1924年からの宿題、ついに解決へ――テレル効果が実験で明らかに
1924年からの宿題、ついに解決へ――テレル効果が実験で明らかに / Credit:スタートレック
1920年代初頭、物体が高速で運動するとその長さが縮む――いわゆる「ローレンツ収縮」のアイデアはすでに広く知られていました。
一般に写真は“同時刻にカメラに届いた光”を集めて作られていると考えられています。
ただ実際は、遠くの部分ほど、光がカメラに到達するまでに長い時間がかかるので、同じ一瞬の写真として成立させるには、遠い部分の光はもっと早い時点で放たれなくてはならない、というタイムラグが生じます。
高速で動く物体に対してこのタイムラグを考えると、物体が動きながらさまざまな点から放たれた光が、一度にカメラに同時に集まるようになるのです。
そのため物体が高速で運動すると、その運動方向に沿って実際には寸法が縮む一方、光の到達時間差によって見かけ上は伸びて見える部分が生じるといった現象が起こると考えられます。
このような予測から、SFの世界では加減速する宇宙船などは進行方向に対して伸びたり縮んだりするように描かれることがあります。
ところが1924年、オーストリアの物理学者アントン・ランパは「動いている棒を実際に観測したとき、どのように見えるのか」という観測者からみた “見た目”にフォーカスした問題を提起しました。
その後、1959年にロジャー・ペンローズとジェームズ・テレルがそれぞれ独立に、ローレンツ収縮はカメラのスナップ写真上では見えず、むしろ物体はまるで「回転した」ように写るはずだと指摘したのです。
たとえば球なら球の形のまま、立方体なら立方体のまま、少し傾いているように見える――これが理論上予言されてきた「テレル効果」です。
亜光速で移動する物体は観察者には回転して見える / これは光速に近い速さで移動する物体を撮影する際、なぜ物体が単に「縮む」だけでなく、回転して見えるのかを説明する図です。点Bは基準点とし、カメラに向かって放たれた光が同時に到着する必要があります。点Aはカメラに近い側にあり、Bからの光が通過するタイミングで、Aからの光が遅れて放たれます。同様に、点Cはカメラから遠い側にあり、Bよりも前の時刻に光が放たれます。つまり、物体の各点から出た光は「同時にカメラに届く」ように、放出のタイミングがずれるのです。 このタイミングのずれによって、実際には縮んでいるはずの物体が、カメラに写るときには回転した（または角度がついた）ように見える効果、すなわちテレル効果が生まれるのです。/Cresdit:Dominik Hornof et al . arXiv (2024)
もしこれが本当ならば、さまざまなSF作品で描かれるローレンツ収縮的な描写は科学的に成り立たない可能性が出てきます。
しかし、実際にその瞬間を写真に収めるには、超高速で移動する物体をカメラで捉えなくてはなりません。
技術的に近光速の被写体を用意するのは不可能に近く、従来はコンピューターシミュレーションやCG映像でしか視覚化されていませんでした。
その一方で、科学アートの分野では極短パルス光を駆使して光の道筋を捉える手法が開発され、SEEC Photographyなどの事例からも“フェムト秒カメラ”の新奇な応用が期待されていました。
これらの背景から、テレル効果をなんとか実験室レベルで直接“観察”しようというモチベーションが高まっていたのです。
そこで今回研究者たちは、ピコ秒単位のゲートカメラとパルスレーザーを同期させて、物体が近光速で動く様子を実際に写し出すというアプローチを試みることにしました。
研究者たちはどのようにして「光速に迫る物体の見え方」を再現したのでしょうか。