摘要：相对论运动的快照：特雷尔效应实验数据，该实验中特雷尔效应是故意以 0.999 c 的速度对一个洛伦兹收缩球体进行旋转，从右向左移动。（来源：Dominik Hornof等人，“相对论运动的快照：特雷尔效应的可视化”10.48550/arXiv.2409.042

相对论运动的快照：特雷尔效应实验数据，该实验中特雷尔效应是故意以 0.999 c 的速度对一个洛伦兹收缩球体进行旋转，从右向左移动。（来源：Dominik Hornof等人，“相对论运动的快照：特雷尔效应的可视化”10.48550/arXiv.2409.04296，CC-BY 4.0）

爱因斯坦狭义相对论的一个反直觉结果在被预测 65 多年后终于得到证实。该预测指出，以接近光速移动的物体在外部观察者看来会旋转，奥地利物理学家现在使用激光和超快定格相机进行了实验，观察到了这一点。

狭义相对论的核心假设是光速在所有参考系中都是相同的。因此，如果观察者看到一个物体以接近光速的速度运动，并同时测量其前后（沿运动方向）的距离，就会发现，由于来自物体两端的光子都以光速运动，因此该物体比观察者在物体参考系中看到的物体要短得多。这就是长期存在的洛伦兹收缩现象。

然而，1959 年，两位物理学家詹姆斯·特雷尔和未来的诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯分别发现了其他情况。如果物体相对于其长度具有显著的光学深度——换句话说，如果其平行于观察者视线的延伸与垂直于视线的延伸相当，就像立方体或球体的情况一样——那么来自物体远端（从观察者的角度来看）的光子将比来自近端的光子需要更长的时间才能到达观察者。因此，如果相机对移动物体进行即时快照，它将收集来自远端的较早发射的光子，同时收集来自近端的较晚发射的光子。

这种时间差会拉伸图像，使物体看起来更长，而洛伦兹收缩会使物体的测量值变短。由于拉伸和收缩相互抵消，拍摄的物体看起来长度根本没有变化。

但这并不是全部。要使抵消效应起作用，从物体面向其行进方向的部分到达观察者的光子必须比从其后缘发出的光子发射得晚。这是因为来自远端和后侧的光子来自物体通常被前侧和近侧遮挡的部分。然而，由于物体在光子传播所需的时间内移动，它为后缘光子到达相机创造了一条畅通的通道。

特雷尔和彭罗斯表明，累积效应是，当拍摄一个以接近光速行进的三维物体时，它看起来并不像人们天真预期的那样收缩，而是会旋转。

虽然已经构建了多个计算机模型来说明这种“特雷尔效应”旋转，但它在很大程度上仍是一个思想实验。然而，在这项新研究中，维也纳技术大学的Peter Schattschneider和同事在一个实验装置中实现了它。为此，他们将脉冲激光照射到两个移动物体之一上：一个球体或一个立方体。激光脉冲与收集物体散射光的皮秒相机同步。

研究人员对相机进行编程，使其在移动物体的每个位置产生一系列图像。然后，他们让物体移动到下一个位置，当激光再次脉冲时，用相机记录另一组超快图像。通过将相机响应不同激光脉冲记录的图像连接在一起，研究人员实际上能够将光速降低到 2 米/秒以下。

当他们这样做时，他们观察到物体旋转而不是收缩，正如 Terrell 和 Penrose 所预测的那样。虽然他们的结果确实与理论预测有些偏差，但这并不奇怪，因为这些预测基于某些假设。其中之一是入射光线应该与观察者平行，这只有在物体与观察者之间的距离无限大时才成立。另一个假设是每幅图像都应该立即记录下来，而真实相机的快门速度不可避免地是有限的。

由于他们的研究成果正在等待一家实行禁运政策的期刊发表，Schattschneider 和同事无法发表评论。然而，哈佛大学天体物理学家Avi Loeb对此印象深刻，他曾在 2017 年提出特雷尔效应可以应用于测量系外行星的质量：“（研究人员）在这里做了一个非常聪明的实验，他们使用来自一个物体的非常短的光脉冲，然后移动该物体，然后再次观察该物体，然后将这些快照组合成一部电影——因为它涉及到物体的不同部位在不同时间反射光，所以他们能够得到特雷尔和彭罗斯所设想的效果，”他说。尽管 Loeb 指出这项工作“并没有什么根本性的新鲜事物”，但他仍称其为“一次不错的实验确认”。

该研究可在arXiv预印本服务器上查阅。

来源：人工智能学家