Wie realistisch ist das Spiel „A slower speed of light“?

Es gibt einige ernsthafte Probleme mit dem Spiel. Ich wünschte, ich hätte 2012 davon gehört, als es vielleicht noch Hoffnung auf eine Lösung gab. Ich wünschte auch, Luboš Motl hätte die Probleme 2012 bemerkt.

Ich denke, die Simulation der Abweichung ist korrekt. Es ist schwer, etwas über die Zeitdilatation und die Lichtreisezeitverzögerung zu sagen, weil in der Spielwelt nicht viel los ist.

Das größte Problem ist, dass die Simulation der Dopplerverschiebung lächerlich falsch ist.

Hier ist ein Screenshot aus dem Spiel:

Hier ist ein ähnlicher Screenshot aus dem Ruhezustand, auf den ich einen „Doppler-Gradienten“ angewendet habe, indem ich den Doppler-Shift-Code aus Backlight, dem 4D-Raytracer, verwendet habe:

Ich würde das zweite Bild sicherlich nicht als endgültig ansehen, aber es ist qualitativ viel näher daran, wie das Spiel aussehen sollte. Weiße Objekte, die vom Sternenlicht angestrahlt werden, haben ungefähr ein Schwarzkörperspektrum, so dass sie bei Dopplerverschiebung rot, weiß oder blau sein sollten, niemals grün oder violett. Objekte mit entsättigten Farben sollten als entsättigte Regenbögen erscheinen (sehen Sie sich den Boden an, der im Ruhezustand blassblau ist). Und die Helligkeit sollte gleichmäßig zunehmen, wenn man von rechts nach links schaut.

Das Spiel ist nicht quelloffen, aber der Doppler-Shift-Shader ist es, also habe ich ihn mir angeschaut.

Es funktioniert, indem es ein Lichtspektrum (dargestellt als eine Summe von Gaußschen Kurven im Wellenlängenraum) aus den RGB-Komponenten der Textur errät, es mit dem Doppler-Shift-Faktor skaliert, es mit Annäherungen der XYZ-Farbanpassungsfunktionen (ebenfalls Summen von Gaußschen Kurven) faltet und dann XYZ in RGB umwandelt. Das ist vernünftig.

Das erste Problem besteht darin, dass sie statt eines breiten Spektrums, das sich einem solaren Schwarzen Körper annähert, wenn die Farbe grau/weiß ist, schmale Spitzen bei 463nm, 550nm und 615nm vermuten. Das ist einfach nicht realistisch und der Grund für all die seltsamen Farben in der rechten Hälfte des Screenshots.

Die hellen Farben auf der linken Seite sind auf eine andere seltsame Designentscheidung zurückzuführen. Neben RGB unterstützen sie IR- und UV-Farbkanäle, die nur zu sehen sind, wenn sie in den sichtbaren Bereich gedoppelt werden, was eine gute Idee ist. Aber es handelt sich wieder um scharfe Spitzen im Spektrum, und die Texturen steuern die Wellenlänge der Spitzen, während die Amplituden fest sind. Für UV wählt man eine Wellenlänge von 0nm bis 380nm (praktisch ein unendlicher Bereich), während es für IR 700nm bis 1100nm sind (weniger als ein 2:1 Bereich). Der Grund, warum man bei Blauverschiebung helle RGB-Regenbögen in jeder Textur sieht, bei Rotverschiebung aber nicht, hat nichts mit Physik zu tun. Es liegt daran, dass man den obligatorischen UV-Spike auf 0nm setzen kann, wo er niemals sichtbar sein wird, aber man kann den obligatorischen IR-Spike nicht verstecken.

Die Helligkeitsskalierung scheint ebenfalls falsch zu sein. Sie multiplizieren die Gaußsche Breite mit dem Rotverschiebungsfaktor, was die integrierte Energie um denselben Faktor skaliert, und dividieren dann durch den Rotverschiebungsfaktor kubiert. Infolgedessen lautet ihr Stefan-Boltzmann-Gesetz $σT^2$ statt $σT^4$. Sie hätten durch die fünfte Potenz dividieren sollen.

