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完成爱因斯坦关于电磁学中狭义相对论的家庭作业
发布时间:2022-10-30 16:28:43 阅读:226

来源:eurekalert.org;上海师范大学数理学院 赵振宇 推荐;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    日本大阪大学的研究人员展示了由快速运动的带电粒子所产生的电场相对论收缩,一切都正如爱因斯坦理论所预测的那样。这将有助于改进在辐射和粒子物理学领域的研究。一个多世纪前,最著名的现代科学家之一阿尔伯特•爱因斯坦提出了狭义相对论这一革命性的理论。这个理论构建了我们对于宇宙理解的大部分基础,但其中有一部分直到现在还没有被实验证明。大阪大学激光工程研究所的科学家们利用超快电光测量技术,首次对以接近光速运动的电子束周围的电场收缩进行了可视化处理,并将其产生的过程进行了演示。

图片:平面电场收缩的形成过程图解,伴随着近光速电子束的传播(图中显示为椭圆)。
图片来源:Masato Ota,Makoto Nakajima

    在狭义相对论中,爱因斯坦提出,为了正确描述物体以接近光速通过观察者的运动,需要使用“洛伦兹变换”来混合空间和时间的坐标。他能够解释这些变换是如何使电场和磁场的方程具有自洽性。尽管相对论的各种效应已经被多次证明,也已达到了极高的实验精度,但仍有一些方面在实验中未被揭示。具有讽刺意味的是,这其中就包括了电磁场的收缩,这本身就代表电磁学中的狭义相对论现象。

    现在,大阪大学的研究团队首次通过实验证明了这种效应。他们通过测量线性粒子加速器产生的高能电子束周围库仑场在空间和时间上的分布,完成了这一壮举。使用超快电光采样,他们能够以极高的时间分辨率记录电场。据报道,时间和空间的洛伦兹变换以及能量和动量的洛伦茨变换分别通过时间膨胀实验和静止质量能量实验得到了证明。在这里,研究小组观察了一种类似的相对论效应,称为电场收缩,这对应于电磁势中的洛伦兹变换。项目负责人中嶋誠(Makoto Nakajima)副教授表示:“我们看到了电子束周围电场的收缩,其传播速度接近光速。”此外,研究小组也观察了电子束通过金属边界后的电场收缩过程。

    在发展相对论时,据说爱因斯坦当年是用思维实验来想象乘坐光波的感觉。中嶋誠教授说:“在爱因斯坦预测电场相对论效应的100多年之后,我们来证明电场的相对性效应真是颇具诗意。毕竟,电场首先是相对论形成的关键因素。”这项研究的观测结果与爱因斯坦在电磁学中狭义相对论的预测非常吻合,它可以作为高能粒子束测量和高能物理中其他实验的平台。

    这篇题为“洛伦兹变换下电场的超快可视化”的文章将发表在《自然物理学》上:
    DOI:
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01767-w.

    关于大阪大学
    大阪大学成立于1931年,是日本七所帝国大学之一,现在是日本领先的综合性大学之一,学科范围广泛。该大学的优势在于贯穿于整个科学过程中创新与独特动力的融合,从基础研究到具有积极经济影响力的应用技术创造。大阪大学致力于全面创新,这在日本和世界各地都得到了全面认可,被评为2015年日本最具创新精神的大学(“路透社2015年百强”),2017年世界最具创新能力的大学之一(“创新大学和2017年自然指数创新”)。目前,大阪大学正在积极发挥其作为教育部、文化部、体育部和科学和技术部选定的“指定国立大学法人”的作用,为人类的福利、社会可持续发展和社会的转型创新做出更大贡献。
    网址:
https://resou.osaka-u.ac.jp/e

 
 

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