Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und leitender Wissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und leitet AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.com’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.
Magnete und die magnetische Kraft sind in unserem Alltag allgegenwärtig und helfen uns, uns in unbekanntem Terrain zurechtzufinden und die Kunstwerke unserer Kinder am Kühlschrank zu befestigen. Aber abgesehen von diesen alltäglichen Beispielen scheinen Magnetfelder in der Symphonie der Kräfte im Universum immer die zweite Geige zu spielen. Sicher, hin und wieder haben sie das Sagen – wie in den extrem gefährlichen Umgebungen eines Magnetars oder den extrem nützlichen Umgebungen eines NMR-Scanners -, aber die meiste Zeit existieren sie einfach und werden von ihren mächtigeren Vettern herumgeschubst.
Aber trotz ihrer relativen Bedeutungslosigkeit bergen sie ein paar Geheimnisse.
Magnete funktionieren nur bei Bewegung
Ein einzelnes Teilchen mit elektrischer Ladung, das ganz allein dasitzt und nichts Interessantes tut, erzeugt ein elektrisches Feld. Dieses Feld umgibt das Teilchen von allen Seiten und weist andere geladene Teilchen an, sich daraufhin zu bewegen. Befindet sich ein ähnlich geladenes Teilchen in der Nähe, wird es weggestoßen. Ist ein entgegengesetzt geladenes Teilchen weit entfernt, wird es sanft herangezogen.
Wenn man diese elektrische Ladung jedoch in Bewegung setzt, geschieht etwas Überraschendes: Es entsteht ein neues Feld! Dieses merkwürdige und exotische Feld verhält sich auf eine seltsame Weise: Anstatt einfach nur gerade auf die Ladung zu oder von ihr weg zu zeigen, dreht es sich um sie herum, immer senkrecht zur Bewegungsrichtung. Außerdem spürt ein in der Nähe befindliches geladenes Teilchen dieses neue Feld nur, wenn es sich ebenfalls bewegt, und die Kraft, die es spürt, steht wiederum senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Dieses Feld, das wir der Einfachheit halber Magnetfeld nennen, wird also sowohl durch bewegte Ladungen verursacht als auch wirkt es nur auf bewegte Ladungen. Aber Ihr Kühlschrankmagnet bewegt sich nicht, was ist also los?
Ihr Magnet selbst bewegt sich nicht, aber das Material, aus dem er besteht, schon. Jedes einzelne Atom in diesem Magneten hat Schichten und Schichten von Elektronen, und Elektronen sind geladene Teilchen mit einer eingebauten Eigenschaft, die man Spin nennt. Spin ist eine grundlegend esoterische und Quanteneigenschaft (und das Thema eines anderen Artikels), und obwohl es technisch nicht korrekt ist, sich Elektronen als winzige, sich drehende Metallkugeln vorzustellen … für die Zwecke des Magnetismus können wir uns Elektronen als winzige, sich drehende Metallkugeln vorstellen.
Diese Elektronen sind Ladungen in Bewegung, und jedes Elektron erzeugt sein eigenes winziges Magnetfeld. In den meisten Materialien heben die unterschiedlichen Ausrichtungen der Elektronen jedes makroskopische Feld auf, aber Magnete sind genau die Art von Materialien, in denen sich viele Elektronen fein säuberlich aneinanderreihen und ein Magnetfeld erzeugen, das groß genug ist, um etwas an den Kühlschrank zu kleben.
Monopole könnten existieren
Da alle Magnetfelder, die wir im Universum sehen, durch sich bewegende Ladungen erzeugt werden, kann man niemals einen Nord- und einen Südmagnetpol (einen „Monopol“) voneinander trennen. Sie treten immer paarweise auf. Wenn man einen Magneten in zwei Hälften schneidet, hat man nur zwei kleinere, schwächere Magnete – ihre inneren Elektronen schwirren immer noch umher, so wie sie es schon immer taten.
