أثبت الفيزيائيون تأثير النسبية البالغ من العمر 65 عامًا من خلال جعل الجسم يبدو وكأنه يتحرك بسرعة الضوء

باستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة وكاميرات خاصة، قام العلماء بمحاكاة وهم بصري يبدو أنه يتحدى نظرية أينشتاين نظرية النسبية الخاصة.

إحدى نتائج النسبية الخاصة هي أن الأجسام سريعة الحركة يجب أن تظهر أقصر في اتجاه الحركة، وهي ظاهرة تعرف باسم انكماش لورنتز. تم تأكيد هذا التأثير بشكل غير مباشر في تجارب مسرعات الجسيمات.

لكن في عام 1959، أشار عالم الرياضيات روجر بنروز والفيزيائي جيمس تيريل إلى أن المراقب الذي يحمل كاميرا لن يرى في الواقع جسمًا مسحوقًا على الإطلاق. بدلًا من ذلك، نظرًا لأن الضوء من أجزاء مختلفة من الجسم يستغرق أوقاتًا مختلفة للوصول إلى الكاميرا، فإنه سيبدو مستديرًا.

على الرغم من أن النماذج السابقة عملت مع هذا الوهم، والذي يسمى الآن تأثير تيريل-بنروز، إلا أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها القيام بذلك في بيئة معملية. ووصف الفريق نتائجهم في المجلة فيزياء الاتصالات.

“أكثر ما أحبه هو البساطة” دومينيك هورنوفوقال عالم فيزياء الكم في جامعة فيينا للتكنولوجيا والمؤلف الأول للدراسة لموقع لايف ساينس: “باستخدام الفكرة الصحيحة، يمكنك إعادة إنشاء التأثيرات النسبية في مختبر صغير. وهذا يوضح أنه حتى التنبؤات التي يعود تاريخها إلى قرن من الزمان يمكن إحياءها بطريقة بديهية حقًا.”

إعادة خلق الوهم

في الدراسة الجديدة، استخدم الفيزيائيون نبضات ليزر فائقة السرعة وكاميرات مسورة لإنتاج لقطات لمكعب وكرة “تتحرك” بسرعة تقارب سرعة الضوء. وأظهرت النتائج لقطات من الكائنات التي تم تدويرها. أثبت هذا أن تأثير تيريل-بنروز صحيح.

ولكن مثل كل دراسة، واجهت هذه الدراسة أيضًا صعوباتها. تحريك أي جسم بسرعة الضوء أو بالقرب منها هو حاليا مستحيل. وقال هورنوف: “كلما اقتربت من سرعة الضوء، فإن الطاقة التي تحتاجها تنمو بشكل كبير”. لا يمكننا توليد طاقة كافية لتسريع شيء مثل المكعب، و”لهذا السبب نحتاج إلى مسرعات جسيمات ضخمة، حتى لمجرد تحريك الإلكترونات بالقرب من تلك السرعة. سيتطلب الأمر كمية هائلة من الطاقة”.

لذلك استخدم الفريق بديلاً ذكياً. وقال هورنوف: “ما يمكننا فعله هو تقليد التأثير البصري”. لقد بدأوا بمكعب طوله حوالي 3 أقدام (متر واحد) على كل جانب. بعد ذلك، أطلقوا نبضات ليزر قصيرة جدًا – طول كل منها 300 بيكو ثانية فقط، أو حوالي عُشر مليار من الثانية – على الجسم. لقد التقطوا الضوء المنعكس بكاميرا مسورة تفتح فقط لتلك اللحظة وتنتج “شريحة” رقيقة في كل مرة.

وبعد كل شريحة، قاموا بتحريك المكعب للأمام بحوالي 1.9 بوصة (4.8 سم). هذه هي المسافة التي كان سيقطعها إذا كان يتحرك بسرعة 80% من سرعة الضوء أثناء التأخير بين النبضات. بعد ذلك، قام العلماء بتجميع كل هذه الشرائح معًا في لقطة للمكعب أثناء الحركة.

وقال هورنوف: “عندما تجمع كل الشرائح، يبدو الجسم وكأنه يتسارع بسرعة لا تصدق، على الرغم من أنه لم يتحرك على الإطلاق”. “في نهاية المطاف، إنها مجرد هندسة.”

كرروا العملية باستخدام كرة، وقاموا بإزاحتها بمقدار 2.4 بوصة (6 سم) في كل خطوة لتقليد سرعة الضوء بنسبة 99.9٪. عندما تم دمج الشرائح، ظهر المكعب مستديرًا وبدت الكرة كما لو كان بإمكانك إلقاء نظرة خاطفة على جوانبها.

وقال هورنوف: “التناوب ليس جسديًا”. “إنه خداع بصري. إن هندسة كيفية وصول الضوء في نفس الوقت تخدع أعيننا.”

ولهذا السبب فإن تأثير تيريل-بنروز لا يتعارض مع النسبية الخاصة لأينشتاين. يتم تقصير الجسم سريع الحركة فعليًا على طول اتجاه حركته، لكن الكاميرا لا تلتقط ذلك مباشرة. نظرًا لأن الضوء من الخلف يستغرق وقتًا أطول للوصول من الضوء من الأمام، فإن اللقطة تتغير بطريقة تجعل الكائن يبدو مستديرًا.

وقال هورنوف: “عندما قمنا بالحسابات، فوجئنا بمدى جمال الشكل الهندسي”. “لقد كانت رؤيته تظهر في الصور أمرًا مثيرًا حقًا.”

ملاحظة المحرر: تم تحديث هذه المقالة يوم الثلاثاء (14 أكتوبر) الساعة 11:15 صباحًا بالتوقيت الشرقي لإزالة خطأ في اقتباس حول نظرية النسبية لأينشتاين. ونحن نعتذر عن هذا الخطأ.