Esta ilusão da relatividade restrita de Einstein visualizada em laboratório 🚀
a) Imagem de calibração do cubóide em repouso, com uma simulação em perspectiva sobreposta a partir da posição da câmara (linhas brancas).
b) Rotação de Terrell de uma esfera contraída segundo Lorentz, movendo-se a 0,999 c.
c) Rotação de Terrell de um cubo, com simulação (contornos brancos) sobreposta aos resultados experimentais para guiar a observação e validar a teoria.
A experiência foi realizada ajustando a sincronização dos flashes laser para simular uma velocidade da luz reduzida a 2 metros por segundo. Este truque permitiu visualizar o efeito sem necessitar de velocidades relativísticas reais. As imagens obtidas mostram claramente uma rotação aparente dos objetos, confirmando assim as previsões teóricas.
Peter Schattschneider e a sua equipa combinaram imagens captadas em diferentes momentos para criar vídeos que mostram o efeito. Um cubo aparece efetivamente torcido, enquanto uma esfera mantém a sua forma mas com um deslocamento aparente do seu polo norte. Estes resultados abrem novas perspetivas para o estudo dos fenómenos relativísticos.
Esta investigação é o fruto de uma colaboração única entre arte e ciência. O artista Enar de Dios Rodriguez desempenhou um papel fundamental ao iniciar um projeto que explora a fotografia ultrarrápida. Esta abordagem interdisciplinar permitiu tornar visível um efeito até então puramente teórico.
As implicações desta descoberta vão além da simples confirmação de uma previsão. Oferece uma nova maneira de visualizar e compreender os efeitos contra-intuitivos da relatividade. Este avanço poderá também inspirar novos métodos de ensino da física relativista.
A equipa planeia agora explorar outros efeitos ópticos relacionados com a relatividade. Estes trabalhos poderão, a longo prazo, conduzir a novas aplicações no campo da imagem ultrarrápida ou da simulação de fenómenos cósmicos.
O que é a contração dos comprimentos na relatividade?
A contração dos comprimentos é um fenómeno previsto pela teoria da relatividade restrita de Einstein. Estipula que o comprimento de um objeto em movimento diminui na direção do seu deslocamento, do ponto de vista de um observador em repouso.
Este efeito torna-se significativo apenas a velocidades próximas da luz. Por exemplo, uma nave espacial a viajar a 90% da velocidade da luz pareceria aproximadamente 2,3 vezes mais curta para um observador externo.
A contração dos comprimentos não é uma ilusão de óptica mas uma consequência real da estrutura do espaço-tempo. Está ligada à dilatação do tempo, outro efeito chave da relatividade restrita.
Embora contra-intuitiva, esta previsão foi confirmada por numerosas experiências, nomeadamente com partículas subatómicas aceleradas a velocidades relativísticas.
Como funciona a imagem ultrarrápida?
A imagem ultrarrápida permite captar eventos que ocorrem em alguns nanossegundos ou menos. Baseia-se em câmaras capazes de captar milhões de imagens por segundo e em fontes luminosas ultracurtas como os lasers femtossegundos.
Nesta experiência, os investigadores utilizaram impulsos laser extremamente curtos para "congelar" o movimento dos objetos. Ao sincronizarem precisamente estes flashes com uma câmara ultrarrápida, conseguiram reconstituir o efeito Terrell-Penrose.
Esta técnica assemelha-se à fotografia estroboscópica, onde uma cena em movimento é iluminada por flashes muito breves. A diferença reside na precisão temporal, que deve ser da ordem do nanossegundo para estas experiências.
As aplicações da imagem ultrarrápida vão desde a investigação fundamental à indústria, passando pela medicina. Permite, nomeadamente, estudar fenómenos demasiado rápidos para o olho humano, como ondas de choque ou reações químicas.