В начале XX века Альберт Эйнштейн провел мысленный эксперимент, во время которого попытался понять, что произойдет с отражением в зеркалах, если те будут двигаться в пространстве на околосветовой скорости. Этот вопрос, вероятно, стал одним из главных стимулов, побудивших немецкого физика разработать специальную теорию относительности. Хотя Эйнштейн и дал на него исчерпывающий ответ, многие исследователи не прекращали попыток проверить утверждения легендарного физика. Очередную такую попытку предприняли специалисты из Чехии и Японии. Они выяснили, что Эйнштейн был неточен в своих прогнозах.

В знаменитой статье 1905 года, где были сформулированы основы специальной теории относительности, Альберт Эйнштейн описал мысленный эксперимент. В этом эксперименте было три составляющих: свет, зеркала и скорость, близкая к скорости света. 

Физик пытался ответить на вопрос, что произойдет с отражением, если зеркала будут мчаться в пространстве с околосветовой скоростью? По мнению ученого, при таком сценарии свет отразится от зеркальной поверхности, но при отражении его длина волны уменьшится: например, красный свет может отразиться фиолетовым или желтым, в зависимости от скорости зеркала. 

«Расчеты Эйнштейна показали, что свет, отраженный от зеркала, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, будет иметь бесконечную интенсивность и амплитуду. Но специальная теория относительности — описывающая движения объектов на околосветовой скорости — предполагала другой результат: любой объект, летящий с такой высокой скоростью, должен стать прозрачным и вообще не отражать свет», — объяснил физик Сергей Буланов из Чешского лазерного центра ELI, который вместе со своим коллегой Тимуром Есиркеповым попытались разрешить парадокс Эйнштейна «о зеркалах».

Статья по теме: Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?

Буланов пояснил, что в своем мысленном эксперименте немецкий физик использовал обычное зеркало, что не совсем правильно. Чтобы заставить такое зеркало двигаться со скоростью, близкой к скорости света, потребовалось бы бесконечное количество энергии. Буланов и его коллега пошли другим путем. Они предложили альтернативу: релятивистские зеркала из плазмы или смеси ионов и электронов.

Такие зеркала уже создавали в лабораториях с помощью мощных лазеров. Когда лазеры направляют на определенный материал, они превращают его в плазму, содержащую локализованные возмущения. Эти возмущения одновременно отражают свет, как зеркало, и движутся через плазму чрезвычайно быстро, со скоростями, близкими к скорости света.

Важно отметить, что в отличие от двумерных типичных зеркал, которые рассматривал Эйнштейн в своем эксперименте,  релятивистские — трехмерные, то есть за отражающей поверхностью также находится плазма. 

Статья по теме: Из мыльных пузырей сделали крошечные лазеры

Буланов и Есиркепов изучили свойства трехмерного плазменного зеркала и свойства падающего на него света. Физики обнаружили, что если воспроизвести мысленный эксперимент Эйнштейна с плазменным зеркалом, свойства зеркала и света будут различаться. В некоторых случаях свет начнет интенсивно отражаться от поверхности, как и предсказывал Эйнштейн. Но в других свет будет либо проходить через зеркало, либо преобразовываться в «волны», «пики», «впадины», которые начнут колебаться вблизи зеркальной поверхности и не рассеиваться в пространстве. Такое поведение света будет зависеть от частоты электромагнитной волны. 

Работа физиков теоретическая, но выводы ученых несложно проверить на практике с помощью сверхмощных петтаватных лазеров, которые все чаще начинают использовать многие предприятия. К слову, Буланов и Есиркепов в ближайшее время собираются провести эксперимент на мощной лазерной установке в Чехии и таким образом доказать или опровергнуть свою гипотезу.

Если эксперимент ученых покажет, что плазменные зеркала действительно интенсивно отражают свет, это может привести к появлению новых методов визуализации. Кроме того, в какой-то мере изменит фундаментальную физику. В таком случае ученые смогут «разбить» пространство на пары частица-античастица, из которых, как считается, оно состоит, и изучить их, что называется «под микроскопом».  

В настоящий момент статья ученых готовится к печати в журнале Physical Review E.