Es scheint auch Probleme mit der Umwandlung des Spektrums in RGB zu geben – der Regenbogen auf der linken Seite hätte ROYGBIV-Streifen, nicht nur RGB, wenn er korrekt umgewandelt worden wäre.

Ein weiteres kleines Problem ist, dass sie die Effekte danach berechnen, wie stark man den Joystick drückt, und nicht wie schnell man sich tatsächlich bewegt. Die sich bewegenden Geister erscheinen z.B. rot/blauverschoben, wenn man stillsteht, aber wenn man sich vor einen stellt und sich von ihm schieben lässt, bleibt er blauverschoben, obwohl er jetzt relativ zu einem stillsteht, und es gibt keine Bewegungseffekte auf dem Hintergrund, obwohl er sich bewegt. Die Rot-/Blauverschiebung der Geister scheint sich auch nicht zu ändern, wenn die Lichtgeschwindigkeit angeblich abnimmt.

Die Beilage „Was ist los?“ am Ende (die auch im Powerpoint-Format von der Website heruntergeladen werden kann) enthält einige Fehler.

Licht verhält sich auch wie ein Strom von Teilchen, die Photonen genannt werden. Wenn du auf einen Photonenstrom zuläufst, treffen mehr Photonen auf dich und das Objekt wird heller. Dieser Effekt wird auch als Relativistische Aberration bezeichnet.

Erstens sind diese Effekte klassisch, so dass die Quantisierung irrelevant ist. Zweitens macht die erhöhte Absorptionsrate der Photonen nur einen kleinen Teil der Helligkeitszunahme aus. Drittens bezieht sich die Aberration auf eine Änderung des Winkels, nicht auf mehr Photonen, die auf einen treffen.

Auf dieser Folie befindet sich auch ein Bild mit der Überschrift „Wenn man sich nach links bewegt, sind die Objekte auf der linken Seite heller als die Objekte auf der rechten Seite“, obwohl das auf dem Bild (das dem Bild oben in dieser Antwort ähnelt) eindeutig nicht stimmt. Es sollte natürlich wahr sein. Es ist für mich schwer zu verstehen, wie sie zu keinem Zeitpunkt in der Entwicklung herausfinden konnten, dass ihr Shader fehlerhaft war, wenn man seine verrückte Ausgabe bedenkt.

Man muss viel näher an der Lichtgeschwindigkeit sein, um die dramatischeren Effekte der Lorentz-Transformation im Vergleich zu den Doppler- und Searchlight-Effekten zu bemerken. Am Ende des Spiels werden die Doppler- und Searchlight-Effekte entfernt, damit man die Lorentz-Transformation leichter erkennen kann.

Hier wird „Lorentz-Transformation“ gesagt, aber es scheint, als ob die Aberration gemeint ist. Die Lorentz-Transformation ist kein „Effekt“, sie ist nur eine Art der Umrechnung zwischen Koordinatensystemen. Koordinatensysteme sind bedeutungslos und haben keinen Einfluss auf das, was du siehst.

Objekte, die normalerweise außerhalb deines Sichtfeldes liegen, können sichtbar werden, wenn du dich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegst, da du sie so siehst, wie sie in der Vergangenheit waren.

Ja, du siehst sie so, wie sie in der Vergangenheit waren, aber du siehst sie zur gleichen vergangenen Zeit, egal wie schnell du dich bewegst (Uhren zeigen zum Beispiel unabhängig von deiner Geschwindigkeit den gleichen Stand an). Ihr Sichtfeld erweitert sich, wenn Sie sich vorwärts bewegen, aufgrund der Aberration, die am einfachsten als lokaler Effekt aufgrund der Bewegung Ihrer Kamera/Ihres Auges zu verstehen ist, wie hier zu sehen.