Fullfører Einsteins lekser om spesiell relativitet i elektromagnetisme

Albert Einstein, en av de mest berømte moderne vitenskapsmennene, foreslo den revolusjonære teorien om spesiell relativitet for mer enn et århundre siden. Denne teorien danner grunnlaget for det meste av det vi forstår om universet, men en del av den har ikke blitt eksperimentelt demonstrert før nå.

Forskere fra Institute of Laser Engineering ved Osaka University har brukt ultraraske elektrooptiske målinger for å visualisere for første gang kontraksjon av elektrisk felt rundt en elektronstråle som beveger seg nær lysets hastighet og demonstrere generasjonsprosessen.

I teori om spesiell relativitet, foreslo Einstein at for å kunne beskrive bevegelsen til objekter som beveger seg forbi en observatør ved nær lysets hastighet, må man bruke en “Lorentz-transformasjon” som blander koordinatene til rom og tid. Han var i stand til å forklare hvordan disse transformasjonene gjorde likningene for elektriske og magnetiske felt selvkonsistente.

Mens ulike effekter av relativitet er blitt demonstrert mange ganger med en svært høy grad av eksperimentell presisjon, er det fortsatt aspekter som forblir uavslørt i eksperimenter. Ironisk nok inkluderer disse sammentrekningen av det elektriske feltet representert som et fenomen av spesiell relativitet i elektromagnetisme.

Nå har forskerteamet ved Osaka University demonstrert denne effekten eksperimentelt for første gang. De oppnådde denne bragden ved å måle profilen til Coulomb-feltet i rom og tid rundt en høyenergielektronstråle generert av en lineær partikkelakselerator. Ved hjelp av ultrarask elektro-optisk prøvetaking var de i stand til å registrere det elektriske feltet med ekstremt høy tidsoppløsning.

Det har blitt rapportert at Lorentz-transformasjonene av tid og rom så vel som energi og momentum ble demonstrert ved henholdsvis tidsdilatasjonseksperimenter og hvilemasseenergieksperimenter. Her så teamet på en lignende relativistisk effekt kalt elektrisk feltkontraksjon, som tilsvarer Lorentz-transformasjonen av elektromagnetiske potensialer.

“Vi visualiserte sammentrekningen av elektrisk felt rundt en elektronstråle som forplanter seg nær lysets hastighet,” sier prof. Makoto Nakajima, prosjektleder. I tillegg observerte teamet prosessen med elektrisk feltsammentrekning rett etter elektronstråle passert gjennom en metallgrense.

Når man utvikler relativitetsteorien, sies det at Einstein brukte tankeeksperimenter for å forestille seg hvordan det ville være å ri på en lysbølge. “Det er noe poetisk ved å demonstrere den relativistiske effekten av elektriske felt mer enn 100 år etter at Einstein forutså det,” sier prof. Nakajima. “Elektriske felt var en avgjørende element i dannelsen av relativitetsteorien i utgangspunktet.”

Denne forskningen, med observasjoner som samsvarer tett med Einsteins spådommer om spesielle relativt i elektromagnetisme, kan tjene som en plattform for målinger av energiske partikkelstråler og andre eksperimenter innen høyenergifysikk. Avisen er publisert i Naturfysikk.

---

---