Diese Eigenschaft von Magneten war (und ist) so gut bekannt, dass James Clerk Maxwell – der Typ, der herausfand, dass Elektrizität und Magnetismus grundlegend miteinander verbunden sind – einfach die Aussage „Es gibt keinen magnetischen Monopol“ in seine Gleichungen einbaute und es dabei beließ. Und jahrzehntelang hatten wir keinen Grund, etwas anderes zu vermuten, also ließen wir es dabei bewenden.
Als wir aber begannen, die seltsame und wunderbare subatomare Welt zu betrachten, warf unser wachsendes Verständnis der Quantenmechanik einige neue Falten auf diese Idee. Und Paul Dirac, ein Pionier der Quantenmechanik, bemerkte, dass in der tiefen Mathematik dieser neuen Physik etwas Seltsames lauerte.
Wenn man als Gedankenexperiment einen magnetischen Monopol mit einer langweiligen elektrischen Ladung koppeln würde, würden die beiden anfangen zu rotieren. Diese Drehung ist eigentlich unabhängig vom Abstand; es spielt keine Rolle, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Aber Dirac wusste, dass der Drehimpuls (der Impuls, der sich im Kreis bewegt, wie bei diesem rotierenden Paar) gequantelt ist – der Drehimpuls in unserem Universum kommt in diskreten Werten vor. Das gilt für alle Dinge, auch für unser eigenartiges Paar.
Und jetzt kommt der Clou: Mit dieser Argumentation erkannte Dirac, dass, wenn der Drehimpuls quantisiert ist, die Ladungen dieser Teilchen ebenfalls quantisiert sein müssen. Und da dieser Effekt unabhängig von der Entfernung ist, würde ein einziger magnetischer Monopol im gesamten Universum direkt zur Quantisierung der Ladung führen, etwas, das wir ohne theoretische Begründung als experimentelle Tatsache angenommen hatten … bis dahin.
Magnete sind der Schlüssel zur speziellen Relativitätstheorie
Die von James Clerk Maxwell entdeckte Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus war nicht nur oberflächlich. Er erkannte, dass es sich um zwei Seiten ein und derselben Medaille handelt – des Elektromagnetismus. Ein wechselndes elektrisches Feld kann ein magnetisches Feld erzeugen und umgekehrt. Mehr noch, das Phänomen, das als Licht bekannt ist, ist einfach das, was passiert, wenn Elektrizität und Magnetismus anfangen, miteinander zu wackeln.
Albert Einstein, ein großer Fan von Maxwells Arbeit, ging noch einen Schritt weiter. Er erkannte, dass es einen Zusammenhang zwischen Elektrizität, Magnetismus und Bewegung gibt. Fangen wir noch einmal mit der gleichen einsamen elektrischen Ladung mit ihrem langweiligen elektrischen Feld an. Was passiert, wenn man an ihr vorbeiläuft?
Nun, aus Ihrer Perspektive wäre die Ladung diejenige, die sich zu bewegen scheint. Und was machen bewegte Ladungen? Richtig – sie erzeugen Magnetfelder. Elektrische und magnetische Felder sind also nicht nur zwei Seiten derselben Medaille, sondern man kann das eine in das andere verwandeln, indem man sich einfach bewegt. Und das bedeutet auch, dass verschiedene Beobachter sich nicht einig sind, was sie sehen: Ein stationärer Beobachter sieht vielleicht ein elektrisches Feld, während ein beweglicherer Beobachter genau dieselbe Quelle erkennt, die ein Magnetfeld erzeugt.
Es war dieser Gedankengang, der Einstein zu dem führte, was wir heute als spezielle Relativitätstheorie bezeichnen und das Fundament der modernen Wissenschaft bildet. Und das haben wir dem bescheidenen Magnetfeld zu verdanken.
Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode „Wie funktionieren Magnete?“ im Podcast „Ask A Spaceman“ anhören, der auf iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com verfügbar ist. Danke an Dan H., David H. und @BrendaHattisbur für die Fragen, die zu diesem Beitrag geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter unter #AskASpaceman oder indem Sie Paul@PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom und auf Facebook. Originalartikel auf Space.com.