Paul Sutter az Ohio Állami Egyetem asztrofizikusa és a COSI tudományos központ vezető tudósa. Sutter a Ask a Spaceman és az Űrrrádió műsorvezetője is, és AstroTúrákat vezet szerte a világon. Sutter ezt a cikket a Space.com szakértői hangok című műsorához írta: Op-Ed & Insights.
A mágnesek és a mágneses erő mindennapjainkban mindenütt jelen vannak, segítenek eligazodni ismeretlen területeken, és rögzítik a gyerekek műalkotásait a hűtőszekrényhez. De ezeken a hétköznapi példákon kívül a mágneses mezők mintha mindig másodhegedűs szerepet játszanának az univerzum erőinek szimfóniájában. Persze, néha-néha ők kapják meg a főszerepet – például egy magnetár rendkívül veszélyes környezetében vagy egy NMR-szkenner rendkívül hasznos környezetében -, de a legtöbbször egyszerűen csak léteznek, és az erősebb unokatestvéreik lökdösik őket.
De viszonylagos jelentéktelenségük ellenére rejtegetnek néhány titkot.
A mágnesek csak mozgásra működnek
Egyetlen elektromos töltéssel rendelkező részecske, amely magányosan ül, és nem csinál semmi érdekeset, elektromos mezőt hoz létre. Ez a mező minden oldalról körülveszi a részecskét, és utasítja a többi töltött részecskét, hogyan mozogjanak válaszul. Ha egy hasonlóan töltött részecske van a közelben, az eltolódik. Ha egy ellentétesen töltött részecske távol van, akkor finoman közelebb rántja.
De ha ezt az elektromos töltést mozgásba hozzuk, meglepő dolog történik: Egy új mező jelenik meg! Ez a furcsa és egzotikus mező különös módon viselkedik: Ahelyett, hogy egyenesen a töltés felé vagy tőle távolodna, körbefordul körülötte, mindig a mozgás irányára merőlegesen. Ráadásul egy közeli töltött részecske csak akkor érzi ezt az új mezőt, ha az is mozgásban van, és az általa érzett erő ismét merőleges a mozgás irányára.
Ezt a mezőt, amelyet az egyszerűség kedvéért mágneses mezőnek nevezünk, tehát egyszerre okozzák a mozgó töltések, és csak a mozgó töltésekre hat. De a hűtőmágnesed nem mozog, akkor mi van?
A mágnesed maga nem mozog, de az anyag, amiből készült, igen. A mágnes minden egyes atomjában elektronok rétegei és rétegei vannak, az elektronok pedig töltött részecskék, amelyeknek van egy beépített tulajdonságuk, a spin. A spin egy alapvetően ezoterikus és kvantumtulajdonság (és egy másik cikk témája), és bár technikailag nem helyes az elektronokat apró, pörgő fémgolyóknak tekinteni… a mágnesesség szempontjából az elektronokra úgy is gondolhatunk, mint apró, pörgő fémgolyókra.
Az elektronok mozgásban lévő töltések, és minden egyes elektron létrehozza a saját parányi mágneses terét. A legtöbb anyagban az elektronok különböző irányultsága kioltja a makroszkopikus mezőt, de a mágnesek pontosan olyan anyagok, ahol sok elektron sorakozik fel szépen, rendezetten, és elég nagy mágneses mezőt hoz létre ahhoz, hogy valamit a hűtőszekrényedre ragasszon.
Monopólusok létezhetnek
Mivel az univerzumban látható összes mágneses mezőt mozgó töltések hozzák létre, soha nem lehet elkülöníteni egymástól egy északi és egy déli mágneses pólust (egy “monopólust”). Ezek mindig párban fordulnak elő. Ha fogunk egy mágnest, és kettévágjuk, csak két kisebb, gyengébb mágnest kapunk – belső elektronjaik ugyanúgy kavarognak, mint mindig is.
