爱因斯坦（Albert Einstein）的狭义相对论告诉我们，当一个物体以接近光速的速度运动时，我们习以为常的一些物理直觉就不再成立。例如，长度和时间都会发生变化，这些现象也已经多次在实验中得到验证。
然而，由于受限于技术手段，有一个有趣的相对论效应始终未能在实验中被直接观测到——那就是特勒尔-彭罗斯效应（Terrell-Penrose effect）。现在，在一项发表于《自然·物理》的研究中，研究人员首次可视化了这一长期停留在理论中的效应。
静止的错觉，旋转的真相
假设一枚火箭以光速的90%从我们身边飞驰而过，那么对于静止的观测者来说，它的长度将缩短为静止状态下的约43.5%——这就是相对论性长度收缩，又被称为洛伦兹收缩。然而，这种收缩并不能直接通过拍摄来呈现。
1959年，詹姆斯·特勒尔（James Terrell）与罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就独立提出：在快照照片中，高速运动的物体的洛伦兹收缩是无法直接显现的。相反，这个物体看起来是旋转的。
这种效应基于这样一个事实，即如果想要拍下一张高速移动的物体的照片，相机会在某个瞬间接收到来自物体各个点的光。这些光必须同时抵达镜头，才能形成一张快照图像。既然所有光要同时到达镜头，那么从物体上较远的位置发出的光就必须更早发出，才能与来自近处的光一起到达。
然而，在更早的时候，运动中的物体处于一个不同的位置。如此一来，相机接收到的这些光其实是从运动物体在不同时间的位置发出的。这些不同时间、不同位置的光线共同构成了这张照片。结果就是——你看到的物体图像，看起来像是被拉长了，在运动方向上有一种“延伸感”。这就在视觉上抵消了洛伦兹收缩，所以照片中的物体看起来像是静止状态下的物体那样——只是被旋转了一个角度。
简单来说，特勒尔与彭罗斯预言的这种视觉效应，正是长度收缩与光传播时间差的综合结果。在现实生活中，我们几乎察觉不到这种效应。即便是一辆速度极快的F1赛车从我们身边飞驰而过，其“前后光差”所对应的位移也极为微小。但如果是以接近光速飞行的火箭，旋转效应就将非常明显。
“放慢光速”的巧妙实验
从技术上看，在现实中将火箭加速至如此高的速度亦是天方夜谭。但在新的研究中，研究人员设计出一种别具创意、受艺术启发的解决方案：不是让物体更快，而是让“光变慢”。
他们通过使用极短的皮秒级激光脉冲与超高速摄影（门控时间短至300皮秒），在实验室中等效地模拟了一个“光速”不到每秒2米的世界。
在实验中，研究人员让一个直径为1米的球体和一个边长为1米的正方体缓慢移动。高速摄像机记录激光脉冲在不同时刻从物体不同部位反射的情况。只要时序控制得当，就能重建出一种视觉场景，其光学行为与光速仅为2米/秒的世界完全一致。
将一个景物的不同部分拍摄后拼接成一幅完整图像，在摄影中并不罕见。但这项实验的突破在于首次将“时间”作为一个维度纳入图像合成：物体在多个不同时刻被拍摄，每一部分图像都对应着激光闪光照亮该点的那个特定时刻——就好像光速仅为每秒2米时，光恰好从该点出发一样。
随后，这些在不同时间获得的图像被拼接成短视频，重建了在“慢光速世界”中超高速运动物体的视觉效果。结果正如预期：立方体看起来发生了旋转；球体依旧是球体，但“北极”的位置发生了偏移。
科学与艺术的联手突破
这是首次在实验室中实现特勒尔-彭罗斯效应。研究人员表示，这不仅是科学上的成功，也是艺术与科学共创的成果。这个项目的起点是艺术家Enar de Dios Rodriguez的一个艺术科学项目，旨在探索超高速摄影的可能性以及由此产生的“光速放慢”。
研究人员指出，他们所使用的方法有望拓展到其他视觉观测领域，帮助我们更好地理解直觉上难以琢磨的相对论世界。
#参考来源：
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/spezielle-relativitaetstheorie-sichtbar-gemacht
封面图&首图来源：TU Wien