Paul Sutter je astrofyzik na Ohio State University a hlavní vědecký pracovník vědeckého centra COSI. Sutter je také moderátorem pořadů Ask a Spaceman a Space Radio a vede AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do rubriky Space.com Expert Voices:
Magnety a magnetická síla jsou všudypřítomné v našem každodenním životě, pomáhají nám orientovat se v neznámém území a připevňují výtvarné práce našich dětí na ledničku. Ale kromě těchto běžných příkladů se zdá, že magnetická pole hrají v symfonii sil ve vesmíru vždy druhé housle. Jistě, jednou za dlouhý čas se jim může dostat hlavní slovo – například v extrémně nebezpečném prostředí magnetaru nebo v extrémně užitečném prostředí NMR skeneru – ale většinou prostě existují a nechávají se tlačit svými silnějšími příbuznými.
Ale i přes svou relativní bezvýznamnost skrývají několik tajemství.
Magnety fungují pouze na základě pohybu
Jediná částice s elektrickým nábojem, která sedí sama a nedělá nic zajímavého, vytvoří elektrické pole. Toto pole obklopuje částici ze všech stran a dává pokyn ostatním nabitým částicím, jak se mají v reakci na to pohybovat. Pokud je v blízkosti podobně nabitá částice, bude odstrčena. Pokud je opačně nabitá částice daleko, bude jemně přitahována blíže.
Pokud však tento elektrický náboj uvedete do pohybu, stane se překvapivá věc: Vznikne nové pole! Toto zvláštní a exotické pole se chová zvláštním způsobem: Místo aby směřovalo přímo k náboji nebo od něj, kroutí se kolem něj, vždy kolmo ke směru pohybu. A co víc, blízká nabitá částice toto nové pole pocítí pouze v případě, že i ona je v pohybu, a síla, kterou pocítí, je opět kolmá na směr jejího pohybu.
Toto pole, kterému budeme pro zjednodušení říkat magnetické pole, je tedy jednak způsobeno pohybujícími se náboji, jednak působí pouze na pohybující se náboje. Ale váš magnet na ledničce se nepohybuje, tak co s tím?
Magnet sám o sobě se nepohybuje, ale pohybuje se látka, ze které je vyroben. Každý atom v tomto magnetu má vrstvy a vrstvy elektronů a elektrony jsou nabité částice se zabudovanou vlastností známou jako spin. Spin je v podstatě esoterická a kvantová vlastnost (a je předmětem jiného článku), a i když není technicky správné považovat elektrony za malé rotující kovové kuličky… pro účely magnetismu můžeme elektrony považovat za malé rotující kovové kuličky.
Tyto elektrony jsou náboje v pohybu a každý elektron vytváří své vlastní miniaturní magnetické pole. Ve většině materiálů různá orientace elektronů ruší jakékoliv makroskopické pole, ale magnety jsou přesně ty druhy materiálů, kde se spousta elektronů řadí do úhledné řady a vytváří magnetické pole dostatečně velké na to, abyste si mohli něco přilepit na ledničku.
Monopóly mohou existovat
Protože všechna magnetická pole, která vidíme ve vesmíru, jsou generována pohybujícími se náboji, nelze nikdy izolovat severní a jižní magnetický pól („monopól“) od sebe. Vždy se vyskytují v párech. Pokud vezmete magnet a rozkrojíte ho napůl, vzniknou vám jen dva menší a slabší magnety – jejich vnitřní elektrony stále víří stejně jako vždy.
Tato vlastnost magnetů byla (a je) tak dobře známá, že James Clerk Maxwell – chlapík, který přišel na to, že elektřina a magnetismus spolu zásadně souvisejí – jednoduše do svých rovnic zapeče tvrzení „nic takového jako magnetický monopól neexistuje“ a nechá to tak. A po celá desetiletí jsme neměli důvod tušit opak, takže jsme to nechali být.
Jakmile se však naše oči začaly dívat na podivný a úžasný subatomární svět, naše rostoucí znalosti kvantové mechaniky této myšlence přidělaly několik nových vrásek. A Paul Dirac, průkopník kvantové říše, si všiml něčeho zvláštního, co se skrývalo v hluboké matematice této nové fyziky.
Pokud by v rámci myšlenkového experimentu existoval magnetický monopól a pokud byste ho spárovali s obyčejným nudným známým elektrickým nábojem, pak by se oba začaly otáčet. Tato rotace je ve skutečnosti nezávislá na vzdálenosti; nezáleží na tom, jak daleko jsou tyto dvě částice od sebe. Dirac však věděl, že úhlová hybnost (hybnost pohybující se v kruhu, jako v tomto rotujícím páru) je kvantovaná – úhlová hybnost v našem vesmíru nabývá diskrétních hodnot. To platí pro všechny věci, včetně naší zvláštní dvojice.
Takže tady je ten kámen úrazu: Na základě této úvahy si Dirac uvědomil, že pokud je úhlová hybnost kvantovaná, pak musí být kvantované i náboje těchto částic. A protože tento efekt nezávisí na vzdálenosti, pokud by v celém vesmíru existoval jediný magnetický monopól, pak by to přímo vedlo ke kvantování náboje, což jsme do té doby brali jako experimentální fakt bez teoretického zdůvodnění…
Magnety jsou klíčem ke speciální teorii relativity
Spojitost mezi elektřinou a magnetismem, kterou objevil James Clerk Maxwell, nebyla jen povrchní. Uvědomil si, že jde o dvě strany téže mince – elektromagnetismu. Měnící se elektrické pole může vytvořit magnetické pole a naopak. A co víc, jev známý jako světlo je prostě to, co se stane, když se elektřina a magnetismus začnou vzájemně vlnit.
Albert Einstein, velký fanoušek Maxwellovy práce, šel ještě o krok dál. Uvědomil si, že mezi elektřinou, magnetismem a pohybem existuje souvislost. Začněte opět se stejným osamělým elektrickým nábojem s jeho nudným elektrickým polem. Co když kolem něj začnete běhat?“
No, z vašeho pohledu by to byl náboj, kdo by se zdánlivě pohyboval. A co dělají pohybující se náboje? Správně – vytvářejí magnetické pole. Takže nejenže elektrické a magnetické pole jsou dvě strany téže mince, ale jedno z nich můžete přeměnit na druhé pouhým pohybem. A to také znamená, že se různí pozorovatelé neshodnou na tom, co vidí:
Tento způsob myšlení přivedl Einsteina na cestu, kterou dnes nazýváme speciální teorie relativity a která je základem moderní vědy. A my za to můžeme poděkovat skromnému magnetickému poli.
Více se dozvíte, když si poslechnete epizodu „Jak fungují magnety?“ v podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Děkujeme Danovi H., Davidovi H. a @BrendaHattisbur za otázky, které vedly ke vzniku tohoto dílu! Svou vlastní otázku položte na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul@PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás na Twitteru @Spacedotcom a na Facebooku. Původní článek na Space.com.