A fénysebesség illúziója – fizikusok először hozták létre laborban a Terrell–Penrose-hatást
A relativitás vizuális trükkje
Mi történne, ha egy tárgy majdnem fénysebességgel haladna el előttünk? Elsőre azt gondolnánk, hogy a mozgás irányában összenyomódna – hiszen Einstein speciális relativitáselmélete szerint ez a Lorentz-kontrakció következménye. A valóság azonban egészen másképp nézne ki. Egy új, látványos laboratóriumi kísérlet most először mutatta meg, hogyan is látnánk valójában egy közel fénysebességgel mozgó tárgyat – és az eredmény egy optikai illúzió, amit Terrell–Penrose-hatásnak neveznek.
Amikor a geometria csal
A jelenséget először 1959-ben írta le Roger Penrose matematikus és James Terrell fizikus. Ők mutattak rá arra, hogy egy száguldó tárgy nem egyszerűen „összepréseltnek” látszana. Mivel a fény különböző pontokról különböző időben érkezik el a megfigyelőhöz, az agyunk – vagy egy kamera – a tárgyat elforgatottnak érzékeli. A mozgás irányába torzuló forma helyett tehát egy furcsán elcsavart, háromdimenziós illúziót látunk.
Bár a Terrell–Penrose-hatást korábban számítógépes modellek már vizsgálták, most először sikerült fizikailag is megjeleníteni a laborban. A kutatás a Communications Physics folyóiratban jelent meg, a kísérletet a Bécsi Műszaki Egyetem kvantumfizikusai vezették, Dominik Hornof irányításával.
„A legjobban az tetszik benne, milyen egyszerű az ötlet” – mondta Hornof a Live Science-nek. – „A megfelelő elképzeléssel a relativisztikus hatásokat kis laborban is újra lehet teremteni. Még százéves elméleti jóslatok is életre kelthetők, ha jó szemszögből közelítünk.”
Fényvillanásokból épített illúzió
Mivel semmilyen tárgyat nem tudunk ténylegesen a fénysebesség közelébe gyorsítani – az ehhez szükséges energia elképzelhetetlenül nagy lenne –, a kutatók a látványt szimulálták.
Egy körülbelül egyméteres kockát helyeztek el a laborban, majd ultragyors, 300 pikoszekundumos (a másodperc milliárdod részének tizede) lézerimpulzusokat lőttek rá. A visszaverődő fényt speciális, úgynevezett „gated” kamerákkal rögzítették, amelyek csak az adott pillanatra nyíltak meg, és így egyetlen „fény-szeletet” rögzítettek.
Minden egyes felvétel után a kockát 4,8 centiméterrel előrébb mozdították – ez felel meg annak az útnak, amit a tárgy megtett volna, ha a fénysebesség 80%-ával halad. A sok-sok szeletet aztán egyetlen képpé illesztették össze, létrehozva a mozgás illúzióját.
„Amikor a szeleteket egymásra helyezzük, úgy tűnik, mintha a tárgy őrületes sebességgel száguldana, pedig valójában egyáltalán nem mozdult el” – magyarázta Hornof. – „Végül is az egész csak geometria.”
A gömb, amibe „belelátunk”
A kutatók megismételték a kísérletet egy gömbbel is, ezúttal 2,4 centiméteres eltolásokkal, ami a fénysebesség 99,9%-ának felel meg. Az eredmény: a gömb oldalai is láthatóvá váltak, mintha „belátnánk” mögé – ugyanúgy, ahogy azt a Terrell–Penrose-elmélet jósolta.
„A forgás nem valódi – ez puszta optikai illúzió” – mondta Hornof. – „A fény különböző pontokból eltérő időben érkezik meg, és ez megtéveszti a szemünket. Az agyunk ezt elfordulásként értelmezi.”
Nem ellentmondás, hanem kiegészítés
A jelenség tehát nem mond ellent Einstein elméletének. A fizikai valóságban a gyorsan mozgó tárgy ténylegesen rövidebb lesz a haladási irányban, ezt nevezzük Lorentz-kontrakciónak. A kamera viszont nem ezt a „valós” formát látja, hanem a fényútbeli különbségek miatt egy elfordult képet rögzít.
„Amikor elvégeztük a számításokat, meglepett, mennyire szépen működik a geometria” – tette hozzá Hornof. – „Amikor aztán a képeken is viszontláttuk, az igazán izgalmas pillanat volt.”
A százéves elmélet életre kel
A kísérlet tehát nemcsak egy régi fizikai paradoxont oldott fel, hanem vizuálisan is megmutatta, hogyan csal meg bennünket a fény. A Terrell–Penrose-hatás újra bizonyítja, hogy a relativitáselmélet nem csupán egy absztrakt matematikai konstrukció, hanem a valóság mély, érzékelhető szerkezete.
Ahogy Hornof fogalmazott: „Végül minden a fényről és a geometriáról szól. És arról, hogy mit látunk – vagy mit hiszünk látni.”
