阪大ら，電磁気の特殊相対性理論を初めて直接実証

大阪大学，関西大学，三重大学は，光の99.99%の速度で移動する電子ビームの周りに形成される電場の時空間分布を計測，100年以上前にアインシュタインによって予言された理論（電磁気における特殊相対性理論）を直接的に実証することに成功した（ニュースリリース）。

アインシュタインの（特殊）相対性理論では「光に近い速度で移動する物質は時空の歪みの影響を受ける」という理論が展開されたが，電磁気における特殊相対性理論の直接的実証に成功した研究報告は無かった。

研究グループは，電磁気における特殊相対性理論において，直接的な実験手法で世界初の相対論的クーロン電場の時空間分布のスナップショット計測を行なった。この相対論的クーロン電場は光に近い速度で移動する電子ビームに付随するため，それに追従するための超高速な電場計測が必要となる。

そこで，電気光学検出と呼ばれるテラヘルツ物理学で用いられて来た超高速電場計測手法を用いた。線形加速器で生成した高エネルギー電子ビーム周りの電場の時空間分布をピコ秒の時間領域で計測し，理論的に予想されていた，クーロン電場が電子ビーム進行方向に収縮した様（電場の平面波）を可視化することに成功した。

これは「電磁ポテンシャル」のローレンツ変換の実証に対応している。ローレンツ変換とは，特殊な座標変換のことで，相対論的（超高速）な世界と我々が暮らす（光速に比べて十分に遅い）世界の物理量を繋ぐことができる。

時間の遅れや静止質量という物理現象は，それぞれ，前者が「時間・空間」，後者が「エネルギー・運動量」のローレンツ変換から予想されたもの。研究では，さらに，金属境界を通過した電子ビーム周りの相対論的電場分布の発展を調べることで，平面的な電場の収縮がどの様に形成されるかも明らかにした。

この電場分布の発展は，電子ビームの金属境界通過点を中心とする球面波として自由空間を広がるというもの。この球の半径と金属境界からの電子ビームの伝搬距離は一致するため，ビーム軸周りの電場分布に着目すると，その曲率はビームの伝搬と共に小さくなり，やがて球面は平面となる。

この実験結果は，リエナール・ヴィーヘルト・ポテンシャルと呼ばれる，電磁ポテンシャルのローレンツ変換とは異なる手法で導出された相対論的電場を記述する理論を実証しているという。

今回の「特殊」相対性理論の可視化は，相対性理論の最も直接的・直感的な実験結果の一つだとする。研究グループは，今回の電場時空間分布の超高速計測は，さらなる超高速・高エネルギー現象の研究を行なう上でのプラットフォームにもなるとしている。