人类首次，物理学家终于看到物体加速到99.9%光速的样子

热点资讯 2025年12月25日 21:32 1 cc

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你敢信吗？

物理学家们居然想出了办法，把光速等效降到每秒不到 2 米，然后模拟出一个 1 米大的球体，以 0.999 倍光速从相机前飞过时的模样！

先在脑子里过个画面：

有一块 1 米见方的大金属方块，从远处朝你冲过来，速度慢的时候，你看到的就是一个规规矩矩的方块，越靠越近、越来越大。

可要是有人把它加速到 0.999 倍光速呢？它会不会在你眼前被压成一张薄饼，甚至拖出一串残影？

这种 “要是东西快到接近光速会咋样” 的脑洞，人类其实已经琢磨一百多年了。自从爱因斯坦提出相对论，各种科普、动画、游戏就总拿这个点做文章。

但以前咱们最多就是画几张示意图，做个电脑模拟，真要拿相机拍到 “接近光速的样子”，听着就跟天方夜谭似的。

说回现实：

物理学里有个铁律 —— 任何有静止质量的东西，想加速到光速，得需要无限大的能量。所以在现有理论框架下，想冲到 100% 光速，根本没戏。

于是科学家退了一步：既然追不上光，那咱就尽可能靠近它。也正因为这样，才有了各种 “接近光速” 的实验和装置。

光在真空中的速度，是国际单位制明确定义的常数，每秒 299792458 米，一点儿都不能改。

所谓 0.999 倍光速，就是每秒差不多 2.997×10^8 米，比光的真正极限慢了一丢丢，但已经快到你能想象的天花板了。

用相对论里的洛伦兹因子算一下，当速度等于 0.999 倍光速时，洛伦兹因子大概是 22.4。意思就是，在这个速度下运动的钟走 1 秒，咱们这边差不多已经过了二十几秒 —— 这就是传说中的 “天上一天，地上数年” 的科学版呀。

同样的洛伦兹因子还意味着，在运动方向上测量，物体的长度会被压缩二十多倍，这就是教科书里天天讲的 “长度收缩”。

问题来了：咱们真的把东西加速到过这种速度吗？

答案是：必须的！而且老早就做到了。只不过那不是桌子上的螺丝刀，而是一粒粒带电粒子罢了。

在欧洲核子中心的大型强子对撞机里，质子被加速到单个粒子约 7 万亿电子伏特的能量，对应的速度能达到 0.999999991 倍光速。

欧洲核子中心自己的科普文章说得特别直白：这个速度和光就差了一丁点儿，在咱们日常生活的尺度里，几乎没法分辨谁更快。

地球头顶的宇宙射线更离谱，有些高能粒子的速度，比加速器里的还要接近光速。它们从宇宙深处一路飞奔过来，砸到大气层上，还会产生一串串次级粒子雨。

在澳大利亚同步辐射光源这样的装置里，电子会被加速到大约 3 吉电子伏特的能量，对应速度大概是 99.9997% 光速，绕着几百米一圈的储存环，以近乎光速的速度不停打转。

这些高速电子在磁场里被不断掰弯方向，就会沿切线方向放出 “同步辐射光”，亮度能达到差不多 100 万个太阳那么亮。科学家就用这种光研究材料、蛋白质，甚至是芯片的结构。

那核心问题来了：在相对论的世界里，一个东西真的开到接近光速时，“看上去” 到底是啥样？

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，速度一旦接近光速，会发生三件事：时间变慢、长度收缩、质量等效值变大。这也是课本里最常提的知识点。

1959 年，彭罗斯和特雷尔各自算了一大堆公式，结果得出一个特别反直觉的结论：如果你用一台理想的 “瞬间快门” 给高速运动的物体拍照，照片里的东西不会单纯被压扁，反而看起来像是整体转了个角度。

