Paul Sutter est astrophysicien à l’université d’État de l’Ohio et scientifique en chef du centre scientifique COSI. Sutter est également l’hôte de Ask a Spaceman et de Space Radio, et dirige des AstroTours dans le monde entier. Sutter a contribué à cet article pour les Voix d’experts de Space.com : Op-Ed & Insights.
Les aimants et la force magnétique sont omniprésents dans notre vie quotidienne, contribuant à nous guider en territoire inconnu et à attacher les dessins de nos enfants au réfrigérateur. Mais à part ces exemples courants, les champs magnétiques semblent toujours jouer les seconds rôles dans la symphonie des forces de l’univers. Bien sûr, de temps en temps, ils peuvent avoir l’occasion d’appeler les coups de feu – comme dans les environnements extrêmement dangereux d’un magnétar ou les environnements extrêmement utiles d’un scanner RMN – mais pour la plupart, ils existent simplement, se faisant bousculer par leurs cousins plus puissants.
Mais malgré leur relative insignifiance, ils détiennent quelques secrets.
Les aimants ne fonctionnent que sur le mouvement
Une simple particule dotée d’une charge électrique, assise toute seule, ne faisant rien d’intéressant, va générer un champ électrique. Ce champ entoure la particule de tous côtés et indique aux autres particules chargées comment se déplacer en réponse. Si une particule de charge similaire se trouve à proximité, elle sera repoussée. Si une particule de charge opposée est éloignée, elle sera doucement tirée pour se rapprocher.
Mais si vous mettez cette charge électrique en mouvement, une chose surprenante se produit : Un nouveau champ apparaît ! Ce champ étrange et exotique se comporte d’une manière étrange : Au lieu de simplement pointer droit vers ou loin de la charge, il s’enroule autour d’elle, toujours perpendiculairement à la direction du mouvement. Qui plus est, une particule chargée proche ne ressentira ce nouveau champ que si cette particule est elle aussi en mouvement, et la force qu’elle ressent est à nouveau perpendiculaire à la direction de son mouvement.
Ce champ, que nous appellerons par commodité le champ magnétique, est donc à la fois causé par des charges en mouvement et n’affecte que des charges en mouvement. Mais l’aimant de votre réfrigérateur ne bouge pas, alors que se passe-t-il ?
Votre aimant lui-même ne bouge pas, mais la matière dont il est fait, si. Chacun des atomes de cet aimant a des couches et des couches d’électrons, et les électrons sont des particules chargées avec une propriété intégrée connue sous le nom de spin. Le spin est une propriété fondamentalement ésotérique et quantique (et le sujet d’un autre article), et bien qu’il ne soit pas techniquement correct de considérer les électrons comme de minuscules petites boules de métal qui tournent… pour les besoins du magnétisme, nous pouvons considérer les électrons comme de minuscules petites boules de métal qui tournent.
Ces électrons sont des charges en mouvement, et chaque électron génère son propre champ magnétique minuscule. Dans la plupart des matériaux, les différentes orientations des électrons annulent tout champ macroscopique, mais les aimants sont exactement ce genre de matériaux où beaucoup d’électrons s’alignent de manière très ordonnée, créant un champ magnétique suffisamment important pour coller quelque chose à votre réfrigérateur.
Les monopoles pourraient exister
Parce que tous les champs magnétiques que nous voyons dans l’univers sont générés par des charges en mouvement, vous ne pouvez jamais isoler un pôle magnétique nord et un pôle magnétique sud (un « monopôle ») l’un de l’autre. Ils vont toujours par paires. Si vous prenez un aimant et que vous le coupez en deux, vous vous retrouvez juste avec deux aimants plus petits et plus faibles – leurs électrons internes tourbillonnent toujours, comme ils l’ont toujours fait.
Cette propriété des aimants était (et est) si bien connue que James Clerk Maxwell – le mec qui a compris que l’électricité et le magnétisme sont fondamentalement liés – a simplement intégré l’affirmation « no such thing as a magnetic monopole » dans ses équations et en est resté là. Et pendant des décennies, nous n’avions aucune raison de soupçonner le contraire, alors nous avons laissé faire.
Mais lorsque nos yeux ont commencé à se poser sur le monde subatomique bizarre et merveilleux, notre compréhension croissante de la mécanique quantique a mis quelques nouvelles rides sur cette idée. Et Paul Dirac, un pionnier du domaine quantique, a remarqué que quelque chose d’amusant se cachait dans les mathématiques profondes de cette nouvelle physique.
Si, à titre d’expérience de pensée, un monopôle magnétique existait, et si vous le jumeliez avec une charge électrique familière ennuyeuse, alors les deux se mettraient à tourner. Cette rotation est en fait indépendante de la distance ; la distance entre ces deux particules n’a pas d’importance. Mais Dirac savait que le momentum angulaire (momentum qui va dans un cercle, comme dans cette paire en rotation) est quantifié – le momentum angulaire dans notre univers a des valeurs discrètes. Cela est vrai pour toutes les choses, y compris notre paire particulière.
Voici donc le coup de théâtre : En utilisant ce raisonnement, Dirac a réalisé que si le moment angulaire est quantifié, alors les charges sur ces particules doivent être quantifiées aussi. Et puisque cet effet est indépendant de la distance, si un seul monopôle magnétique existait dans l’univers entier, alors cela conduirait directement à la quantification de la charge, quelque chose que nous avions pris pour un fait expérimental sans justification théorique… jusqu’alors.
Les aimants sont la clé de la relativité restreinte
Le lien entre l’électricité et le magnétisme découvert par James Clerk Maxwell n’était pas seulement superficiel. Il a compris qu’il s’agissait des deux faces d’une même pièce – l’électromagnétisme. Un champ électrique changeant peut créer un champ magnétique, et vice versa. Qui plus est, le phénomène connu sous le nom de lumière est simplement ce qui se produit lorsque l’électricité et le magnétisme commencent à s’agiter l’un l’autre.
Albert Einstein, un grand fan des travaux de Maxwell, est allé encore plus loin. Il s’est rendu compte qu’il y avait un lien entre l’électricité, le magnétisme et le mouvement. Recommencez avec la même charge électrique solitaire avec son champ électrique ennuyeux. Et si vous commencez à courir devant elle ?
Bien, de votre point de vue, la charge serait celle qui semblerait se déplacer. Et que font les charges en mouvement ? C’est exact – elles créent des champs magnétiques. Donc non seulement les champs électriques et magnétiques sont les deux faces d’une même pièce, mais vous pouvez transformer l’un en l’autre par le simple fait de vous déplacer. Cela signifie également que différents observateurs ne seront pas d’accord sur ce qu’ils voient : Un observateur stationnaire pourrait voir un champ électrique, tandis qu’un observateur plus mobile repérerait exactement la même source générant un champ magnétique.
C’est cette ligne de pensée qui a conduit Einstein sur un chemin vers ce que nous appelons aujourd’hui la relativité restreinte, un fondement de la science moderne. Et nous devons en remercier l’humble champ magnétique.
Pour en savoir plus, écoutez l’épisode « Comment fonctionnent les aimants ? » du podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à l’adresse http://www.askaspaceman.com. Merci à Dan H., David H. et @BrendaHattisbur pour les questions qui ont mené à cet article ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul@PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous sur Twitter @Spacedotcom et sur Facebook. Article original sur Space.com.
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