Trong một sự phản ứng kỳ lạ của Thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, các vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng dường như bị lật ngược lại.
Thuyết tương đối hẹp, hay gọi tắt là thuyết tương đối hẹp, mô tả những gì xảy ra với các vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Đặc biệt, nó thảo luận về hai phản ứng chính của việc di chuyển quá nhanh. Một là thời gian rõ ràng sẽ trôi qua chậm hơn đối với vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng so với các vật thể di chuyển chậm hơn xung quanh nó. Điều này bắt nguồn từ một hiện tượng được gọi là "giãn thời gian", cũng dẫn đến Nghịch lý song sinh nổi tiếng, đã được chứng minh bằng thực nghiệm và thậm chí còn được xem xét khi xây dựng một số loại công nghệ nhất định. Ví dụ, các vệ tinh Khảo sát định vị toàn cầu (GPS) trên quỹ đạo phải tính đến sự giãn thời gian khi cung cấp dữ liệu định vị chính xác.
Một hậu quả khác là cái mà chúng ta gọi là sự co lại chiều dài. "Giả sử một tên lửa bay vụt qua chúng ta với tốc độ bằng 90% tốc độ ánh sáng", Peter Schattschneider, giáo sư vật lý tại TU Wien, Đại học Công nghệ Vienna, cho biết trong tuyên bố. "Đối với chúng tôi, nó không còn có cùng chiều dài như trước khi cất cánh, mà ngắn hơn 2,3 lần."
Điều này không có nghĩa là tên lửa thực sự co lại, mà là nó có vẻ co lại đối với người quan sát. Ví dụ, các phi hành gia trên tàu vũ trụ vẫn sẽ đo được tàu vũ trụ của họ có cùng chiều dài như trước đây. Tất cả đều tương đối — do đó có tên của lý thuyết này.
Một hệ quả của sự co lại chiều dài đã được các nhà vật lý James Terrell và Roger Penrose đề xuất vào năm 1959. Được gọi là hiệu ứng Terrell–Penrose, nó dự đoán rằng các vật thể chuyển động với một phần lớn tốc độ ánh sáng sẽ xuất hiện như đang quay.
"Nếu bạn muốn chụp ảnh tên lửa khi nó bay qua, bạn sẽ phải tính đến việc ánh sáng từ các điểm khác nhau mất các khoảng thời gian khác nhau để đến được máy ảnh", Schattschneider cho biết.
Ví dụ, Schattschneider mô tả việc cố gắng chụp ảnh một tàu vũ trụ hình khối — có lẽ là khối Borg! — di chuyển xiên qua chúng ta với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Trước tiên, chúng ta cần nêu rõ điều hiển nhiên, đó là ánh sáng phát ra (hoặc phản xạ) từ một góc ở cạnh gần nhất của khối lập phương với chúng ta đi một khoảng cách ngắn hơn so với ánh sáng từ góc ở cạnh xa nhất của khối lập phương. Do đó, hai photon khởi hành cùng lúc từ mỗi góc trong hai góc đó sẽ đến được chúng ta vào những thời điểm hơi khác nhau, vì một photon phải di chuyển xa hơn photon kia. Điều này có nghĩa là trong một hình ảnh tĩnh, trong đó tất cả các photon được chụp đều đến ống kính máy ảnh cùng một lúc, photon từ góc xa phải khởi hành sớm hơn photon từ góc gần để đến đồng bộ.
Cho đến nay, vẫn hợp lý. Tuy nhiên, khối lập phương này không đứng yên — nó di chuyển cực nhanh và bao phủ một vùng rộng lớn rất nhanh.
Do đó, trong hình ảnh tĩnh giả định của chúng ta về khối lập phương đang di chuyển nhanh này, photon góc xa được phát ra sớm hơn photon góc gần như mong đợi — ngoại trừ khi khối lập phương ở vị trí khác.Và, vì khối lập phương đang di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, nên vị trí đó thực sự rất khác.
