Ukończ teorie Einsteina – przełom w fizyce cząstek elementarnych

Ponad sto lat po pierwszym pojawieniu się naukowcy ukończyli pracę domową Einsteina na temat szczególnej teorii względności w elektromagnetyzmie.

Naukowcy z Uniwersytetu w Osace pokazują relatywistyczne skurcze pola elektrycznego generowanego przez szybko poruszające się naładowane cząstki, zgodnie z przewidywaniami teorii Einsteina, co może pomóc w ulepszeniu badań fizyki cząstek elementarnych i promieniowania.

Ponad sto lat temu jeden z najsłynniejszych współczesnych fizyków, Albert Einstein, zaproponował przełomową teorię szczególnej teorii względności. Większość wszystkiego, co wiemy o wszechświecie, opiera się na tej teorii, jednak część z nich nie została jeszcze udowodniona eksperymentalnie. uczonych, którzy Uniwersytet w Osace Instytut Inżynierii Laserowej po raz pierwszy zastosował ultraszybkie pomiary elektrooptyczne do wizualizacji skurczu pola elektrycznego otaczającego wiązkę elektronów poruszającą się z prędkością bliską prędkości światła i zademonstrowania procesu generowania.

Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina, aby opisać ruch obiektów przechodzących przez obserwatora z prędkością bliską prędkości światła, należy zastosować „transformatę Lorentza”, która łączy współrzędne przestrzeni i czasu. Był w stanie wyjaśnić, w jaki sposób te przekształcenia doprowadziły do ​​samospójnych równań pól elektrycznych i magnetycznych.

Podczas gdy różne efekty teorii względności zostały udowodnione wiele razy przy bardzo wysokim stopniu eksperymentowania[{” attribute=””>accuracy, there are still parts of relativity that have yet to be revealed in experiments. Ironically, one of these is the contraction of the electric field, which is represented as a special relativity phenomenon in electromagnetism.

Illustration of the formation process of the planar electric field contraction that accompanies the propagation of a near-light-speed electron beam (shown as an ellipse in the figure). Credit: Masato Ota, Makoto Nakajima

Now, the research team at Osaka University has demonstrated this effect experimentally for the first time. They accomplished this feat by measuring the profile of the Coulomb field in space and time around a high-energy electron beam generated by a linear particle accelerator. Using ultrafast electro-optic sampling, they were able to record the electric field with extremely high temporal resolution.

It has been reported that the Lorentz transformations of time and space as well as those of energy and momentum were demonstrated by time dilation experiments and rest mass energy experiments, respectively. Here, the team looked at a similar relativistic effect called electric-field contraction, which corresponds to the Lorentz transformation of electromagnetic potentials.

“We visualized the contraction of an electric field around an electron beam propagating close to the speed of light,” says Professor Makoto Nakajima, the project leader. In addition, the team observed the process of electric-field contraction right after the electron beam passed through a metal boundary.

When developing the theory of relativity, it is said that Einstein used thought experiments to imagine what it would be like to ride on a wave of light. “There is something poetic about demonstrating the relativistic effect of electric fields more than 100 years after Einstein predicted it,” says Professor Nakajima. “Electric fields were a crucial element in the formation of the theory of relativity in the first place.”

This research, with observations matching closely to Einstein’s predictions of special relativity in electromagnetism, can serve as a platform for measurements of energetic particle beams and other experiments in high-energy physics.

Reference: “Ultrafast visualization of an electric field under the Lorentz transformation” by Masato Ota, Koichi Kan, Soichiro Komada, Youwei Wang, Verdad C. Agulto, Valynn Katrine Mag-usara, Yasunobu Arikawa, Makoto R. Asakawa, Youichi Sakawa, Tatsunosuke Matsui and Makoto Nakajima, 20 October 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01767-w

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science and the NIFS Collaborative Research Program.