打个比方：一个高速飞行的球，快照里看着还是个球，但表面的经纬线会错位，好像球自己转了一下，你甚至能看到正常情况下本该在背面、根本看不见的那一块。

要是换成立方体，快照里就会变成一个 “歪歪扭扭的方块”，前后两面的轮廓会叠在一起，跟透视被人用力拧过似的。这就是后来被称为特雷尔 - 彭罗斯效应的现象。

这套效应几十年来一直躺在相对论教材里，不少电脑模拟和游戏也借这个原理做特效，但从来没人能在实验室里真把它 “拍” 出来。

原因也很现实：你总不能真造一个以 0.999 倍光速飞过摄影棚的 1 米大铁球吧？这比建一台加速器还费劲。

所以物理学家干脆换了个思路：

既然把东西加到光速附近这么难，那咱能不能 “把光速等效调慢”，在这个人工造出来的 “慢光世界” 里，把相对论的效果实打实演一遍？

2025 年 5 月，维也纳工业大学和维也纳大学的一个团队，在《通信物理学》期刊上发表了一篇论文，标题就叫《相对论运动的快照：可视化特雷尔 - 彭罗斯效应》。

这篇文章干的事儿，一句话就能说清：他们用超快激光和门控相机，把实验里的光速等效减慢到每秒不到 2 米，然后拍出了球和方块以接近光速飞过时的快照。

具体是怎么操作的呢？

他们先用一台波长 1035 纳米的激光器，打出皮秒级的脉冲，再用非线性晶体把波长减半到 517 纳米。接着把这束绿光通过一个短焦距透镜打散，让它像一阵光雨似的撒在实验对象上。

相机用的是带像增强器的门控相机，快门的门控时间能短到 300 皮秒 —— 也就是三千亿分之一秒，刚好能把这一小段时间窗口里的光 “截” 下来。

每一次激光发射，相机就隔一段可控的延迟时间打开一次快门。这样一来，在同一个位置就能拍出很多张不同 “光程” 的切片，这些单张照片被他们叫做 “切片”。

每组切片拍摄之间，实验团队会把物体沿着 “假想的运动方向”，挪动一段精确算好的距离。这段距离，就相当于如果物体真的以某个速度运动，在这段时间里本该跑过的路程。

这个操作听着是不是有点像拍定格动画？

先把 “时间拆成一帧一帧的光切片”，再一边移动物体、一边拍一堆切片，最后按照相对论的规则，把这些切片拼合成一张完整的 “快照”。要是按顺序播放，就变成了 “物体以接近光速飞行” 的慢动作视频。

他们用了两个测试物体：

一个是直径 1 米的球体，模拟速度设定为 0.999 倍光速；

另一个是边长 1 米的立方体，模拟速度设定为 0.8 倍光速。

毕竟在真实世界里，这两个大家伙根本不可能以这么快的速度在实验室里飞。所以一开始，他们就把这两个模型沿着运动方向压扁了：立方体被压成 1×1×0.6 米的长方体，球体则被压成一个扁扁的圆盘状。这刚好对应理论上在 0.8 倍光速和 0.999 倍光速下，物体该有的洛伦兹收缩效果。

之后，团队用一套复杂的算法，把不同时刻、不同位置拍到的 “亮斑” 拼在一起，形成一张看起来像是一瞬间拍下的 “快照”。

结果特别关键：

对于那颗模拟速度 0.999 倍光速的球，实验合成的快照显示，球面上的经线发生了明显偏移，看上去就像球整体绕着某个轴轻轻转了一下，而且你还能瞥见一点点 “背面” 的区域。

对于那块模拟 0.8 倍光速的立方体，快照里也没有出现 “变成纸片” 的画面，而是变成了一个看着被扭歪的方块，前后边缘在图像里叠在了一起，和理论上算出来的特雷尔 - 彭罗斯效应图像几乎一模一样。

论文的结论说得很明确：这套实验首次在实验室里真正演示了特雷尔 - 彭罗斯效应，让六十多年前只停留在公式里的预测，变成了实实在在的实拍画面。

对普通人来说，这些实验是不是离生活特别远？

某种意义上确实是 —— 你大概率不会亲自去调试一台门控时间 300 皮秒的相机，也不会去摆弄一台皮秒激光器。

但换个角度想，咱们每天刷到的很多科技新闻，用到的不少材料和药物，背后可能都有那种 “在某个角落里以接近光速运动” 的粒子在帮忙。

同步辐射光源帮科学家看清蛋白质的真实模样，才能设计出更精准的药物分子。

高能加速器帮人类摸清质子的内部结构，才能把粒子物理标准模型的边界推得更远。

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