北京
2025年发表在《通讯物理》上的一项研究，向我们证实了一件事情，那就是当物体以接近光速的高速运动时，观察者看到的物体与物体实际的样子并不相同，而且差别很大。
这是人类首次利用超高速摄影技术模拟出了高速运动物体的真实视觉效果。高速运动的物体本来应该是什么样子呢？这一点狭义相对论早就告诉我们了：高速运动的物体会在长度上发生收缩，这也就意味着当一个宏观物体以接近光速从我们眼前掠过，我们看到的应该是它被压扁的样子，这种现象就被称为“洛伦兹收缩”，已被无数实验证实。
洛伦兹收缩时高速物理理论上的样子，但这并不意味着我们的眼睛真的会看到一个压扁的物体，因为现实比理论更复杂，以至于物理测量并不完全等同于视觉观察。
1959年，两位物理学家，罗杰·彭罗斯和詹姆斯·特雷尔独立推导出了相同的结论，该结论后来被命名为“特雷尔彭罗斯效应”，这一效应表明，尽管高速运动的物体确实发生了长度收缩，但在观察者眼中看到的却并不是一个压扁的物体，而是一个发生了旋转的物体。
为什么会产生这种差异呢？
简单来讲，当一个物体以接近光速运动时，观察者在一个瞬间接收到的视觉信号可能来自物体不同时刻、不同位置发出的光子，这种物体前端和后端发出的光到达观察者眼睛的时间差异，就导致了图像扭曲变形，而这种变形又恰好地笑了长度的收缩效应，最终观察者看到的就是物体发生了旋转的假象。特雷尔彭罗斯效应本质上是一种视觉错觉，而导致这种错觉发生的根本原因就是光传播的有限速度。
尽管特雷尔彭罗斯效应早已提出，但一直以来科学家们只能通过数学推导和计算机模拟来理解这种视觉现象，因为要将一个宏观物体加速到接近光速，所需的能量远超人类现有的科技水平。
那么，这一次实验又是如何完成的呢？该实验并不是真的将一个宏观物体加速到了光速，而是利用精密的光学技术创造出了一个等效的观测条件。实验使用的是持续时间仅1皮秒的超短激光脉冲。1皮秒是非常短的，它只是一万亿分之一秒，在这么短的时间内，光也只能传播0.3毫米，而研究人员将曝光时间控制在400皮秒内，于是每张照片捕捉的光传播距离就被限制在了12厘米。
因为光要在发出后经物体反射才能返回相机，所以实际拍摄的就是6厘米的空间切片。
研究人员每次将物体横向移动4.8厘米后金星重复拍摄，最后再将不同位置、不同深度的切片按照特定规律错位组合，于是便呈现出了接近光速运动物体的视觉效果。按照这种方式拍摄出的图像可以模拟运动速度相当于光速80%的物体视觉效果。
通过这种模拟实验方法，特雷尔彭罗斯效应得到了完美印证。
人们直观的看到了视觉扭曲效果能够精确抵消物理收缩，呈现出如旋转过一般截然不同的图像。这个实验最有趣的地方在于，当测试对象为立方体时，人们看到的不仅不是一个被压扁的立方体，反而还能够看到原本应该被遮挡的侧面和顶面。从天体物理学的角度来看，此次的研究成果有助于科学家更准确的解释宇宙中高速天体的观测数据，比如相对论性喷流、中子星合并等，这些都是天文现象中接近光速的物质运动。
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