Výskumníci po prvýkrát experimentálne dokázali efekt Terrell-Penrose a zaznamenali ho na film. Patrí k extrémnym limitom Einsteinovej teórie relativity.
Špeciálna teória relativity nám odhaľuje úžasné veci: rýchlo sa pohybujúci rovnobežnosten sa zdá byť otočený. (Zdroj obrázku: Adobe Firefly, generatívna umelá inteligencia)
Teórie Alberta Einsteina o povahe rýchlosti svetla majú dlhú históriu. Priestor a čas sa správajú odlišne, keď dosiahnu svoje limity, a svetlo je toho schopné.
Vedci sa dodnes zaoberajú hlbokými matematickými úvahami, ktoré pomocou špeciálnej teórie relativity opisujú úžasné javy.
Nedávno sa rakúskym vedcom podarilo v laboratóriu dokázať jednu z najextrémnejších predpovedí Einsteinovej matematiky: Terrellov-Penroseov efekt. Na to spomalili rýchlosť svetla a priniesli jeho surrealistické dôsledky do našich obývačiek.
Najextrémnejšia cesta vo vesmíre: rýchlosť svetla
V roku 1959 fyzici James Terrell a Roger Penrose nezávisle od seba dospeli k záveru: objekty pohybujúce sa rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla (c) sa zdajú byť zakrivené, hoci v skutočnosti sú nehybné. Tak vznikol Terrellov-Penroseov efekt.
Predstavte si, že stojíte v prázdnej miestnosti. Na dverách visí kocka, na šiestich stranách ktorej sú vyobrazené tváre zvierat: 5 mačiek a jeden pes. Pes sa otočí k vám a lapá po dychu. Teraz sa kocka náhle rozbehne rýchlosťou 90 percent rýchlosti svetla (asi 270 000 kilometrov za sekundu) a preletí okolo vás. Prosím, nestrkajte ruku a nekŕmte ho – nehryzie, ale môže vám odparit ruku. Namiesto toho neustále fotíte.
Kto sa na vás pozerá, keď kocky preletia okolo vás? Mačka. Terrellov-Penroseov efekt opisuje optické otáčanie objektu pohybujúceho sa rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla. Príčinou je rozdielna vzdialenosť medzi rohmi kocky. Zadné rohy sú o niečo ďalej ako predné. Svetlo zozadu prejde väčšiu vzdialenosť ako svetlo zpredu.
Vidíte kombináciu staršieho a mladšieho svetla, v dôsledku čoho sa kocka otáča – a pes sa už na vás nepozerá.
Pri bežných rýchlostiach (dokonca aj pri takých extrémnych, ako je rýchlosť rakiet) tento rozdiel nemá význam, ale pri rýchlosti blízkej rýchlosti svetla už má význam.
Súčasne vzniká efekt, ktorý predpovedal už Einstein: objekt sa skracuje (Lorenzov efekt). Rozdiely v čase prechodu svetla, ktoré ako prví opísali Terrell a Penrose, však vizuálne kompenzujú toto skrátenie, v dôsledku čoho sa objekt iba otáča a nemení svoju veľkosť pre pozorovateľa.
Všetko sme to už dávno predpokladali a vypočítali, pretože Einsteinova matematika dáva jednoznačné predpovede. Teraz sa však v laboratóriu podarilo získať experimentálne potvrdenie.
Spomalenie rýchlosti svetla v laboratóriu
Teraz vzniká otázka: ako môžeme pozorovať takýto jav? Samotné rozdiely by neboli viditeľné ani pomocou najrýchlejšej kamery, pretože rýchlosť svetla, ktorá je takmer 300 000 kilometrov za sekundu, je príliš veľká. Pre experiment viedski výskumníci v podstate spomalili svetlo na 2 metre za sekundu.
Inšpiráciou bola umelkyňa Enar de Dios Rodriguez, ktorá už skôr použila ultrarýchlu fotografiu v spolupráci s Viedenskou univerzitou a Technickou univerzitou vo Viedni. Teraz sa v laboratóriu pridali lasery, ktoré vysielali signály v krátkych impulzoch.
Vďaka laserom, ktoré sú ideálne kontrolovateľnými zdrojmi stroboskopického svetla, a množstvu matematiky výskumníci oklamali fyziku, bez toho aby porušili jej zákony: impulzy svetla s dĺžkou iba pikosekundy (0,000000000001 sekundy) v kombinácii s fotografiami zhotovenými v intervaloch 400 pikosekúnd počas experimentu spomalili svetlo.
Vďaka ideálnej synchronizácii sa tímu podarilo zostaviť zábery objektov tak, ako by vyzerali, keby bola rýchlosť svetla podstatne nižšia. Týmto spôsobom simulovali ultrarýchlu cestu objektov po laboratóriu a zachytili efekt Terrell-Penrose na videu.
Predstavte si nasledujúce: fotíte fragmenty krajiny a potom z desiatok samostatných fotografií vytvoríte celistvý panoramatický obraz. V tom čase však krajinou prechádza auto, ktoré sa objaví na viacerých fotografiách. Ak sa auto pohybuje rovnako rýchlo ako kocka, uvidíte podobný efekt. Auto bude vyzerať ako prevrátené.
Zaujímavé, ale obmedzená užitočnosť
Napriek tomu, aké kreatívne je toto riešenie v laboratórnych podmienkach a ako inteligentne obchádza fyzikálne zákony, jeho skutočná užitočnosť zostáva obmedzená:
V súčasnosti veda nepozná príklady použitia tohto efektu v každodennom živote, pretože ani my, ani žiadne nám známe objekty sa nepohybujú takou rýchlosťou. Hoci sme si už zvykli na účinky signálov šíriacich sa rýchlosťou svetla, zrýchlenie objektov do takej miery by bolo úlohou gigantických rozmerov.
Jediným viditeľným príkladom v súčasnosti je projekt Breakthrough Starshot. Ale aj tu, napriek bohatým sponzorom, ide o koncepciu, ktorá sa pravdepodobne nikdy nestane realitou v polovici roku 2025. A aj keby sa tak stalo, išlo by len o zlomok rýchlosti svetla a do akej miery by sa efekt Terrell-Penrose mohol využiť na nejaký výskum, zostáva predmetom špekulácií.
