Μια διεθνής ομάδα φυσικών από το Vienna University of Technology κατάφερε να αναπαραστήσει στο εργαστήριο μια οπτική ψευδαίσθηση που μέχρι σήμερα υπήρχε μόνο στη θεωρία, την εικόνα ενός αντικειμένου που φαίνεται να κινείται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Χρησιμοποιώντας υπερταχείες παλμικές ακτίνες laser και εξειδικευμένες κάμερες, οι ερευνητές μπόρεσαν να «αιχμαλωτίσουν» την ψευδαίσθηση που προκύπτει όταν η σχετικότητα συναντά την ανθρώπινη όραση.
Η θεωρία πίσω από την ψευδαίσθηση
Σύμφωνα με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Albert Einstein, ένα αντικείμενο που κινείται με πολύ υψηλή ταχύτητα θα πρέπει να φαίνεται «συμπιεσμένο» στη διεύθυνση της κίνησής του, φαινόμενο γνωστό ως συστολή Lorentz. Το αποτέλεσμα αυτό έχει επιβεβαιωθεί έμμεσα μέσω πειραμάτων σε επιταχυντές σωματιδίων, όπου σωματίδια που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός συμπεριφέρονται ακριβώς όπως προβλέπει η θεωρία.
Ωστόσο, ήδη από το 1959, οι Roger Penrose και James Terrell είχαν επισημάνει ότι στην πραγματικότητα ένας παρατηρητής ή μια κάμερα δεν θα έβλεπαν ένα «συμπιεσμένο» αντικείμενο. Λόγω του τρόπου με τον οποίο το φως από τα διάφορα σημεία του αντικειμένου φτάνει στον παρατηρητή με διαφορετική χρονική καθυστέρηση, η εικόνα θα εμφανιζόταν σαν να έχει υποστεί περιστροφή. Αυτή η οπτική ψευδαίσθηση, γνωστή πλέον ως Terrell-Penrose effect, έχει αποτελέσει θεωρητικό αντικείμενο μελέτης για δεκαετίες μέχρι τώρα.
Το πείραμα που έδωσε μορφή στη σχετικότητα
Η ομάδα του Dominik Hornof, θεωρητικού φυσικού στο Vienna University of Technology, αποφάσισε να αναπαράγει την ψευδαίσθηση στο εργαστήριο, χωρίς φυσικά να χρειαστεί να κινήσει πραγματικά ένα αντικείμενο με την ταχύτητα του φωτός, κάτι που είναι ενεργειακά αδύνατο.
Όσο πιο γρήγορα κινείται ένα αντικείμενο, τόσο αυξάνεται η ενεργός μάζα του. Καθώς πλησιάζουμε την ταχύτητα του φωτός, η απαιτούμενη ενέργεια γίνεται τεράστια. Ακόμη και τα πιο ισχυρά επιταχυντικά πειράματα μπορούν να φτάσουν τέτοιες ταχύτητες μόνο για ηλεκτρόνια.
Αντί να επιταχύνουν πραγματικά ένα αντικείμενο, οι φυσικοί αποφάσισαν να προσομοιώσουν το οπτικό αποτέλεσμα. Χρησιμοποίησαν έναν κύβο μήκους περίπου ενός μέτρου και εκτόξευσαν πάνω του εξαιρετικά βραχείς παλμούς laser διάρκειας μόλις 300 picoseconds, δηλαδή ένα δέκατο του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Μια κάμερα με «θυρίδα» χρονομέτρησης άνοιγε για αυτό το απειροελάχιστο διάστημα, καταγράφοντας κάθε φορά μια λεπτή «φέτα» φωτός.
Μετά από κάθε λήψη, οι ερευνητές μετακινούσαν τον κύβο περίπου 4,8 εκατοστά, την απόσταση που θα είχε διανύσει αν πράγματι κινούνταν με το 80% της ταχύτητας του φωτός κατά το μεσοδιάστημα των παλμών. Συνθέτοντας όλες αυτές τις «φέτες», δημιούργησαν ένα ενιαίο στιγμιότυπο του κύβου σε φαινομενική κίνηση.
Όταν ενώσεις όλα τα καρέ, το αντικείμενο φαίνεται σαν να επιταχύνει απίστευτα γρήγορα, παρότι στην πραγματικότητα δεν έχει κινηθεί καθόλου. Στο τέλος της ημέρας, πρόκειται απλώς για γεωμετρία.
Η ψευδαίσθηση της περιστροφής
Το ίδιο πείραμα επαναλήφθηκε και με μια σφαίρα, αυτή τη φορά με μετατόπιση 6 εκατοστών ανά βήμα, ώστε να προσομοιωθεί ταχύτητα 99,9% της ταχύτητας του φωτός. Όταν οι λήψεις ενώθηκαν, η σφαίρα φαινόταν να έχει ελαφρώς περιστραφεί, αποκαλύπτοντας τμήματα της πίσω πλευράς της.
Η περιστροφή δεν είναι πραγματική. Πρόκειται για οπτική ψευδαίσθηση. Η γεωμετρία του φωτός —ο τρόπος δηλαδή που τα φωτόνια από κάθε σημείο φτάνουν ταυτόχρονα στον παρατηρητή— ξεγελά τα μάτια μας.
Η εξήγηση αυτή δείχνει ότι το φαινόμενο Terrell-Penrose δεν έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία της σχετικότητας. Στην πραγματικότητα, το αντικείμενο εξακολουθεί να «συμπιέζεται» φυσικά στη διεύθυνση της κίνησης, όμως η εικόνα που καταγράφει μια κάμερα δεν αποτυπώνει αυτή τη φυσική μεταβολή. Επειδή το φως από την πίσω πλευρά χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να φτάσει, το αποτέλεσμα είναι μια οπτική μετατόπιση που κάνει το αντικείμενο να φαίνεται σαν να έχει περιστραφεί.
Όταν η θεωρία γίνεται ορατή
Η μελέτη είναι η πρώτη εργαστηριακή επιβεβαίωση του φαινομένου Terrell-Penrose, προσφέροντας μια σπάνια οπτικοποίηση ενός φαινομένου που έως τώρα ζούσε μόνο στις εξισώσεις.
Αυτό που μου αρέσει περισσότερο είναι η απλότητα της ιδέας. Με τη σωστή προσέγγιση, μπορείς να αναπαράγεις φαινόμενα της σχετικότητας μέσα σε ένα μικρό εργαστήριο. Ακόμα και προβλέψεις που έγιναν πριν από έναν αιώνα μπορούν να πάρουν ζωή με έναν άμεσο και κατανοητό τρόπο.
Το πείραμα αυτό δεν αποτελεί μόνο μια επιβεβαίωση της θεωρίας του Einstein, αλλά και μια υπενθύμιση ότι η φυσική δεν είναι αποκλειστικά πεδίο αφηρημένων μαθηματικών. Μέσα από τη σωστή δημιουργικότητα, η ίδια η γεωμετρία του φωτός μπορεί να αποκαλύψει τα παράδοξα του Σύμπαντος, φαινόμενα που, αν και φαινομενικά απίθανα, διέπονται από την ίδια λογική που ορίζει την πραγματικότητα.
[via]
