À l’aide d’impulsions laser ultra-rapides et de caméras spéciales, les scientifiques ont simulé une illusion d’optique qui semble défier celle d’Einstein. théorie de la relativité restreinte.
L’une des conséquences de la relativité restreinte est que les objets en mouvement rapide devraient apparaître raccourcis dans la direction du mouvement – un phénomène connu sous le nom de contraction de Lorentz. Cet effet a été confirmé indirectement par des expériences sur des accélérateurs de particules.
Bien que les modèles précédents aient fonctionné avec cette illusion, désormais appelée effet Terrell-Penrose, c’est la première fois que cela est réalisé en laboratoire. L’équipe a décrit ses résultats dans le journal Physique des communications.
« Ce que j’aime le plus, c’est la simplicité » Dominique Hornofphysicien quantique à l’Université de technologie de Vienne et premier auteur de l’étude, a déclaré à Live Science. « Avec la bonne idée, vous pouvez recréer des effets relativistes dans un petit laboratoire. Cela montre que même des prédictions vieilles d’un siècle peuvent prendre vie de manière vraiment intuitive. »
Recréer l’illusion
Dans la nouvelle étude, les physiciens ont utilisé des impulsions laser ultra-rapides et des caméras fermées pour produire des instantanés d’un cube et d’une sphère « se déplaçant » presque à la vitesse de la lumière. Les résultats ont montré des instantanés d’objets pivotés. Cela a prouvé que l’effet Terrell-Penrose était vrai.
Mais comme toute étude, celle-ci a aussi eu ses difficultés. Déplacer n’importe quel objet à la vitesse de la lumière ou à proximité est actuellement impossible. « Dans la théorie d’Einstein, plus quelque chose bouge vite, plus sa masse effective augmente. À mesure que l’on se rapproche de la vitesse de la lumière, l’énergie dont nous avons besoin augmente considérablement », a déclaré Hornof. Nous ne pouvons pas générer suffisamment d’énergie pour accélérer quelque chose comme un cube, et « c’est pourquoi nous avons besoin d’énormes accélérateurs de particules, ne serait-ce que pour déplacer les électrons à une vitesse proche de cette vitesse. Cela prendrait une énorme quantité d’énergie ».
L’équipe a donc eu recours à un remplaçant intelligent. « Ce que nous pouvons faire, c’est imiter l’effet visuel », a déclaré Hornof. Ils ont commencé avec un cube d’environ 1 mètre de chaque côté. Ensuite, ils ont tiré des impulsions laser ultra-courtes – chacune d’une durée de seulement 300 picosecondes, soit environ un dixième de milliardième de seconde – sur l’objet. Ils ont capturé la lumière réfléchie avec une caméra fermée qui ne s’ouvrait que pour cet instant et produisait une fine « tranche » à chaque fois.
Après chaque tranche, ils ont avancé le cube d’environ 1,9 pouces (4,8 cm). C’est la distance qu’il aurait parcourue s’il s’était déplacé à 80 % de la vitesse de la lumière pendant le délai entre les impulsions. Ensuite, les scientifiques ont rassemblé toutes ces tranches pour obtenir un instantané du cube en mouvement.
« Lorsque vous combinez toutes les tranches, l’objet semble courir incroyablement vite, même s’il n’a jamais bougé du tout », a déclaré Hornof. « En fin de compte, ce n’est qu’une question de géométrie. »
Ils ont répété le processus avec une sphère, en la déplaçant de 2,4 pouces (6 cm) par pas pour imiter une vitesse de lumière de 99,9 %. Lorsque les tranches étaient combinées, le cube semblait tourné et la sphère semblait pouvoir regarder autour de ses côtés.
« La rotation n’est pas physique », a déclaré Hornof. « C’est une illusion d’optique. La géométrie de la façon dont la lumière arrive en même temps trompe nos yeux. »
C’est pourquoi l’effet Terrell-Penrose ne contredit pas la relativité restreinte d’Einstein. Un objet en mouvement rapide est physiquement raccourci dans sa direction de déplacement, mais une caméra ne le capture pas directement. Étant donné que la lumière provenant de l’arrière met plus de temps à arriver que la lumière provenant de l’avant, l’instantané se déplace de manière à donner l’impression que l’objet a pivoté.
« Lorsque nous avons effectué les calculs, nous avons été surpris de voir à quel point la géométrie fonctionnait parfaitement », a déclaré Hornof. « Le voir apparaître sur les images était vraiment excitant. »
