Спустя более века после появления теории ученые выполнили домашнюю работу Эйнштейна по специальной теории относительности в электромагнетизме.
Исследователи Университета Осаки продемонстрировали, что релятивистское сжатие электрического поля, создаваемого быстро движущимися заряженными частицами, как это и предсказывает теория Эйнштейна, может способствовать развитию исследований в области физики элементарных частиц и излучения.
Более века назад один из самых известных современных физиков Альберт Эйнштейн предложил свою новаторскую специальную теорию относительности. Большая часть всего, что мы знаем о Вселенной, основана на этой теории, но кое-что еще предстоит доказать экспериментально. бакалавр кто Осакский университет Институт лазерной техники впервые использовал сверхбыстрые фотоэлектрические измерения, чтобы визуализировать сжатие электрического поля, окружающего пучок электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и продемонстрировать процесс генерации.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, необходимо использовать «преобразование Лоренца», которое суммирует координаты пространства и времени, чтобы точно описать движение объекта, проходящего мимо наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света. Он смог объяснить, как эти преобразования приводят к уравнениям самосогласованных электрических и магнитных полей.
Хотя различные релятивистские эффекты были доказаны много раз с очень высоким уровнем экспериментальной[{”attribute=””>точностивсеещеестьчастиотносительностикоторыеещепредстоитвыявитьвэкспериментахПоирониисудьбыоднимизнихявляетсясжатиеэлектрическогополякотороепредставленокакспециальноеявлениеотносительностивэлектромагнетизме[{”attribute=””>accuracytherearestillpartsofrelativitythathaveyettoberevealedinexperimentsIronicallyoneoftheseisthecontractionoftheelectricfieldwhichisrepresentedasaspecialrelativityphenomenoninelectromagnetism
Иллюстрация процесса формирования плоскостного сжатия электрического поля, сопровождающего распространение пучка электронов с околосветовой скоростью (показан на рисунке эллипсом). Предоставлено: Масато Ота, Макото Накадзима.
Теперь исследовательская группа Университета Осаки впервые продемонстрировала этот эффект экспериментально. Они совершили этот подвиг, измерив профиль кулоновского поля в пространстве и времени вокруг пучка высокоэнергетических электронов, генерируемого линейным ускорителем частиц. Используя сверхбыструю электрооптическую выборку, они смогли записать электрическое поле с чрезвычайно высоким временным разрешением.
Сообщалось, что преобразования Лоренца времени и пространства, а также преобразования энергии и импульса были продемонстрированы в экспериментах по замедлению времени и экспериментах с энергией массы покоя соответственно. Здесь команда рассмотрела аналогичный релятивистский эффект, называемый сжатием электрического поля, который соответствует преобразованию Лоренца электромагнитных потенциалов.
«Мы визуализировали сжатие электрического поля вокруг электронного луча, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света», — говорит руководитель проекта профессор Макото Накадзима. Кроме того, команда наблюдала процесс сжатия электрического поля сразу после прохождения электронного луча через металлическую границу.
Говорят, что при разработке теории относительности Эйнштейн использовал мысленные эксперименты, чтобы представить, каково это — летать на световой волне. «Есть что-то поэтичное в демонстрации релятивистского эффекта электрических полей более чем через 100 лет после того, как его предсказал Эйнштейн», — говорит профессор Накадзима. «Электрические поля были важнейшим элементом в формировании теории относительности в первую очередь».
Это исследование с наблюдениями, близко совпадающими с предсказаниями Эйнштейна специальной теории относительности в электромагнетизме, может служить платформой для измерений пучков энергичных частиц и других экспериментов в физике высоких энергий.
Ссылка: «Сверхбыстрая визуализация электрического поля при преобразовании Лоренца» Масато Ота, Коичи Кан, Соитиро Комада, Ювей Ван, Трут С. Агулто, Валинн Катрин Маг-усара, Ясунобу Арикава, Макото Р. Асакава, Юичи Сакава, Тацуносукэ Мацуи и Макото Накадзима, 20 октября 2022 г., DOI: 10.1038/s41567-022-01767-w
Исследование финансировалось Японским обществом содействия науке и Программой совместных исследований NIFS.