"Điều này khiến chúng ta có cảm giác như khối lập phương đã bị xoay", Schattschneider nói. Khi hai photon này đến được với chúng ta, góc ở phía xa trông giống như nó ở góc gần và ngược lại.
Tuy nhiên, hiệu ứng này chưa từng được quan sát thấy trước đây; việc tăng tốc bất kỳ thứ gì ngoài các hạt lên gần tốc độ ánh sáng đòi hỏi quá nhiều năng lượng. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu từ TU Wien và Đại học Vienna, bao gồm Schattschneider, đã tìm ra cách mô phỏng các điều kiện cần thiết để xoay ảnh của một vật thể tương đối tính.
Sinh viên Dominik Hornoff và Victoria Helm của TU Wien đã thực hiện một thí nghiệm trong đó họ có thể tạo ra một kịch bản mà họ có thể giả vờ rằng tốc độ ánh sáng chỉ là 6,56 feet (2 mét) mỗi giây. Điều này có tác dụng làm chậm toàn bộ quá trình lại để họ có thể chụp lại bằng máy ảnh tốc độ cao.
"Chúng tôi di chuyển một khối lập phương và một quả cầu xung quanh phòng thí nghiệm và sử dụng máy ảnh tốc độ cao để ghi lại các tia laser phản xạ từ các điểm khác nhau trên các vật thể này tại các thời điểm khác nhau", Hornoff và Helm cho biết trong một tuyên bố chung. "Nếu bạn căn thời gian đúng, bạn có thể tạo ra một tình huống tạo ra kết quả tương tự như khi tốc độ ánh sáng không quá hai mét mỗi giây."
Khối lập phương và hình cầu bị biến dạng để mô phỏng sự co lại của chiều dài — khối lập phương, được mô phỏng là di chuyển với tốc độ bằng 80% tốc độ ánh sáng, thực chất là một khối hộp chữ nhật có tỷ lệ khung hình là 0,6, trong khi hình cầu được làm phẳng thành một đĩa theo vận tốc bằng 99,9% tốc độ ánh sáng.
Câu chuyện liên quan:
— Einstein lại chiến thắng! Máy gia tốc hạt lớn phát hiện ra rằng các hạt quark tuân theo định luật tương đối
— Kính viễn vọng 'vũ trụ tối' Euclid phát hiện ra vành đai Einstein tuyệt đẹp trong không-thời gian cong vênh (hình ảnh)
— Lý thuyết mới cho thấy rằng sau cùng thì các lỗ đen có thể tuân theo định luật vật lý
Hornoff và Helm lần lượt chiếu sáng khối lập phương và hình cầu bằng các xung cực ngắn từ tia laser; họ cũng ghi lại hình ảnh của ánh sáng phản chiếu với thời gian phơi sáng của máy ảnh chỉ bằng một phần nghìn tỷ giây (khoảng thời gian được gọi là pico giây). Sau mỗi hình ảnh, khối lập phương và quả cầu được định vị lại như thể chúng đang di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Sau đó, các hình ảnh được kết hợp để chỉ bao gồm những hình ảnh mà mỗi vật thể được chiếu sáng bằng tia laser tại thời điểm ánh sáng sẽ được phát ra nếu tốc độ ánh sáng chỉ là hai mét mỗi giây, thay vì 983.571.056 feet (299.792.458 mét) mỗi giây như thực tế.
"Chúng tôi đã kết hợp các hình ảnh tĩnh thành các đoạn video clip ngắn về các vật thể cực nhanh. Kết quả chính xác như chúng tôi mong đợi", Schattschneider cho biết. "Một khối lập phương có vẻ bị xoắn, một quả cầu vẫn là một quả cầu nhưng cực bắc lại ở một vị trí khác."
Hiệu ứng Terrell–Penrose chỉ là một ví dụ khác về cách mà thiên nhiên, khi bị đẩy đến mức cực đoan, trở nên đảo lộn, tạo ra những hiện tượng hoàn toàn xa lạ với sự tồn tại của chúng ta.
Những phát hiện này đã được trình bày vào ngày 5 tháng 5 trên tạp chí Vật lý truyền thông.
