眼見未必為實(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的物體，看到的和真實(shí)的樣子并不相同

2025年發(fā)表在《通訊物理》上的一項(xiàng)研究，向我們證實(shí)了一件事情，那就是當(dāng)物體以接近光速的高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者看到的物體與物體實(shí)際的樣子并不相同，而且差別很大。

這是人類首次利用超高速攝影技術(shù)模擬出了高速運(yùn)動(dòng)物體的真實(shí)視覺效果。高速運(yùn)動(dòng)的物體本來應(yīng)該是什么樣子呢？這一點(diǎn)狹義相對論早就告訴我們了：高速運(yùn)動(dòng)的物體會在長度上發(fā)生收縮，這也就意味著當(dāng)一個(gè)宏觀物體以接近光速從我們眼前掠過，我們看到的應(yīng)該是它被壓扁的樣子，這種現(xiàn)象就被稱為“洛倫茲收縮”，已被無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

洛倫茲收縮時(shí)高速物理理論上的樣子，但這并不意味著我們的眼睛真的會看到一個(gè)壓扁的物體，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)比理論更復(fù)雜，以至于物理測量并不完全等同于視覺觀察。

1959年，兩位物理學(xué)家，羅杰·彭羅斯和詹姆斯·特雷爾獨(dú)立推導(dǎo)出了相同的結(jié)論，該結(jié)論后來被命名為“特雷爾彭羅斯效應(yīng)”，這一效應(yīng)表明，盡管高速運(yùn)動(dòng)的物體確實(shí)發(fā)生了長度收縮，但在觀察者眼中看到的卻并不是一個(gè)壓扁的物體，而是一個(gè)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)的物體。

為什么會產(chǎn)生這種差異呢？

簡單來講，當(dāng)一個(gè)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在一個(gè)瞬間接收到的視覺信號可能來自物體不同時(shí)刻、不同位置發(fā)出的光子，這種物體前端和后端發(fā)出的光到達(dá)觀察者眼睛的時(shí)間差異，就導(dǎo)致了圖像扭曲變形，而這種變形又恰好地笑了長度的收縮效應(yīng)，最終觀察者看到的就是物體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)的假象。特雷爾彭羅斯效應(yīng)本質(zhì)上是一種視覺錯(cuò)覺，而導(dǎo)致這種錯(cuò)覺發(fā)生的根本原因就是光傳播的有限速度。

盡管特雷爾彭羅斯效應(yīng)早已提出，但一直以來科學(xué)家們只能通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬來理解這種視覺現(xiàn)象，因?yàn)橐獙⒁粋€(gè)宏觀物體加速到接近光速，所需的能量遠(yuǎn)超人類現(xiàn)有的科技水平。

那么，這一次實(shí)驗(yàn)又是如何完成的呢？該實(shí)驗(yàn)并不是真的將一個(gè)宏觀物體加速到了光速，而是利用精密的光學(xué)技術(shù)創(chuàng)造出了一個(gè)等效的觀測條件。實(shí)驗(yàn)使用的是持續(xù)時(shí)間僅1皮秒的超短激光脈沖。1皮秒是非常短的，它只是一萬億分之一秒，在這么短的時(shí)間內(nèi)，光也只能傳播0.3毫米，而研究人員將曝光時(shí)間控制在400皮秒內(nèi)，于是每張照片捕捉的光傳播距離就被限制在了12厘米。

因?yàn)楣庖诎l(fā)出后經(jīng)物體反射才能返回相機(jī)，所以實(shí)際拍攝的就是6厘米的空間切片。

研究人員每次將物體橫向移動(dòng)4.8厘米后金星重復(fù)拍攝，最后再將不同位置、不同深度的切片按照特定規(guī)律錯(cuò)位組合，于是便呈現(xiàn)出了接近光速運(yùn)動(dòng)物體的視覺效果。按照這種方式拍攝出的圖像可以模擬運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)于光速80%的物體視覺效果。

通過這種模擬實(shí)驗(yàn)方法，特雷爾彭羅斯效應(yīng)得到了完美印證。

人們直觀的看到了視覺扭曲效果能夠精確抵消物理收縮，呈現(xiàn)出如旋轉(zhuǎn)過一般截然不同的圖像。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最有趣的地方在于，當(dāng)測試對象為立方體時(shí)，人們看到的不僅不是一個(gè)被壓扁的立方體，反而還能夠看到原本應(yīng)該被遮擋的側(cè)面和頂面。從天體物理學(xué)的角度來看，此次的研究成果有助于科學(xué)家更準(zhǔn)確的解釋宇宙中高速天體的觀測數(shù)據(jù)，比如相對論性噴流、中子星合并等，這些都是天文現(xiàn)象中接近光速的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。