Når et objekt bevæger sig ekstremt hurtigt – tæt på lysets hastighed – giver grundlæggende antagelser, som vi tager for givet, ikke længere gælder. Dette er den centrale konsekvens af Albert Einsteins særlige relativitetsteori. Objektet har derefter en anden længde end når det er i hvile, og tiden går forskelligt for objektet end det gør i laboratoriet. Alt dette er gentagne gange blevet bekræftet i eksperimenter.
Imidlertid er en interessant konsekvens af relativitet endnu ikke observeret-den såkaldte Terrell-Penrose-effekt. I 1959 konkluderede fysikere James Terrell og Roger Penrose (Nobelprisvinderen i 2020) uafhængigt af, at hurtige genstande skulle virke roteret. Imidlertid er denne effekt aldrig blevet demonstreret.
Nu er et samarbejde mellem Tu Wien (Wien) og University of Wien lykkedes for første gang med at gengive effekten ved hjælp af laserimpulser og præcisionskameraer – med en effektiv hastighed på 2 meter i sekundet. Forskningen offentliggøres i tidsskriftet Kommunikationsfysik.
Einsteins længde sammentrækning
“Antag, at en raket suser forbi os med 90% af lysets hastighed. For os har den ikke længere den samme længde som før den startede, men er 2,3 gange kortere,” forklarer prof. Peter Schattschneider fra Tu Wien. Dette er den relativistiske længde -sammentrækning, også kendt som Lorentz -sammentrækningen.
Imidlertid kan denne sammentrækning ikke fotograferes. “Hvis du ville tage et billede af raketten, da den fløj forbi, ville du være nødt til at tage højde for, at lyset fra forskellige punkter tog forskellige længder af tid for at nå kameraet,” forklarer Schattschneider.
Lyset, der kommer fra forskellige dele af objektet og ankom til linsen eller vores øje på samme tid, blev ikke udsendt på samme tid – og dette resulterer i komplicerede optiske effekter.
The Racing Cube: tilsyneladende roteret
Lad os forestille os, at det superhurtige objekt er en terning. Så er den side, der vender væk fra os, længere væk end den side, der vender mod os. Hvis to fotoner når vores øje på samme tid, en fra det forreste hjørne af terningen og en fra baghjørnet, har fotonen fra det bagerste hjørne rejst videre. Så det må have været udsendt på et tidligere tidspunkt. Og på det tidspunkt var terningen ikke på samme position som da lyset blev udsendt fra det forreste hjørne.
“Dette får det til at se ud som om terningen var blevet roteret,” siger Schattschneider. Dette er en kombination af sammentrækning af relativistisk længde og de forskellige rejsetider for lys fra forskellige punkter. Sammen fører dette til en tilsyneladende rotation, som forudsagt af Terrell og Penrose.
Naturligvis er dette irrelevant i hverdagen, selv når du fotograferer en ekstremt hurtig bil. Selv den hurtigste formel 1 -bil bevæger sig kun en lille brøkdel af afstanden i tidsforskellen mellem lyset, der udsendes ved siden af bilen, der vender væk fra os og den side, der vender mod os. Men med en raket, der kører tæt på lysets hastighed, ville denne effekt være tydeligt synlig.
Den effektive hastighed af let trick
Teknisk set er det i øjeblikket umuligt at fremskynde raketter til en hastighed, hvormed denne effekt kunne ses på et fotografi. Imidlertid fandt gruppen ledet af Peter Schattschneider fra Umem ved Tu Wien en anden løsning inspireret af ART: De brugte ekstremt korte laserimpulser og et højhastighedskamera til at genskabe effekten i laboratoriet.
“Vi flyttede en terning og en sfære rundt om laboratoriet og brugte højhastighedskameraet til at registrere laser-blink, der reflekteres fra forskellige punkter på disse objekter på forskellige tidspunkter,” forklar Victoria Helm og Dominik Hornof, de to studerende, der udførte eksperimentet. “Hvis du får timingen rigtigt, kan du skabe en situation, der giver de samme resultater, som om lysets hastighed ikke var mere end 2 meter i sekundet.”
Det er let at kombinere billeder af forskellige dele af et landskab til et stort billede. Hvad der er gjort her for første gang er at inkludere tidsfaktoren: objektet fotograferes på mange forskellige tidspunkter. Derefter blev områderne oplyst af laserblitz i det øjeblik, hvor lyset ville være udsendt fra det tidspunkt, hvis lysets hastighed kun var 2 m/s kombineres til et stillbillede. Dette gør Terrell-Penrose-effekten synlig.
“Vi kombinerede stillbillederne til korte videoklip af de ultrahurtige objekter. Resultatet var nøjagtigt, hvad vi forventede,” siger Schattschneider. “En terning ser ud til at være snoet, en kugle forbliver en kugle, men Nordpolen er på et andet sted.”
Når kunst og videnskab cirkler hinanden
Demonstrationen af Terrell-Penrose-effekten er ikke kun en videnskabelig succes-det er også resultatet af en ekstraordinær symbiose mellem kunst og videnskab. Udgangspunktet var et kunst-videnskabsprojekt af kunstneren Enar de Dios Rodriguez, der for flere år siden, i samarbejde med University of Wien og Wien University of Technology, udforskede mulighederne for ultra-hurtig fotografering og den resulterende “langsomhed i lys.”
Resultaterne kan hjælpe os med at forstå den intuitivt undvigende relativitetsverden lidt bedre.