萬聖節暢想:接近光速時我們會看到什麼？

超光速的瑰麗景象？

微科幻編輯：科幻小説和科幻電影裏無數次描述到亞光速或超光速航行時看到的瑰麗景象，這是每個人都想一睹的“不可能”的風景。還記得那個湯普金斯先生嗎？ 他來到一座奇異的城市，由於這裏的極限速度（光速）異乎尋常的小，因此，他很容易看到各種相對論效應。當他以高速騎自行車時，他發現這個城市都變成了下圖 的樣子（來自物理世界奇遇記一書）。

光速運動下，左圖為湯普金斯所見的相對論效應，右圖為路人所見的相對論效應。

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論的長度收縮效應。1922年，洛倫茲認為長度收縮效應是可以被拍攝下來的。後來，著名的科學家、科普作家伽莫夫 （George Gamow）創造了湯普金斯這個形象來生動描述這種效應。直到1959年，詹姆斯•特雷爾（James Terrell）和羅傑•彭羅斯（Roger Penrose）才指出，由於測量方法的限制，長度收縮效應並非我們能看見的，也就是説，“測量”和“觀看”是不一樣的，“測量形象”並不等同於“視覺形 象”。

那麼，當速度接近光速時，我們的眼裏究竟會看到什麼景象？

這段相當棒的視頻回答了這個問題。

它假設我們在沙漠的高速公路上行駛，然後展示了根據狹義相對論應該出現的各種光學特效。

這段視頻是奧地利國立大學物理學家安東尼•席爾勒和克雷格•薩維奇的“看見相對論”項目的一部分。他們用超級電腦模擬了一個世界，在那裏光速被減小到僅有每秒一米，相對論效應於是成了家常便飯。

這段視頻包含了所有主要的相對論效應。首先，物體會被扭曲。當我們越接近一個物體的時候，它看起來彷彿離我們越遠。同時我們兩側的物體則會扭曲變形。然後多普勒效應開始起作用，改變我們周圍物體的顏色，把我們附近的東西變藍，遠處的變紅。這還只是所有奇怪現象的開始。

他們的 項目主頁 上還有大量的信息，詳細描述了他們進行模擬的過程，還有一段完整的17分鐘視頻可供下載。

計算機模擬人眼看到的相對論效應。

簡短的視頻説明

美國宇航局（NASA）的 網站 上給出了一段簡短的視頻説明。

接近光速的運動是什麼樣的呢？以上這段嚴格符合相對論原理的動畫描繪了將會出現的奇怪視效。首先，相對畸變會讓物體看起來在你面前擠作一團。然後， 多普勒漂移將使你前方的物體向藍色帶漂移，後方的物體向紅色帶漂移。同樣，你前方的物體會看起來運動得比實際快，後方物體則變慢。兩側的物體看起來被彎曲 了，常態下看不到的表面有可能會進入你的視野。當然，由於運動是相對的，當你靜止而世界朝你運動時，效果也是一樣的。

如果你對這個視頻感興趣，下面是完整的視頻解説詞

這段視頻是降光速場景的一個逼真演示。在這個模擬實驗中，光速被從每秒30萬千米降低到每秒僅一米。本實驗只關注此假設所造成的光學效果。由此我們可以看到日常生活中絕無可能目睹的狹義相對論效應。

第一個場景是在沒有任何相對論效應的情況下，在一條高速公路上行駛。請記下沙漠中標誌物的位置和方向。

第二個場景中，我們加入了相對畸變。當我們加速時，由於角壓縮的作用，一開始讓我們產生向後運動的錯覺。在我們經過那個路標的時候，它看起來被彎曲 了。這可以看成是Terrell轉動，或者角畸變在我們駛過路標時把它繼續留在我們視野裏。我們連房子的後牆都能看到。每個物體都有嚴重的變形，特別是天 空，它慢慢地往透視消失點處縮小。

現在我們再加入多普勒頻移。注意前方紅色的沙漠發生了藍移，在綠色和紅色之前形成彩虹效果。藍天往更藍的方向頻移以至失去了顏色。而畫面邊緣則相反——天空染上了一層紅暈，而紅色沙漠紅移到了紅外線頻段，因而讓公路失去了顏色。

在加入所有的相對論效應之後（現在又加上了車大燈效果），圖像很快就變成黑白的了，中間明亮，邊緣較暗。

高速飛越立方體的實驗可以很好地演示Terrell效應。注意立方體的方向發生了改變。另外請比較它看起來的位置和在車內電子地圖上顯示的位置之不同。要記住，我們看到的是它過去的位置，不是現在的位置。

如果我們是從立方體中間穿過，它的內部結構會獨立進行Terrell轉動，看起來好像把它的裏子給翻出來了一樣。既使我們已經從它後面出來了，畸變仍把它的大部分殘留在我們的視野中。

畸變的另一個特性是它讓圓形始終保持圓形——也就是説，一個球無論如何相對觀察者運動，也無論觀察者站在哪兒，他看到的都是一個球形輪廓。環繞地球 高速飛行的相機為我們演示了這一點。儘管相機離地球表面很近，畸變還是把地球擠進了我們前方的視野。但是因為我們離地球太近了，我們看到的是它的很小一塊 表面——於是像婆羅洲那麼大一點的區域看起來就膨脹了起來，填滿了整個地球。