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光速に近い速さで運動する物体は、いったいどのように見えるのでしょうか？
たとえばSF映画では、飛び去る宇宙船や加速する隕石がぐんと押しつぶされるように描かれることもあります。
しかし実際にカメラで“瞬間を切り取る”と、物体の形が変わるどころか、むしろ「回転したような姿」に映る――という不思議な予言が、特殊相対性理論から導かれてきました。
これを「テレル効果」と呼びます。
オーストリアのウィーン工科大学（TU Wien）で行われた研究によって、長らく理論やシミュレーションの話にとどまっていたこの現象が、ついに実験映像としてとらえられたのです。
研究では、収縮ではなく微妙に“回転している”ように見える歪んだ球や立方体の姿がしっかりと記録されています。
研究内容の詳細はプレプリントサーバーである『arXiv』にて公開されました。
目次
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光速に近い速度で移動する物体は回転して見える本当はローレンツ収縮が見えない理由
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
...more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。
光速に近い速度で移動する物体は回転して見える
亜光速で移動する物体は観察者には回転して見える / 立方体が光速の約0.8倍という高速で移動している様子を撮影した実験結果を示しています。/Cresdit:Dominik Hornof et al . arXiv (2024)
どのようにして「光速に迫る物体の見え方」を再現したのか？
研究チームがとった方法は、一言でいえば「光を超スローモーションで観察する」工夫です。
まず、1ピコ秒（1兆分の1秒）ほどの極短パルスレーザー光を物体に当てます。
同時に、カメラ側も“ゲート”と呼ばれる超高速のシャッターをピコ秒単位で開閉し、散乱して戻ってきた光をわずかな時間だけ撮影できるようにします。
こうすると、ごく短い距離を進んだ光だけを切り取ることができるのです。
ある意味で、光がわずか数センチ進む“瞬間”をスナップ写真のように連続で記録しているわけです。
ここでユニークなのが、撮影するたびに、実際には動いていない被写体の位置をちょっとずつ移動（再配置）するというアプローチです。
「本当に物体が光速に近いスピードで動く」のは現実的に無理ですが、この組み合わせにより「光はごく短い距離だけ進んでからカメラに届く → 被写体がわずかに動いたように見える → その連続画像をつなげる」といった仕掛けを作ってしまいます。
たとえばカメラが1回シャッターを開いている間に光が進む距離はわずか数センチほどなので、理想的には「実質的に光速が1秒間に2メートル程度しか進まない」ように見せることができるわけです。
実験では、球と立方体の「ローレンツ収縮した模型」を用意しました。
たとえば球なら運動方向に薄い円盤のように潰したモデルを置き、これをわずかに傾けながら撮影します。
レーザーを照射して、戻ってくる光をピコ秒単位で何度も“切り取る”ことで、球が動いていると仮定した際にカメラに収まるはずの光を再現し、最後に映像として合成していきます。
すると理論で言われていたように、球はまるで回転しているかのように見え、立方体も正面がわずかに“ずれて”奥行きをのぞき込んだような姿で写りました。
言い換えれば「近光速で移動しているならば、本来もっと潰れて見えるはず」のオブジェクトが“ほぼ潰れておらず、むしろ傾いて見える”ことが映像として確かめられたのです。
実験結果の写真には、実際にフロントとバックの面が二重に映りこんだような面白い部分もあります。
これは、球面状に広がるレーザー光や被写体のわずかな傾きなどが影響しており、理想的な平行光ではないがゆえに起こるものです。
理論が示す回転のイメージと重ね合わせると「なるほど、この角度で面が重なって見えるのか」と合点がいくものになっています。
こうした細部も含め、ローレンツ収縮が写真には“直に現れない”というテレル効果の核心を、映像として視覚的にとらえられた点が大きな成果といえます。
本当はローレンツ収縮が見えない理由
Credit:Canva
今回の撮影によって得られた“回転して見える”というイメージは、ペンローズやテレルが半世紀以上前に理論として予言していた内容とよく合致します。
一方で、実験では理想的な「平行光線」や「一瞬のシャッター」にはならない現実的な制約もあり、立方体の面が二重になったり、球の一部が線状に切れて見えたりするなど、わずかな歪みが観察されました。
しかしそうした点を考慮しても、大局的にみれば「収縮ではなく回転が写る」ことがしっかりと確認され、理論が示す“テレル効果”の正しさが改めて裏打ちされたといえます。
この成果が示すのは、相対論の数式だけではピンとこない「実際の見え方」を実験的に具体化したことの意義です。
とりわけピコ秒カメラ...
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