了光速，而是利用精密的光學技術創造出了一個等效的觀測條件。實驗使用的是持續時間僅1皮秒的超短激光脈沖。1皮秒是非常短的，它只是一萬億分之一秒，在這么短的時間內，光也只能傳播0.3毫米，而研究人員將曝光時間控制在400皮秒內，于是每張照片捕捉的光傳播距離就被限制在了12厘米。
因為光要在發出后經物體反射才能返回相機，所以實際拍攝的就是6厘米的空間切片。
研究人員每次將物體橫向移動4.8厘米后金星重復拍攝，最后再將不同位置、不同深度的切片按照特定規律錯位組合，于是便呈現出了接近光速運動物體的視覺效果。按照這種方式拍攝出的圖像可以模擬運動速度相當于光速80%的物體視覺效果。
通過這種模擬實驗方法，特雷爾彭羅斯效應得到了完美印證。
人們直觀的看到了視覺扭曲效果能夠精確抵消物理收縮，呈現出如旋轉過一般截然不同的圖像。這個實驗最有趣的地方在于，當測試對象為立方體時，人們看到的不僅不是一個被壓扁的立方體，反而還能夠看到原本應該被遮擋的側面和頂面。從天體物理學的角度來看，此次的研究成果有助于科學家更準確的解釋宇宙中高速天體的觀測數據，比如相對論性噴流、中子星合并等，這些都是天文現象中接近光速的物質運動。
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