万圣节畅想:接近光速时我们会看到什么？

超光速的瑰丽景象？

微科幻编辑：科幻小说和科幻电影里无数次描述到亚光速或超光速航行时看到的瑰丽景象，这是每个人都想一睹的“不可能”的风景。还记得那个汤普金斯先生吗？ 他来到一座奇异的城市，由于这里的极限速度（光速）异乎寻常的小，因此，他很容易看到各种相对论效应。当他以高速骑自行车时，他发现这个城市都变成了下图 的样子（来自物理世界奇遇记一书）。

光速运动下，左图为汤普金斯所见的相对论效应，右图为路人所见的相对论效应。

1905年，爱因斯坦提出狭义相对论的长度收缩效应。1922年，洛伦兹认为长度收缩效应是可以被拍摄下来的。后来，著名的科学家、科普作家伽莫夫 （George Gamow）创造了汤普金斯这个形象来生动描述这种效应。直到1959年，詹姆斯•特雷尔（James Terrell）和罗杰•彭罗斯（Roger Penrose）才指出，由于测量方法的限制，长度收缩效应并非我们能看见的，也就是说，“测量”和“观看”是不一样的，“测量形象”并不等同于“视觉形 象”。

那么，当速度接近光速时，我们的眼里究竟会看到什么景象？

这段相当棒的视频回答了这个问题。

它假设我们在沙漠的高速公路上行驶，然后展示了根据狭义相对论应该出现的各种光学特效。

这段视频是奥地利国立大学物理学家安东尼•席尔勒和克雷格•萨维奇的“看见相对论”项目的一部分。他们用超级电脑模拟了一个世界，在那里光速被减小到仅有每秒一米，相对论效应于是成了家常便饭。

这段视频包含了所有主要的相对论效应。首先，物体会被扭曲。当我们越接近一个物体的时候，它看起来仿佛离我们越远。同时我们两侧的物体则会扭曲变形。然后多普勒效应开始起作用，改变我们周围物体的颜色，把我们附近的东西变蓝，远处的变红。这还只是所有奇怪现象的开始。

他们的 项目主页 上还有大量的信息，详细描述了他们进行模拟的过程，还有一段完整的17分钟视频可供下载。

计算机模拟人眼看到的相对论效应。

简短的视频说明

美国宇航局（NASA）的 网站 上给出了一段简短的视频说明。

接近光速的运动是什么样的呢？以上这段严格符合相对论原理的动画描绘了将会出现的奇怪视效。首先，相对畸变会让物体看起来在你面前挤作一团。然后， 多普勒漂移将使你前方的物体向蓝色带漂移，后方的物体向红色带漂移。同样，你前方的物体会看起来运动得比实际快，后方物体则变慢。两侧的物体看起来被弯曲 了，常态下看不到的表面有可能会进入你的视野。当然，由于运动是相对的，当你静止而世界朝你运动时，效果也是一样的。

如果你对这个视频感兴趣，下面是完整的视频解说词

这段视频是降光速场景的一个逼真演示。在这个模拟实验中，光速被从每秒30万千米降低到每秒仅一米。本实验只关注此假设所造成的光学效果。由此我们可以看到日常生活中绝无可能目睹的狭义相对论效应。

第一个场景是在没有任何相对论效应的情况下，在一条高速公路上行驶。请记下沙漠中标志物的位置和方向。

第二个场景中，我们加入了相对畸变。当我们加速时，由于角压缩的作用，一开始让我们产生向后运动的错觉。在我们经过那个路标的时候，它看起来被弯曲 了。这可以看成是Terrell转动，或者角畸变在我们驶过路标时把它继续留在我们视野里。我们连房子的后墙都能看到。每个物体都有严重的变形，特别是天 空，它慢慢地往透视消失点处缩小。

现在我们再加入多普勒频移。注意前方红色的沙漠发生了蓝移，在绿色和红色之前形成彩虹效果。蓝天往更蓝的方向频移以至失去了颜色。而画面边缘则相反——天空染上了一层红晕，而红色沙漠红移到了红外线频段，因而让公路失去了颜色。

在加入所有的相对论效应之后（现在又加上了车大灯效果），图像很快就变成黑白的了，中间明亮，边缘较暗。

高速飞越立方体的实验可以很好地演示Terrell效应。注意立方体的方向发生了改变。另外请比较它看起来的位置和在车内电子地图上显示的位置之不同。要记住，我们看到的是它过去的位置，不是现在的位置。

如果我们是从立方体中间穿过，它的内部结构会独立进行Terrell转动，看起来好像把它的里子给翻出来了一样。既使我们已经从它后面出来了，畸变仍把它的大部分残留在我们的视野中。

畸变的另一个特性是它让圆形始终保持圆形——也就是说，一个球无论如何相对观察者运动，也无论观察者站在哪儿，他看到的都是一个球形轮廓。环绕地球 高速飞行的相机为我们演示了这一点。尽管相机离地球表面很近，畸变还是把地球挤进了我们前方的视野。但是因为我们离地球太近了，我们看到的是它的很小一块 表面——于是像婆罗洲那么大一点的区域看起来就膨胀了起来，填满了整个地球。