Last Updated on 2025-06-26 18:17 by 清水巧
ウィーン工科大学の研究チーム（ペーター・シャットシュナイダー氏、ドミニク・ホルノフ氏ら）が、アルベルト・アインシュタインの特殊相対性理論によって予測される「テレル効果」を、世界で初めて実験室環境で直接観測することに成功した 。テレル効果とは、光速に近い極めて速い速度で移動する物体が、観測者からはローレンツ収縮によって運動方向に平たく潰れて見えるのではなく、あたかも回転しているかのように見えるという、直感に反する現象である 。
研究チームは、この現象を捉えるために、フェムト秒（1000兆分の1秒）単位の極短パルスレーザーと、ピコ秒（1兆分の1秒）単位で開閉可能な超高速ゲート付きカメラを組み合わせた独創的な実験装置を開発した 。この装置を用い、光の速度を仮想的に毎秒2メートル未満（人間が歩く速さ程度）にまで遅く見せるという画期的な技術を駆使することで、相対論的な速度で運動する物体の視覚的様相を実験室で再現することに成功したのである 。
この成果は、ジェームズ・テレル氏とロジャー・ペンローズ氏によって1959年に理論的に予測されて以来、60年以上にわたり主に思考実験やコンピュータシミュレーションの対象であった現象の初めての実験的証拠となる 。この実験的実証は、特殊相対性理論の理解を深める上で重要な一歩であり、物理学の教育やさらなる科学的探求に新たな道を開くものとして期待されている 。
from:https://phys.org/news/2025-05-snapshot-relativistic-motion-special-visible.html
【編集部解説】
アインシュタインの特殊相対性理論は、私たちの日常的な感覚とはかけ離れた、時間と空間の驚くべき性質を明らかにしました。特に、物体が光の速さに近づくにつれて、その物体にとっての時間の進み方や空間の長さが、静止している私たちから見ると劇的に変化するという事実は、皆さんも一度は耳にしたことがあるかもしれませんね 。
その代表的な効果の一つに「ローレンツ収縮」があります。これは、高速で移動する物体は、その進行方向に対して長さが縮んで観測されるというものです 。例えば、光速の90%で飛ぶ宇宙船があったとしたら、その長さは静止時の半分以下に縮んで見える、といった具合です。教科書などでもお馴染みのこの効果は、特殊相対性理論の基本的な帰結の一つです。
しかし、「では、その縮んだ物体を写真に撮ったら、実際にどのように写るのだろうか？」と考え始めると、事態はもう少し複雑になります。ここで登場するのが、1959年に物理学者のジェームズ・テレル氏と、後にノーベル物理学賞を受賞するロジャー・ペンローズ氏が独立して指摘した「テレル効果」（またはテレル回転、ペンローズ＝テレル効果とも呼ばれます）です 。彼らの理論によれば、例えば高速で移動する球体を瞬間的にカメラで撮影した場合、ローレンツ収縮によってただ平たく潰れて見えるのではなく、あたかも「回転」しているかのように見える、というのです。これは非常に興味深い予測でした。静止している球体はどの方向から見ても円形ですが、それが高速で移動すると、収縮するのではなく、その円形のシルエットを保ったまま、まるで向きを変えたかのように見えるというわけです 。
なぜこのような奇妙なことが起こるのでしょうか？少し想像を巡らせてみましょう。皆さんがホームに立っていて、超高速で目の前を横切る非常に長い列車を撮影するとします。列車の先頭部分から放たれた光と、最後尾部分から放たれた光が、同時にあなたのカメラのレンズに到達するためには、より遠くにある最後尾からの光は、先頭からの光よりも少し「早く」出発していなければなりません。その光がカメラに届くまでの間に、列車自身は猛烈なスピードで前進しています。その結果、カメラが「カシャッ」とシャッターを切った瞬間に捉えるのは、列車の異なる部分が異なる時刻にいたときの姿を寄せ集めたものになるのです。特に、物体の奥行きがある場合（例えば球や立方体）、普段は見えないはずの側面や後方の一部までが見えてしまうことがあります 。この効果が、物体をあたかも回転しているかのように見せる主な理由です。つまり、ローレンツ収縮が実際に起きているにも関わらず、写真に写る姿はそれとは異なる様相を呈するのです。
このテレル効果は、長らく理論上の予測であり、その直感に反する性質から多くの物理学者の関心を集めてきましたが、実際に実験室で観測することは極めて困難とされてきました 。何しろ、本物の物体を光速に近い速度で動かし、その瞬間をピタリと捉えるなど、途方もない技術が必要とされるからです。
今回、ウィーン工科大学のペーター・シャットシュナイダー教授を中心とする研究チームは、この難題に対して驚くほど巧妙なアプローチで挑み、見事にテレル効果の実験的な「スナップショット」撮影に成功しました 。
彼らが用いたのは、いわば「光の速度を仮想的に遅くする」という魔法のようなテクニックです。まず、フェムト秒（1000兆分の1秒）という非常に短い時間だけ点滅するレーザー光を用意します。そして、ピコ秒（1兆分の1秒）というこれまた極めて短い時間だけシャッターを開けることができる超高速カメラを、このレーザーと精密に同期させます 。
