Ein Augenblick bei Lichtgeschwindigkeit

Wie würde ein Objekt aussehen, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt? Gemäß den Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie ist ein Körper, der sich mit Geschwindigkeit bewegt, in Bewegungsrichtung verkürzt. Hier ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das ist die sogenannte Lo­rentz-Kon­trak­tion. Würde also ein am Beobachter vorbeirasendes Raumschiff, wie in vielen Schulbüchern beschrieben, in Bewegungsrichtung verkürzt erscheinen? Könnte man den Effekt auf einer Momentaufnahme sehen?

Diese Frage stellte sich der österreichische Physiker Anton Lampa bereits 1924. Er kam zu dem Schluss, dass unterschiedliche Lichtlaufzeiten von den Enden eines laut Einstein bei schnellen Bewegungen verkürzten Maßstabs das wahrgenommene Bild verändern. Was das für das Aussehen eines schnell bewegten dreidimensionalen Gegenstands aus der Perspektive eines relativ zu ihm scheinbar ruhenden Beobachters bedeutete, daran dachte Lampa nicht.  

Erst Jahrzehnte später, 1959, kamen James Terrell und Roger Penrose, später Physik-Nobel­preis­träger, unabhängig voneinander zu einem überraschenden Ergebnis: Ein schnell bewegter Körper erscheint für diesen Beobachter nicht verkürzt, sondern gedreht. Dieser Effekt ist eine Wahrnehmungstäuschung, hervorgerufen durch die endliche Lichtgeschwindigkeit. Licht von weiter entfernten Teilen des Objekts braucht länger, bis es unsere Augen erreicht, dadurch entsteht der Eindruck einer perspektivischen Drehung. Die tatsächliche Verkürzung wird durch diesen optischen Effekt exakt kompensiert. Über Jahrzehnte blieb das nur eine mathematische Kuriosität, illustriert durch Simulationen etwa an der Universität Tübingen (siehe Physik in unserer Zeit 2005, 36 (2), 64) oder am MIT.

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Testlabor für die Relativitätstheorie

Schauen wir uns diesen Effekt genauer an. Wenn wir ein Objekt betrachten, erfassen wir das Licht, das von seiner Oberfläche gestreut wurde und gleichzeitig in unser Auge gelangt. Dieses Licht hat das Objekt jedoch nicht gleichzeitig verlassen: Das Licht auf der Seite, die dem Auge abgewandt ist, wurde etwas früher emittiert als das von der nahen Seite. Bei langsam bewegten Objekten ist dieser Zeitunterschied vernachlässigbar. Bewegt sich das Objekt jedoch extrem schnell, wird dieser Unterschied relevant. In der kurzen Zeit, in der Licht zum Beispiel eine bestimmte Strecke zurücklegt, hat sich das Objekt bereits weiterbewegt.

Das Licht, das unser Auge in einem Augenblick aus verschiedenen Richtungen erreicht, stammt also von verschiedenen Zeitpunkten während der Bewegung. Dadurch entsteht die optische Täuschung einer Drehung und Streckung des Objekts. Das hat eine interessante Folge, denn damit hebt sich die Lorentz-Kontraktion  genau durch die scheinbare Streckung des Terrell-Penrose-Effekts auf. Die resultierende Momentaufnahme zeigt das Objekt daher wie gedreht. 

Bis heute galt dieses Phänomen, der Terrell-Penrose-Effekt, als theoretisch. Kein reales Objekt auf der Erde bewegt sich schnell genug, um den Effekt direkt zu beobachten. Doch mit modernen Methoden der ultraschnellen Fotografie lässt sich nun eine analoge Version im Labor zeigen. Lesen Sie die ganze Darstellung in der neuen „Physik in unserer Zeit“ unter dem unten angegebenen Link.