완전한 아인슈타인의 이론 – 입자 물리학의 돌파구

처음 나타난 지 100년이 넘도록 과학자들은 전자기학의 특수 상대성 이론에 대한 아인슈타인의 숙제를 완성했습니다.

오사카 대학 연구원들은 아인슈타인의 이론에서 예측한 대로 빠르게 움직이는 하전 입자에 의해 생성된 전기장의 상대론적 수축을 시연했으며, 이는 입자 및 방사선 물리학 연구를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

100여 년 전에 가장 유명한 현대 물리학자 중 한 명인 알버트 아인슈타인은 획기적인 특수 상대성 이론을 제안했습니다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 대부분의 것은 이 이론에 기초하고 있지만 일부는 아직 실험적으로 증명되지 않았습니다. 학자 오사카대학 레이저 공학 연구소는 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 전자 빔을 둘러싼 전기장의 수축을 시각화하고 생성 프로세스를 시연하기 위해 처음으로 초고속 광전 측정을 사용했습니다.

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 빛의 속도에 가까운 속도로 관찰자를 통과하는 물체의 운동을 정확하게 묘사하기 위해서는 공간과 시간의 좌표를 합산하는 ‘로렌츠 변환’을 사용해야 한다. 그는 이러한 변환이 어떻게 전기장과 자기장의 일관된 방정식으로 이어졌는지 설명할 수 있었습니다.

상대성 이론의 다양한 효과는 매우 높은 수준의 실험을 통해 여러 번 입증되었지만[{” 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.