Физики подтвердили справедливость специальной теории относительности применительно к полю быстро летящего заряда

Японские физики экспериментально подтвердили, что кулоновское поле зарядов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, сжимается ровно так, как предсказывает специальная теория относительности. Для этого они пропускали электронные лучи через кристалл с эффектом Поккельса и измеряли изменение поляризационных свойств падающего на него света. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Специальная теория относительности (СТО) стала важным шагом, проделанным Эйнштейном, на пути к современному осмыслению природы пространства-времени. Ее рождение призвано было примирить электромагнитную теорию света с механикой быстро движущихся тел. Опыты Майкельсона доказывали несостоятельность теории эфира, согласно которой скорость света могла бы быть различной в системах, двигающихся в некотором направлении с достаточно большой скоростью. Опираясь на этот факт, Эйнштейн постулировал постоянство скорости света. Это простое требование существенно и зачастую контринтуитивно меняет механику тел на больших скоростях, или, как вскоре после Эйнштейна начали говорить, в релятивистском пределе. Впоследствии великий ученый довел эту идею до логичного завершения, связав гравитацию и искривление пространства-времени в общей теории относительности (ОТО). В честь столетия ОТО N + 1 собрало в материале «Это только теория» подборку популярных объяснений о том, как устроены обе теории Эйнштейна.

Обе теории проверяются и по сей день со все возрастающей точностью. Отчасти это обусловлено отсутствием у физиков теории, объединяющей ОТО и квантовую теорию поля. Крупнейшим успехом, сделанным в этом направлении, можно назвать обнаружение гравитационных волн. В целом усилия ученых сконцентрированы на проверке именно ОТО, как с помощью астрономических наблюдений, так и в условии лабораторий. Проверке же релятивистских эффектов, не связанных напрямую с гравитацией, посвящено меньше усилий. И если эффекты сокращения времени или связь энергии с импульсом релятивистской частицы физики начали проверять еще в первой половине прошлого столетия, с каждым разом подтверждая истинность СТО, то эффект сжатия кулоновского поля, создаваемого быстро летящим зарядом, то сих пор не был проверен напрямую.

Закрыть этот пробел вызвалась группа японских физиков под руководством Макото Накадзима (Makoto Nakajima) из Университета Осаки. Для этого они использовали разогнанный до релятивистской скорости электронный импульс и измеряли профиль электрического поля, создаваемого им. Результаты измерения оказались в хорошем согласии с предсказаниями специальной теории относительности и численными симуляциями.

Покоящийся точечный электрон создает поле, которое можно изобразить в виде множества радиальных силовых линий, равномерно сходящихся в центре заряда. Зачастую поля представляют через потенциалы. В этом случае поле одиночного заряда визуализируется через множество эквипотенциальных сфер.

Если заряд начинает двигаться со скоростью, близкой к скорости света, создаваемый им потенциал можно представить как суперпозицию множественных сферических электромагнитных потенциалов, генерируемых им по мере распространения (их описывают решения Лиенара — Вихерта). Наиболее интересен результат этого сложения в направлении движения электрона. Чем дольше он летит, тем больше радиус кривизны у суммарной эквипотенциальной поверхности. В пределе она сводится к плоскости, описываемой преобразованиями Лоренца.

Чтобы измерить это поле, физики пропускали электроны через пленку теллурида цинка миллиметровой толщины. Электронный импульс длительностью 0,72 пикосекунды, диаметром 3,5 миллиметра и суммарным зарядом −70 пикокулон обладал фактором Лоренца, равным 69,5, что соответствует скорости электронов, равной примерно 0,9998 скорости света. Теллурид цинка демонстрирует ярко выраженный эффект Поккельса, то есть возникновение двойного лучепреломления при наложении электрического поля. Облучая его одновременно с пролетом электронов, авторы с помощью техники эшелонирования луча могли по изменению поляризационных характеристик света измерять пространственно-временной профиль напряженности электрического поля.

На первом этапе ученые устанавливали детектирующую пленку на расстоянии 204 миллиметров от выходного титанового окна электронной пушки. Титановое окно служило экраном для того, чтобы подавить все предыдущие поля и запустить процесс суперпозиции заново. Тем не менее, на таком расстоянии поле импульса успевает выстраиваться в плоскость, что подтвердил как эксперимент, так и симуляции методом частиц в ячейках.

На втором этапе авторы размещали между детектором и окном электронной пушки алюминиевую фольгу толщиной 15 микрометров на расстояниях 5, 15 и 25 миллиметров. Фольга также служила для экранировки электромагнитных полей и позволяла проверить справедливость решений Лиенара — Вихерта. Как и в предыдущем опыте, физики получили удовлетворительное согласие с теорией и симуляциями.

Ранее британские физики убедились, что даже для одиночных фотонов фазовый сдвиг во вращающемся интерферометре (эффект Саньяка) возникает в точности таким, каким его предсказывает специальная теория относительности.