Thuyết tương đối hẹp, hay gọi tắt là thuyết tương đối hẹp, mô tả những gì xảy ra với các vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Đặc biệt, nó thảo luận về hai phản ứng chính của việc di chuyển quá nhanh. Một là thời gian rõ ràng sẽ trôi qua chậm hơn đối với vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng so với các vật thể di chuyển chậm hơn xung quanh nó. Điều này bắt nguồn từ một hiện tượng được gọi là "giãn thời gian", cũng dẫn đến Nghịch lý song sinh nổi tiếng, đã được chứng minh bằng thực nghiệm và thậm chí còn được xem xét khi xây dựng một số loại công nghệ nhất định. Ví dụ, các vệ tinh Khảo sát định vị toàn cầu (GPS) trên quỹ đạo phải tính đến sự giãn thời gian khi cung cấp dữ liệu định vị chính xác.
Một hậu quả khác là cái mà chúng ta gọi là sự co lại chiều dài. "Giả sử một tên lửa bay vụt qua chúng ta với tốc độ bằng 90% tốc độ ánh sáng", Peter Schattschneider, giáo sư vật lý tại TU Wien, Đại học Công nghệ Vienna, cho biết trong tuyên bố. "Đối với chúng tôi, nó không còn có cùng chiều dài như trước khi cất cánh, mà ngắn hơn 2,3 lần."
Điều này không có nghĩa là tên lửa thực sự co lại, mà là nó có vẻ co lại đối với người quan sát. Ví dụ, các phi hành gia trên tàu vũ trụ vẫn sẽ đo được tàu vũ trụ của họ có cùng chiều dài như trước đây. Tất cả đều tương đối — do đó có tên của lý thuyết này.
Một hệ quả của sự co lại chiều dài đã được các nhà vật lý James Terrell và Roger Penrose đề xuất vào năm 1959. Được gọi là hiệu ứng Terrell–Penrose, nó dự đoán rằng các vật thể chuyển động với một phần lớn tốc độ ánh sáng sẽ xuất hiện như đang quay.
"Nếu bạn muốn chụp ảnh tên lửa khi nó bay qua, bạn sẽ phải tính đến việc ánh sáng từ các điểm khác nhau mất các khoảng thời gian khác nhau để đến được máy ảnh", Schattschneider cho biết.
Ví dụ, Schattschneider mô tả việc cố gắng chụp ảnh một tàu vũ trụ hình khối — có lẽ là khối Borg! — di chuyển xiên qua chúng ta với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Trước tiên, chúng ta cần nêu rõ điều hiển nhiên, đó là ánh sáng phát ra (hoặc phản xạ) từ một góc ở cạnh gần nhất của khối lập phương với chúng ta đi một khoảng cách ngắn hơn so với ánh sáng từ góc ở cạnh xa nhất của khối lập phương. Do đó, hai photon khởi hành cùng lúc từ mỗi góc trong hai góc đó sẽ đến được chúng ta vào những thời điểm hơi khác nhau, vì một photon phải di chuyển xa hơn photon kia. Điều này có nghĩa là trong một hình ảnh tĩnh, trong đó tất cả các photon được chụp đều đến ống kính máy ảnh cùng một lúc, photon từ góc xa phải khởi hành sớm hơn photon từ góc gần để đến đồng bộ.
Cho đến nay, vẫn hợp lý. Tuy nhiên, khối lập phương này không đứng yên — nó di chuyển cực nhanh và bao phủ một vùng rộng lớn rất nhanh.
Do đó, trong hình ảnh tĩnh giả định của chúng ta về khối lập phương đang di chuyển nhanh này, photon góc xa được phát ra sớm hơn photon góc gần như mong đợi — ngoại trừ khi khối lập phương ở vị trí khác.Và, vì khối lập phương đang di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, nên vị trí đó thực sự rất khác.
"Điều này khiến chúng ta có cảm giác như khối lập phương đã bị xoay", Schattschneider nói. Khi hai photon này đến được với chúng ta, góc ở phía xa trông giống như nó ở góc gần và ngược lại.
