Abschluss von Einsteins Hausaufgaben zur speziellen Relativitätstheorie im Elektromagnetismus

Albert Einstein, einer der berühmtesten modernen Wissenschaftler, schlug vor mehr als einem Jahrhundert die revolutionäre Theorie der speziellen Relativitätstheorie vor. Diese Theorie bildet die Grundlage für das meiste, was wir über das Universum wissen, aber ein Teil davon wurde bisher noch nicht experimentell nachgewiesen.

Wissenschaftler des Instituts für Lasertechnik der Universität Osaka haben mit ultraschnellen elektrooptischen Messungen erstmals die Kontraktion des elektrischen Felds um einen Elektronenstrahl sichtbar gemacht, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, und den Erzeugungsprozess demonstriert.

In der speziellen Relativitätstheorie schlug Einstein vor, dass man, um die Bewegung von Objekten, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit an einem Beobachter vorbeibewegen, richtig zu beschreiben, eine „Lorentz-Transformation“ anwenden muss, die die Koordinaten von Raum und Zeit mischt. Er konnte erklären, wie diese Transformationen die Gleichungen für elektrische und magnetische Felder in sich konsistent machten.

Während verschiedene Effekte der Relativitätstheorie viele Male mit sehr hoher experimenteller Genauigkeit demonstriert wurden, gibt es immer noch Aspekte, die in Experimenten unentdeckt bleiben. Ironischerweise gehört dazu die Kontraktion des elektrischen Feldes, das als Phänomen der speziellen Relativitätstheorie im Elektromagnetismus dargestellt wird.

Das Forscherteam der Universität Osaka hat diesen Effekt nun erstmals experimentell nachgewiesen. Sie vollbrachten dieses Kunststück, indem sie das Profil des Coulomb-Feldes in Raum und Zeit um einen hochenergetischen Elektronenstrahl herum maßen, der von einem linearen Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde. Mittels ultraschneller elektrooptischer Abtastung konnten sie das elektrische Feld mit extrem hoher zeitlicher Auflösung aufzeichnen.

Es wurde berichtet, dass die Lorentz-Transformationen von Zeit und Raum sowie die von Energie und Impuls durch Zeitdilatationsexperimente bzw. Ruhemassenenergieexperimente demonstriert wurden. Hier untersuchte das Team einen ähnlichen relativistischen Effekt namens elektrische Feldkontraktion, der der Lorentz-Transformation elektromagnetischer Potentiale entspricht.

„Wir haben die Kontraktion des elektrischen Feldes um einen Elektronenstrahl herum visualisiert, der sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet“, sagt Prof. Makoto Nakajima, der Projektleiter. Darüber hinaus beobachtete das Team den Prozess der Kontraktion des elektrischen Felds unmittelbar nachdem der Elektronenstrahl eine Metallgrenze passiert hatte.

Bei der Entwicklung der Relativitätstheorie soll Einstein Gedankenexperimente verwendet haben, um sich vorzustellen, wie es wäre, auf einer Lichtwelle zu reiten. „Es hat etwas Poetisches, den relativistischen Effekt elektrischer Felder mehr als 100 Jahre nach seiner Vorhersage durch Einstein zu demonstrieren“, sagt Prof. Nakajima. „Elektrische Felder waren überhaupt ein entscheidendes Element bei der Entstehung der Relativitätstheorie.“

Diese Forschung mit Beobachtungen, die eng mit Einsteins Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie im Elektromagnetismus übereinstimmen, kann als Plattform für Messungen von energiereichen Teilchenstrahlen und andere Experimente in der Hochenergiephysik dienen. Das Papier ist erschienen in Naturphysik.