実験では、球や立方体といった対象物体にこのレーザーパルスを照射し、物体から反射してきた光をカメラで捉えます。ここでの鍵となるのは、カメラのシャッタータイミングを極めて精密に制御することで、物体の特定のごく薄い「スライス」部分から反射してきた光だけを選択的に記録することです。そして、物体を少しずつ物理的に移動させながら、この「スライス」の撮影を連続して行い、得られた多数の画像を後から合成することで、あたかも物体が相対論的な速度で運動しているかのような連続的な視覚情報を再構成したのです 。この手法により、研究チームは、実験室のスケールで、実効的に光の速さが毎秒2メートル（私たちがゆっくり歩く程度の速さ）であるかのような状況を「仮想的に」作り出すことに成功しました 。もちろん、実際に光の物理的な速さを変えたわけではありません。観測方法とデータ処理の工夫によって、極めて短い時間スケールで起こる相対論的な見え方の変化を、あたかもゆっくりとした動きのように引き伸ばして、私たちの目にも認識できる形で提示したのです。
この実験の成功が持つ意義は、単に「面白い写真が撮れた」というだけに留まりません。第一に、60年以上も前に理論的に予測されていたテレル効果が、単なる思考実験や計算上の産物ではなく、実際に起こりうる物理現象であることを初めて実験的に証明した点で画期的です 。これはアインシュタインの特殊相対性理論の正しさを改めて裏付けるものであり、物理学の基礎をより強固にするものです。また、この研究は、1924年にアントン・ランパ氏が発表した相対論的な長さの収縮に関する先駆的な論文からちょうど100周年を記念するタイミングでの発表となり、科学史的にも意義深い成果と言えるでしょう 。
そして、この成果は未来に向けた大きな可能性も秘めています。まず、今回開発された「仮想的に光速を遅くして見せる」というユニークな実験手法は、特殊相対性理論のような難解な物理概念を直感的かつ視覚的に理解するための、極めて強力な教育ツールとなる可能性があります 。教科書の数式だけではイメージしにくい現象も、このように「目に見える」形になれば、学生たちの理解は格段に深まるでしょう。
さらに、ハーバード大学の著名な宇宙物理学者であるアヴィ・ローブ氏が以前に示唆したように、テレル効果の原理を応用することで、遠い宇宙に存在する系外惑星の質量を測定するといった、天体物理学の分野での実用的な応用も考えられるかもしれません 。今回の実験的成功は、そうした応用の実現可能性を後押しするものです。この革新的な観測技術が、今後、他の様々な超高速現象の解明や、新たな計測技術の開発へと繋がっていくことも期待されます。今回のウィーン工科大学の成果は、基礎物理学の探求が、いかに私たちの宇宙への理解を深め、未来の技術革新の種を蒔くかを示す素晴らしい一例と言えるでしょう。
【用語解説】
特殊相対性理論 (Special Relativity): アインシュタインが1905年に提唱。光速に近い速度で運動する物体の時間と空間に関する理論。質量とエネルギーの等価性（E=mc2）も示す。慣性系における物理法則の普遍性と光速不変の原理を基礎とする。
ローレンツ収縮 (Lorentz Contraction): 特殊相対性理論が予測する効果の一つ。物体が高速で運動すると、観測者から見てその運動方向に長さが縮んで見える現象。速度が光速に近づくほど収縮の度合いは顕著になる。
テレル効果 (Terrell Effect) / テレル回転 (Terrell Rotation): 高速移動する物体を写真撮影した際、ローレンツ収縮の影響だけでなく、物体各部から発せられた光が観測者に到達する時間の遅れにより、物体が回転または変形して見える現象。球体は球形のまま回転して見えるとされる。
フェムト秒レーザー (Femtosecond Laser): フェムト秒（10−15秒、1000兆分の1秒）単位の極めて短い時間幅の光パルスを発生するレーザー。超高速現象の観測・計測や、精密な微細加工、医療分野などに応用される。
ピコ秒カメラ (Picosecond Camera): ピコ秒（10−12秒、1兆分の1秒）単位の極めて短い露光時間で撮影が可能な超高速カメラ。ゲート機能により特定の瞬間の光のみを捉えることができ、瞬間的な現象や蛍光寿命測定などに用いられる。
【参考リンク】
ウィーン工科大学 (TU Wien) (外部) 今回の画期的な実験を行ったウィーン工科大学の公式サイトです。同大学の研究活動やニュースが掲載されています。 URL: https://www.tuwien.at/en/
arXiv: “A Snapshot of Relativistic Motion: Visualizing the Terrell Effect” (外部) 本研究成果のプレプリント論文です。実験の詳細な手法やデータ、考察が記述されています。（専門的） URL: https://arxiv.org/abs/2409.04296
Physics World: “Curious consequence of special relativity observed for the first time in the lab” (外部) 今回のニュースを報じた物理学専門ニュースサイトの記事です。実験の背景や意義が解説されています。 URL: https://physicsworld.com/a/curious-consequence-of-special-relativity-observed-for-the-first-time-in-the-lab/
