大阪大學的研究人員展示了由快速移動的帶電粒子產生的電場的相對論收縮，正如愛因斯坦的理論所預測的那樣，這可以幫助改善輻射和粒子物理學研究。一個多世紀前，最著名的現代物理學家之一阿爾伯特-愛因斯坦提出了開創性的狹義相對論。我們所知道的關於宇宙的大部分知識都是基於這一理論，然而，其中一部分直到現在還沒有得到實驗證明。

來自大阪大學激光工程研究所的科學家們首次利用超快的電光測量，將以接近光速行駛的電子束周圍的電場收縮可視化，並展示了其產生過程。

根據愛因斯坦的狹義相對論，人們必須使用結合空間和時間坐標的”洛倫茲變換”，以準確描述以接近光速的速度通過觀察者的物體的運動。他能夠解釋這些變換如何導致電場和磁場的自洽方程式。

雖然相對論的不同效應已經被無數次證明，達到了非常高的實驗精度，但相對論仍有部分內容尚未在實驗中被揭示。具有諷刺意味的是，其中之一就是電場的收縮，它在電磁學中被表現為一種特殊的相對論現象。

伴隨著近光速電子束傳播的平面電場收縮的形成過程說明（圖中顯示為橢圓）。資料來源：Masato Ota, Makoto Nakajima

現在，大阪大學的研究小組首次在實驗中證明了這種效應。他們通過測量由線性粒子加速器產生的高能電子束周圍的庫侖場在空間和時間上的輪廓完成了這一創舉。利用超快的電光采樣，他們能夠以極高的時間分辨率記錄電場。

據報導，時間和空間的洛倫茲變換以及能量和動量的洛倫茲變換分別由時間膨脹實驗和靜止質量能量實驗證明。在這裡，該團隊研究了一種類似的相對論效應，稱為電場收縮，它對應於電磁勢的洛倫茲變換。

項目負責人Makoto Nakajima教授說：”我們可視化了在接近光速傳播的電子束周圍電場的收縮。此外，研究小組在電子束穿過金屬邊界後立即觀察到了電場收縮的過程。”

據說，在發展相對論時，愛因斯坦用思想實驗來想像乘坐光波會是什麼樣子。中島教授說：”在愛因斯坦預測了電場的相對論效應100多年後，證明它甚至還有一些詩意，電場是當初形成相對論的一個關鍵因素。”

這項研究的觀察結果與愛因斯坦在電磁學中的狹義相對論的預測密切匹配，可以作為高能粒子束的測量和其他高能物理學實驗的平台。