Более века назад один из самых известных современных физиков Альберт Эйнштейн предложил новаторскую специальную теорию относительности. Большая часть всего, что мы знаем о Вселенной, основана на этой теории, однако часть ее до сих пор не была экспериментально продемонстрирована. Ученые из Института лазерной инженерии Университета Осаки впервые использовали сверхбыстрые электрооптические измерения, чтобы визуализировать сокращение электрического поля, окружающего электронный луч, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, и продемонстрировать процесс генерации.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, необходимо использовать, так называемое, преобразование Лоренца, которое объединяет пространственные и временные координаты, чтобы точно описать движение объектов, проходящих мимо наблюдателя со скоростями, близкими к скорости света. Он смог объяснить, как эти преобразования привели к самосогласованным уравнениям для электрического и магнитного полей.
В то время как различные эффекты относительности были доказаны много раз с очень высокой степенью экспериментальной точности, все еще есть части относительности, которые еще предстоит выявить в экспериментах. По иронии судьбы, одним из них является сжатие электрического поля, которое представлено как специальное явление относительности в электромагнетизме.
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. В своей работе команда рассмотрела аналогичный релятивистский эффект, называемый сжатием электрического поля, который соответствует преобразованию Лоренца электромагнитных потенциалов.
Ученые, буквально, визуализировали сжатие электрического поля вокруг электронного луча, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. 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. В этом есть что-то поэтичное в демонстрации релятивистского эффекта электрических полей более чем через 100 лет после того, как его предсказал Эйнштейн. 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.
