维也纳的物理学家们利用激光和照相机模拟了慢光速，再现了爱因斯坦相对论中的一个奇异的视觉幻象——特雷尔-彭罗斯效应。

一个快速移动的立方体看起来是扭曲的，正如 60 多年前预测的那样。

接近光速时，相对论变得诡异

当物体的运动速度非常快，接近光速时，我们对空间和时间的日常理解便开始崩溃瓦解。这正是爱因斯坦狭义相对论的核心。物体在加速时实际上会变短，而且它们所经历的时间流逝速度与外部观察者的时间流逝速度截然不同。这听起来很疯狂，但无数实验已经证实了这一点。

但有一个令人费解的相对论预言，直到现在都还未曾有人目睹。它被称为特雷尔-彭罗斯效应，该效应表明，超高速运动的物体看起来不仅会变短，还会发生旋转。早在1959年，物理学家詹姆斯·特雷尔和罗杰·彭罗斯就各自独立得出了这一结论。如今，维也纳的科学家首次利用高速摄像机和激光脉冲，巧妙地在实验室环境中将光速本身减慢至每秒2米，从而在视觉上重现了这一奇怪的错觉。

你速度越快，你看起来就越矮

“假设一枚火箭以光速的90%从我们身旁呼啸而过。对我们来说，它的长度将不再与起飞前一样，而是缩短了2.3倍，”维也纳工业大学（TU Wien）的彼得·沙茨施奈德（Peter Schattschneider）教授解释道。这就是相对论长度收缩，也称为洛伦兹收缩。

然而，这种收缩无法被拍摄下来。“如果你想拍摄飞过时的火箭，你必须考虑到，来自不同点的光到达相机所需的时间是不同的，”彼得·沙茨施奈德解释道。来自物体不同部位并同时到达透镜或我们眼睛的光并非同时发出——这就导致了复杂的光学效应。

相对论的错觉：一个旋转的立方体

让我们设想这个超高速物体是一个立方体。那么远离我们的一面比朝向我们的一面距离更远。如果两个光子同时到达我们的眼睛，一个来自立方体的前角，一个来自后角，那么来自后角的光子传播的距离更远。因此它必然是在更早的时候发出的。而在那个时候，立方体并不在光子从前角发出时的位置。

彼得·沙察施耐德（Peter Schattschneider）说：“这在我们看来，立方体就好像被旋转了一样。”这是相对论的长度收缩和从不同点发出的光具有不同的传播时间这两者的结合。正如特雷尔（Terrell）和彭罗斯（Penrose）所预测的那样，这两者的结合导致了明显的旋转。

当然，这在日常生活中并无影响，即便是拍摄一辆速度极快的汽车时也是如此。即便是速度最快的一级方程式赛车，在车身背离我们的一侧与面向我们的一侧所发出的光线之间的时间差里，也只移动了极小的一段距离。但是，对于以接近光速行进的火箭而言，这一效应将显而易见。

在实验室中再现相对论

从技术上讲，目前不可能将火箭加速到能在照片中观察到这种效应的速度。然而，受艺术启发的维也纳工业大学USTEM的彼得·沙茨施奈德（Peter Schattschneider）领导的研究小组发现了另一种解决方案：他们使用极短的激光脉冲和高速摄像机，在实验室中再现了这种效应。

进行此次实验的两名学生维多利亚·赫尔姆和多米尼克·霍诺夫解释道：“我们在实验室里移动了一个立方体和一个球体，用高速摄像机记录下不同时间从这两个物体不同部位反射回来的激光闪光。如果时间把握得当，就能创造出一种情境，产生与光速不超过每秒2米时相同的结果。”

跨越时间的快照揭示不可能之事

将风景不同部分的图像结合成一张大图像很容易。但此次实验首次加入了时间因素：在多个不同时间点对物体进行拍照。然后，将假定光速仅为2米/秒时，光线从该点发出那一刻被激光闪光照亮的区域结合成一张静态图像。这样便能看到特雷尔-彭罗斯效应。

“我们将静态图像合成为超高速物体的短视频。结果正如我们所料，”彼得·沙茨施奈德（Peter Schattschneider）说道，“立方体看起来是扭曲的，球体仍然是球体，但北极点位于不同的位置。”

当物理与艺术相遇

特雷尔-彭罗斯效应的演示不仅是一次科学上的成功，也是艺术与科学之间非同寻常共生作用的结果。这一项目的起点是艺术家埃纳尔·德·迪奥斯·罗德里格斯的一个艺术与科学项目，几年前，他与维也纳大学和维也纳理工大学合作，探索了超高速摄影的可能性以及由此产生的“光的缓慢”。

目前，该研究成果已发表在《通讯物理》期刊上——这一进展或许能够帮助我们更好地理解直觉上难以捉摸的相对论世界。

参考文献：《相对论运动的快照：特雷尔-彭罗斯效应的可视化》，作者：多米尼克·霍诺夫、维多利亚·赫尔姆、埃纳尔·德·迪奥斯·罗德里格斯、托马斯·尤夫曼、菲利普·哈斯林格和彼得·沙茨施奈德，发表于2025年4月31日，《通讯物理》杂志。数字对象唯一标识符：10.1038/s42005-025-02003-6

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