Albert Einstein, l’un des scientifiques modernes les plus célèbres, a proposé la théorie révolutionnaire de la relativité restreinte il y a plus d’un siècle. Cette théorie constitue la base de la plupart de ce que nous comprenons de l’univers, mais une partie n’a pas été démontrée expérimentalement jusqu’à présent.
Des scientifiques de l’Institut d’ingénierie laser de l’Université d’Osaka ont utilisé des mesures électro-optiques ultrarapides pour visualiser pour la première fois la contraction du champ électrique autour d’un faisceau d’électrons se déplaçant à une vitesse proche de la lumière et démontrer le processus de génération.
Dans la théorie de la relativité restreinte, Einstein a proposé que pour décrire correctement le mouvement des objets se déplaçant devant un observateur à une vitesse proche de la lumière, il fallait utiliser une « transformation de Lorentz » qui mélange les coordonnées de l’espace et du temps. Il a pu expliquer comment ces transformations rendaient les équations des champs électriques et magnétiques auto-cohérentes.
Bien que divers effets de la relativité aient été démontrés à plusieurs reprises avec un très haut degré de précision expérimentale, il existe encore des aspects qui restent non révélés dans les expériences. Ironiquement, ceux-ci incluent la contraction du champ électrique représenté comme un phénomène de relativité restreinte dans l’électromagnétisme.
Maintenant, l’équipe de recherche de l’Université d’Osaka a démontré expérimentalement cet effet pour la première fois. Ils ont accompli cet exploit en mesurant le profil du champ de Coulomb dans l’espace et le temps autour d’un faisceau d’électrons de haute énergie généré par un accélérateur linéaire de particules. Grâce à un échantillonnage électro-optique ultra-rapide, ils ont pu enregistrer le champ électrique avec une résolution temporelle extrêmement élevée.
Il a été rapporté que les transformations de Lorentz du temps et de l’espace ainsi que celles de l’énergie et de la quantité de mouvement ont été démontrées respectivement par des expériences de dilatation du temps et des expériences d’énergie de masse au repos. Ici, l’équipe a examiné un effet relativiste similaire appelé contraction du champ électrique, qui correspond à la transformation de Lorentz des potentiels électromagnétiques.
« Nous avons visualisé la contraction du champ électrique autour d’un faisceau d’électrons se propageant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière », explique le professeur Makoto Nakajima, le chef du projet. De plus, l’équipe a observé le processus de contraction du champ électrique juste après le passage du faisceau d’électrons à travers une frontière métallique.
Lors du développement de la théorie de la relativité, on dit qu’Einstein a utilisé des expériences de pensée pour imaginer ce que ce serait de chevaucher une onde de lumière. « Il y a quelque chose de poétique à démontrer l’effet relativiste des champs électriques plus de 100 ans après qu’Einstein l’ait prédit », déclare le professeur Nakajima. « Les champs électriques ont été un élément crucial dans la formation de la théorie de la relativité en premier lieu. »
Cette recherche, avec des observations correspondant étroitement aux prédictions d’Einstein sur la relativité restreinte dans l’électromagnétisme, peut servir de plate-forme pour les mesures de faisceaux de particules énergétiques et d’autres expériences en physique des hautes énergies. Le papier est publié dans Physique naturelle.
Koichi Kan, Visualisation ultrarapide d’un champ électrique sous la transformation de Lorentz, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01767-w. www.nature.com/articles/s41567-022-01767-w