В 1959 году физики Джеймс Террелл и Роджер Пенроуз, работая независимо, продемонстрировали, что объект, приближающийся к скорости света, будет казаться наблюдателю не сжатым, а немного смещенным — из-за оптического эффекта, который ранее существовал лишь в теоретических моделях и численных расчетах. Сейчас этот эффект впервые получили экспериментальное подтверждение.
Одно из основных следствий специальной теории относительности, разработанной Эйнштейном — лоренцево сокращение — в соответствии с теорией относительности, длина объекта, движущегося с релятивистской скоростью, сокращается относительно его длины в состоянии покоя, а течение времени для него замедляется. Данное явление было неоднократно подтверждено экспериментами с частицами, скорость которых близка к скорости света.
Однако визуализировать так называемое вращение Террелла — Пенроуза — ранее этот оптический эффект, заключающийся в том, что движущийся с релятивистской скоростью объект воспринимается наблюдателем не как сжатый, а слегка повернутый, воспроизводили только в симуляциях. При этом поворот является иллюзией восприятия, а не физическим изменением формы или деформацией объекта. Он возникает из-за различий во времени прибытия света от разных его частей.
Для воссоздания визуальных эффектов, связанных с различными формами объектов, ученые из Венского университета (Австрия) во главе с Домиником Хорнофом (Dominik Hornof) использовали 3D-печатный куб (а также сферу) и освещали его последовательностью лазерных импульсов. Эффект замедления скорости света до двух метров в секунду был достигнут благодаря применению лазерных импульсов и высокоскоростной камеры.
Импульсы генерировались последовательно, с изменяющимся интервалом между ними, а макеты смещались на небольшое расстояние между экспозициями — такое, которое объект бы преодолел за время между импульсами при движении со скоростью, близкой к скорости света. Отраженный свет от различных частей куба и сферы фиксировался камерой, что позволяло поэтапно воссоздать одномоментное изображение движущегося объекта.
В результате исследования ученые получили серию снимков и анимаций, воспроизводящих визуальное восприятие объекта в движении. Все данные были объединены в один кадр, отражающий состояние объекта в определенный момент времени для наблюдателя. Благодаря этому физики смогли показать иллюзию поворота, напоминающую вращение Террелла — Пенроуза при наблюдении с ортогональной проекцией. Текст научной работы представлен в журнале Communications Physics.
В статье авторы указали, что скорость объекта оставалась невысокой, поскольку они моделировали оптическое искажение, а не физику движения при скоростях, близких к скорости света. Однако новый эксперимент, ставший первым в истории случаем физического моделирования релятивистского искажения изображения, открывает возможности для экспериментальной визуализации других эффектов, которые ранее существовали только в теории или численных симуляциях.