摘要：狭义相对论主要阐释了近光速运动物体的特殊效应，其中最显著的有两方面：第一是时间膨胀效应——相对于低速参照系，近光速物体的时间流速明显变缓。这一现象不仅解释了著名的双生子悖论，更在GPS卫星定位等实际技术中得到应用验证。

周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫专栏

周三 · 太空探索 |周四 · 观测指南

周五 · 深空探测 |周六 · 茶余星话 | 周日 · 视频天象

作者：Keith Cooper

翻译：daikin

校对：钟艺

排版：邱和琴

后台：朱宸宇

原文链接：

这一理论最早可追溯至约70年前。

An illustration of a spaceship flying extremely fast in a colorful display.

(Image credit: Fug4s/Getty Images)

概念图：一艘宇宙飞船在斑斓光带中以接近光速飞行。

（图源：Fug4s/Getty Images）

爱因斯坦狭义相对论揭示了一个奇特现象：当物体接近光速运动时，观测者会看到其发生视觉翻转。

狭义相对论主要阐释了近光速运动物体的特殊效应，其中最显著的有两方面：第一是时间膨胀效应——相对于低速参照系，近光速物体的时间流速明显变缓。这一现象不仅解释了著名的双生子悖论，更在GPS卫星定位等实际技术中得到应用验证。

（译者注：在物理学中，双生子悖论是狭义相对论中的一个思想实验，涉及一对双胞胎，其中一个进行高速太空旅行，返回地球后发现留在地球上的那个双胞胎变老了。这一结果看似令人困惑，因为每个双胞胎都看到对方在移动，所以，由于错误套用时间膨胀和相对性原理，每个双胞胎都应该错误地认为对方变老得更慢。）

第二项关键效应是长度收缩。"设想一枚以90%光速掠过的火箭"，维也纳理工大学物理学家彼得·沙茨施耐德解释道，"在我们看来，其长度会缩短至原长的43%。"

这种收缩并非实体变化，而是观测效应。飞船内的宇航员仍会测得船体保持原有尺寸，这正是"相对性"原理的直观体现。

1959年，物理学家特雷尔与彭罗斯提出推论：近光速运动的物体将呈现旋转视觉效果，这一预言被称为特雷尔-彭罗斯效应。

"拍摄高速运动的飞船时，"沙茨施耐德补充道，"必须考虑不同部位光线到达镜头的时间差。"

以博格立方体为例，沙茨施耐德教授这样解释：假设一艘立方体飞船以近光速斜向掠过观测者，此时存在一个关键前提——立方体近端角落反射的光线传播距离，远短于远端角落的反射光线。若两个光子同时从对角位置发出，由于路径差异，它们到达镜头的时间会产生微小偏移。这意味着在静态图像中，要确保光子同步抵达镜头，远角光子必须比近角更早发出，这种时空错位最终导致立方体在视觉上产生旋转效果。

虽然上述理论推导看似合理，但实际观测面临根本性挑战：立方体并非静止——它以近光速疾驰，时空坐标瞬息万变。在假设的静态快照中，虽然远角光子确实更早发出，但这些光子实际源自立方体完全不同的空间位点。由于运动速度接近光速，其位移差异被急剧放大。

沙茨施耐德用动态视角解释这种时空错位："当两处光子最终抵达镜头时，原本的几何对应关系已彻底改变——远端角落的影像会覆盖近端位置，反之亦然，这就像有人把立方体拧转了一个角度。"

虽然该效应长期未被直接观测，受制于将宏观物体加速至近光速所需的天文级能量，但维也纳理工大学联合团队研发出创新模拟方案：通过时空参数重构，成功在实验室环境中复现相对论性物体的视觉旋转效应。

这组影像揭示了近光速运动物体的视觉反转现象。图a)为长方体的基准校准图像；图b)呈现以99.9%光速运动的长度收缩球体产生的多重影像旋转；图c)展示立方体在高速状态下的空间旋转效果。（图源：Hornoff等人（2025））

维也纳理工大学学生多米尼克·霍诺夫与维多利亚·赫尔姆设计了一项创新实验：他们通过参数重构构建出光速仅为6.56英尺（2米/秒）的虚拟场景。这种光速降维处理使得整个相对论效应过程被充分延缓，从而能够被高速摄影系统精确捕捉。

霍诺夫与赫尔姆在联合声明中阐释："我们在实验室内移动立方体与球体，通过高速摄像机记录这些物体不同位置在不同时刻反射的激光闪光。只要精确控制时间参数，就能创造出等效于光速仅2米/秒的观测条件。"

为模拟实现长度收缩效应，立方体与球体均进行形变处理——以长宽比0.6的长方体模拟80%光速运动的"立方体"；对应99.9%光速运动的球体则被压扁成圆盘状。

实验装置解析：图b)模拟长度收缩后球体的圆盘；图c) 1×1×0.6米规格的长方体，模拟长度收缩后的立方体。（图片来源：Hornoff等人（2025））

霍诺夫与赫尔姆分别使用激光器的极短脉冲照射立方体与球体，同时以万亿分之一秒（即皮秒）的超短曝光时间记录反射光图像。随后合成的图像仅保留那些在假设光速为每秒两米（而非实际上的每秒299,792,458米）时本应发光的时间点被激光照亮的物体影像。

沙茨施耐德解读到："我们将静态帧序列合成为超高速物体的动态视频，结果完全符合预期——立方体呈现螺旋扭曲形态，球体虽保持圆形但北极点发生显著位移。"

特雷尔-彭罗斯效应再次印证：当自然法则被推向极端条件时，会展现出与日常经验截然不同的颠倒错乱现象。

该研究成果已于5月5日发表于《通讯-物理学》期刊

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

盖亚重构了银河系俯视图艺术图来源：ESA, Gaia, DPAC, Stefan Payne-Wardenaar

来源：牧夫天文一点号