Tuy nhiên, hiệu ứng này chưa từng được quan sát thấy trước đây; việc tăng tốc bất kỳ thứ gì ngoài các hạt lên gần tốc độ ánh sáng đòi hỏi quá nhiều năng lượng. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu từ TU Wien và Đại học Vienna, bao gồm Schattschneider, đã tìm ra cách mô phỏng các điều kiện cần thiết để xoay ảnh của một vật thể tương đối tính.
Sinh viên Dominik Hornoff và Victoria Helm của TU Wien đã thực hiện một thí nghiệm trong đó họ có thể tạo ra một kịch bản mà họ có thể giả vờ rằng tốc độ ánh sáng chỉ là 6,56 feet (2 mét) mỗi giây. Điều này có tác dụng làm chậm toàn bộ quá trình lại để họ có thể chụp lại bằng máy ảnh tốc độ cao.
"Chúng tôi di chuyển một khối lập phương và một quả cầu xung quanh phòng thí nghiệm và sử dụng máy ảnh tốc độ cao để ghi lại các tia laser phản xạ từ các điểm khác nhau trên các vật thể này tại các thời điểm khác nhau", Hornoff và Helm cho biết trong một tuyên bố chung. "Nếu bạn căn thời gian đúng, bạn có thể tạo ra một tình huống tạo ra kết quả tương tự như khi tốc độ ánh sáng không quá hai mét mỗi giây."
Khối lập phương và hình cầu bị biến dạng để mô phỏng sự co lại của chiều dài — khối lập phương, được mô phỏng là di chuyển với tốc độ bằng 80% tốc độ ánh sáng, thực chất là một khối hộp chữ nhật có tỷ lệ khung hình là 0,6, trong khi hình cầu được làm phẳng thành một đĩa theo vận tốc bằng 99,9% tốc độ ánh sáng.
Câu chuyện liên quan:
— Einstein lại chiến thắng! Máy gia tốc hạt lớn phát hiện ra rằng các hạt quark tuân theo định luật tương đối
— Kính viễn vọng 'vũ trụ tối' Euclid phát hiện ra vành đai Einstein tuyệt đẹp trong không-thời gian cong vênh (hình ảnh)
— Lý thuyết mới cho thấy rằng sau cùng thì các lỗ đen có thể tuân theo định luật vật lý
Hornoff và Helm lần lượt chiếu sáng khối lập phương và hình cầu bằng các xung cực ngắn từ tia laser; họ cũng ghi lại hình ảnh của ánh sáng phản chiếu với thời gian phơi sáng của máy ảnh chỉ bằng một phần nghìn tỷ giây (khoảng thời gian được gọi là pico giây). Sau mỗi hình ảnh, khối lập phương và quả cầu được định vị lại như thể chúng đang di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Sau đó, các hình ảnh được kết hợp để chỉ bao gồm những hình ảnh mà mỗi vật thể được chiếu sáng bằng tia laser tại thời điểm ánh sáng sẽ được phát ra nếu tốc độ ánh sáng chỉ là hai mét mỗi giây, thay vì 983.571.056 feet (299.792.458 mét) mỗi giây như thực tế.
"Chúng tôi đã kết hợp các hình ảnh tĩnh thành các đoạn video clip ngắn về các vật thể cực nhanh. Kết quả chính xác như chúng tôi mong đợi", Schattschneider cho biết. "Một khối lập phương có vẻ bị xoắn, một quả cầu vẫn là một quả cầu nhưng cực bắc lại ở một vị trí khác."
Hiệu ứng Terrell–Penrose chỉ là một ví dụ khác về cách mà thiên nhiên, khi bị đẩy đến mức cực đoan, trở nên đảo lộn, tạo ra những hiện tượng hoàn toàn xa lạ với sự tồn tại của chúng ta.
Những phát hiện này đã được trình bày vào ngày 5 tháng 5 trên tạp chí Vật lý truyền thông.
