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如果你以光速骑自行车,在路人眼里是什么样

自爱因斯坦发表了著名的狭义相对论后不久,其他人就开始思索,如果一个物体以接近光速运动,那么在我们眼中,这个运动的物体是什么样子——在1930年代,物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)在一本面向儿童的物理科普读物(『物理世界奇遇记』)中提出了这样的脑洞实验。

伽莫夫最后给出自己的见解:这辆自行车似乎会出现洛伦兹(Lorentz)收缩的现象。就是说,自行车在速度方向上的径长变短了,类似于照片在某个方向上压缩。

这种观点一直持续到1950年代,当时罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和詹姆斯·特雷尔(James Terrell)指出了这一概念的问题所在——照相机胶片上的图像是由同时到达的光子产生的,但现在,这些光子不是由物体同时发出的。因此,一个人看到的是将来自物体的在不同时间的光子编织拼凑而成的影像。特雷尔建议,这样的物体看起来好像在旋转,其后部相对于其前部会成比例地放大。

后来的工作表明,由于产生了多处畸变,由摄像机捕获的这种近光速物体的图像会更加复杂。

值得注意的是,之前大多数此类工作着眼于用相机拍摄以近光速运动物体的外观。现在有了一项新研究,研究人员扩充了先前的范围,引入了裸双眼的观察者——就是有两只眼睛的人类啦。

通常来说,如果一辆自行车从左向右经过某人,则它的图像先于右眼在左眼之中形成;因为自行车在现实中的速度范围,大脑能够弥补这一滞后,从而给人一种无缝的电影般的印象。

但是,现在的前提就是已然超出了自然的正常范围。这种左右眼的图像延迟不能忽略。

为了解决时滞问题,研究人员添加了一个分析时间延迟的工具——将其应用于对象的真实位置相对于其外观位置的变换。 他们还考虑了与这种超高速运动物体有关的多普勒效应和光强度变化。然后,他们进行了模拟,至少在理论上解答了:如果你面前有一辆自行车已近光速驶过,你实际上会看到一幕什么景象。

来源:EA Cryer-Jenkins等。伽莫夫的骑自行车的人:双目观察者相对论测量的新视角,《皇家学会录A:数学,物理和工程科学》 (2020年)。 DOI:10.1098 / rspa.2019.0703

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