A mágneseknek ez a tulajdonsága olyan jól ismert volt (és van), hogy James Clerk Maxwell – a fickó, aki rájött, hogy az elektromosság és a mágnesesség alapvetően összefügg – egyszerűen belesütötte egyenleteibe a “mágneses monopólus nem létezik” kijelentést, és ennyiben hagyta. És évtizedekig nem is volt okunk másra gyanakodni, ezért hagytuk, hogy ez így maradjon.
Amikor azonban szemünk a furcsa és csodálatos szubatomi világra kezdett szegeződni, a kvantummechanikáról alkotott növekvő ismereteink néhány új ráncot vetettek erre az elképzelésre. És Paul Dirac, a kvantumbirodalom egyik úttörője észrevette, hogy valami furcsa dolog rejtőzik ennek az új fizikának a mély matematikájában.
Ha gondolatkísérletként létezne egy mágneses monopólus, és ha ezt párosítanánk egy sima, unalmas, ismerős elektromos töltéssel, akkor a kettő elkezdene forogni. Ez a forgás valójában független a távolságtól; nem számít, milyen messze van egymástól a két részecske. De Dirac tudta, hogy a szögimpulzus (a körkörösen haladó impulzus, mint ebben a forgó párban) kvantált – a szögimpulzus a mi univerzumunkban diszkrét értékekben jelenik meg. Ez minden dologra igaz, beleértve a mi különös párunkat is.
Íme, most jön a csavar: Ezt az érvelést felhasználva Dirac rájött, hogy ha a szögimpulzus kvantált, akkor a részecskék töltésének is kvantáltnak kell lennie. És mivel ez a hatás független a távolságtól, ha egyetlen mágneses monopólus létezne az egész univerzumban, akkor ez közvetlenül a töltés kvantálódásához vezetne, amit addig elméleti indoklás nélkül kísérleti ténynek tekintettünk… addig.
A mágnesek a speciális relativitáselmélet kulcsa
A James Clerk Maxwell által felfedezett kapcsolat az elektromosság és a mágnesesség között nem csak felszínes volt. Rájött, hogy ezek ugyanannak az érmének – az elektromágnesességnek – a két oldala. Egy változó elektromos mező mágneses mezőt hozhat létre, és fordítva. Mi több, a fénynek nevezett jelenség egyszerűen az, ami akkor történik, amikor az elektromosság és a mágnesesség elkezdik egymást megingatni.
Albert Einstein, aki nagy rajongója volt Maxwell munkásságának, egy lépéssel tovább ment. Rájött, hogy kapcsolat van az elektromosság, a mágnesesség és a mozgás között. Kezdjük újra ugyanazzal a magányos elektromos töltéssel és annak unalmas elektromos mezejével. Mi lenne, ha elkezdenél elszaladni mellette?
Hát a te szemszögedből nézve a töltés lenne az, amelyik látszólag mozog. És mit csinálnak a mozgó töltések? Így van – mágneses mezőt hoznak létre. Tehát nem csak az elektromos és a mágneses mező ugyanannak az éremnek a két oldala, hanem az egyiket át is alakíthatod a másikba pusztán a mozgás egyszerű aktusával. És ez azt is jelenti, hogy a különböző megfigyelők nem értenek egyet abban, amit látnak: Egy helyhez kötött megfigyelő elektromos mezőt lát, míg egy mozgékonyabb megfigyelő pontosan ugyanazt a forrást látja, amely mágneses mezőt hoz létre.
Ez a gondolatmenet vezette Einsteint arra az útra, amelyet ma speciális relativitáselméletnek nevezünk, és amely a modern tudomány egyik alapköve. És ezt a szerény mágneses mezőnek köszönhetjük.
Tudj meg többet, ha meghallgatod a “Hogyan működnek a mágnesek?” című epizódot a Ask A Spaceman podcaston, amely elérhető az iTunes-on és az interneten a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Dan H.-nak, David H.-nak és @BrendaHattisbur-nak a kérdésekért, amelyek alapján ez a cikk született! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman használatával, vagy kövesse Paul@PaulMattSutter és a facebook.com/PaulMattSutter oldalát. Kövess minket a Twitteren @Spacedotcom és a Facebookon. Eredeti cikk a Space.com-on.