Teoria względności została potwierdzona wizualnie

Teoria względności Alberta Einsteina od dawna fascynuje zarówno naukowców, jak i laików swoimi nieintuicyjnymi przewidywaniami dotyczącymi zachowania materii i energii przy prędkościach zbliżonych do prędkości światła. Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków wynikających z tej teorii jest tzw. efekt Terrella-Penrose'a, który został właśnie po raz pierwszy zademonstrowany eksperymentalnie, otwierając nowe możliwości wizualizacji zjawisk relatywistycznych.

Zgodnie ze szczególną teorią względności, obiekty poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła podlegają skróceniu Lorentza - czyli zmniejszeniu swoich wymiarów w kierunku ruchu. Intuicyjnie moglibyśmy oczekiwać, że obserwator powinien widzieć takie obiekty jako spłaszczone. 

Jednak w 1959 roku dwaj naukowcy - Roger Penrose i James Terrell - niezależnie od siebie odkryli, że w rzeczywistości obiekt poruszający się z relatywistyczną prędkością nie będzie wyglądał na skrócony, lecz będzie sprawiał wrażenie obróconego. To zaskakujące zjawisko, nazwane efektem Terrella-Penrose'a, wynika z faktu, że światło odbite od różnych części obiektu dociera do obserwatora w różnym czasie ze względu na skończoną prędkość światła.

Aż do niedawna efekt ten pozostawał głównie teoretycznym przewidywaniem i przedmiotem symulacji komputerowych, ponieważ obserwacja obiektów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła jest praktycznie niemożliwa w warunkach laboratoryjnych. Jednakże naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu i Uniwersytetu Wiedeńskiego opracowali niezwykle pomysłowy eksperyment, który pozwolił im zaobserwować i potwierdzić to zjawisko po raz pierwszy.

Zespół badawczy użył femtosekundowych impulsów laserowych i ultraszybkiej kamery z czasem otwarcia migawki wynoszącym zaledwie 300 pikosekund, co pozwoliło im na "spowolnienie" prędkości światła do zaledwie 2 metrów na sekundę. Dzięki temu badacze mogli obserwować obiekty poruszające się w warunkach, które symulują ruch z prędkościami relatywistycznymi.

W eksperymencie naukowcy wykorzystali dwa obiekty: sześcian i kulę, które zostały sztucznie "skrócone" zgodnie z przewidywaniami teorii względności, aby symulować ich wygląd przy prędkościach bliskich prędkości światła. Sześcian został przekształcony w prostopadłościan o proporcjach zmienionych zgodnie ze współczynnikiem Lorentza dla prędkości 0,8c (gdzie c to prędkość światła), a kula została ściśnięta niemal do kształtu dysku dla prędkości 0,999c.

Następnie badacze oświetlali te obiekty krótkimi impulsami laserowymi i fotografowali je po określonym czasie opóźnienia, tworząc serię zdjęć dla różnych pozycji obiektów. Te "plasterki" czasowe zostały później połączone w sekwencje, które pokazują, jak obiekt poruszający się z prędkością bliską prędkości światła byłby widoczny na fotografii wykonanej w jednym momencie.

Rezultaty eksperymentu potwierdziły teoretyczne przewidywania - zamiast widzieć zdeformowane, spłaszczone obiekty, obserwator widzi obiekty, które sprawiają wrażenie obróconych. Jak wyjaśnia Peter Schattschneider, jeden z badaczy: "Wynika to z połączenia relatywistycznego skrócenia długości i różnych czasów podróży światła z różnych punktów obiektu. Razem prowadzi to do pozornej rotacji, zgodnie z przewidywaniami Terrella i Penrose'a."

Co ciekawe, eksperyment ten powstał na styku nauki i sztuki. Inspiracją dla badań był projekt artystyczny Enar de Dios Rodriguez, która we współpracy z naukowcami badała możliwości ultraszybkiej fotografii i wynikającej z niej "powolności światła".

Potwierdzenie efektu Terrella-Penrose'a ma znaczenie nie tylko dla fizyki teoretycznej, ale również dla potencjalnych przyszłych obserwacji astronomicznych obiektów poruszających się z prędkościami relatywistycznymi oraz dla lepszego zrozumienia, jak wyglądałby świat widziany z pojazdu poruszającego się z prędkością bliską prędkości światła. Może to być szczególnie istotne w kontekście ewentualnych przyszłych podróży międzygwiezdnych.

Eksperyment stanowi również ważny krok w kierunku wizualizacji innych zjawisk relatywistycznych, które do tej pory były dostępne jedynie jako eksperymenty myślowe - jak słynny eksperyment "pociągu" ilustrujący stałość prędkości światła w różnych układach odniesienia.

W świecie, gdzie fizyka teoretyczna często oddala się od naszej codziennej intuicji, takie eksperymenty jak ten przeprowadzony przez austriackich naukowców mają ogromną wartość dydaktyczną, pozwalając nam lepiej zrozumieć abstrakcyjne koncepcje, które stoją u podstaw naszego rozumienia czasoprzestrzeni.