Paul Sutter è un astrofisico della Ohio State University e il capo scienziato del COSI science center. Sutter è anche ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e conduce AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices di Space.com: Op-Ed & Insights.
I magneti e la forza magnetica sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana, aiutandoci a guidarci in territori sconosciuti e ad attaccare le opere d’arte dei nostri figli al frigorifero. Ma a parte questi esempi comuni, i campi magnetici sembrano sempre passare in secondo piano nella sinfonia delle forze dell’universo. Certo, ogni tanto possono avere la meglio – come negli ambienti estremamente pericolosi di un magnetar o in quelli estremamente utili di uno scanner NMR – ma per la maggior parte del tempo esistono semplicemente, e vengono spinti in giro dai loro cugini più potenti.
Ma nonostante la loro relativa insignificanza, hanno qualche segreto.
I magneti funzionano solo sul movimento
Una singola particella con carica elettrica, seduta tutta sola, senza fare nulla di interessante, genererà un campo elettrico. Questo campo circonda la particella su tutti i lati e istruisce le altre particelle cariche su come muoversi in risposta. Se una particella con carica simile si trova nelle vicinanze, sarà spinta via. Se una particella di carica opposta è lontana, sarà delicatamente tirata più vicino.
Ma se si mette in movimento quella carica elettrica, succede una cosa sorprendente: Appare un nuovo campo! Questo strano ed esotico campo si comporta in modo strano: Invece di puntare dritto verso o lontano dalla carica, si attorciglia intorno ad essa, sempre perpendicolare alla direzione del movimento. Inoltre, una particella carica vicina sentirà questo nuovo campo solo se anche quella particella è in movimento, e la forza che sente è di nuovo perpendicolare alla direzione del suo movimento.
Questo campo, che per comodità chiameremo campo magnetico, è quindi causato da cariche in movimento e colpisce solo cariche in movimento. Ma la calamita del tuo frigorifero non si muove, quindi che succede?
La tua calamita in sé non si muove, ma il materiale di cui è fatta sì. Ogni singolo atomo in quel magnete ha strati e strati di elettroni, e gli elettroni sono particelle cariche con una proprietà incorporata nota come spin. Lo spin è una proprietà fondamentalmente esoterica e quantistica (e l’argomento di un altro articolo), e mentre non è tecnicamente corretto pensare agli elettroni come a piccole palline di metallo che girano… per gli scopi del magnetismo, possiamo pensare agli elettroni come a piccole palline di metallo che girano.
Questi elettroni sono cariche in movimento, e ogni elettrone genera il suo minuscolo campo magnetico. Nella maggior parte dei materiali, i diversi orientamenti degli elettroni annullano qualsiasi campo macroscopico, ma i magneti sono esattamente quel tipo di materiali in cui un sacco di elettroni si allineano in modo pulito e ordinato, creando un campo magnetico abbastanza grande da attaccare qualcosa al tuo frigorifero.
I monopoli potrebbero esistere
Perché tutti i campi magnetici che vediamo nell’universo sono generati da cariche in movimento, non si può mai isolare un polo magnetico nord e uno sud (un “monopolo”) l’uno dall’altro. Sono sempre in coppia. Se prendi un magnete e lo tagli a metà, ti ritrovi semplicemente con due magneti più piccoli e più deboli – i loro elettroni interni sono ancora in movimento, come lo sono sempre stati.
Questa proprietà dei magneti era (ed è) così ben nota che James Clerk Maxwell – il tizio che ha capito che l’elettricità e il magnetismo sono fondamentalmente collegati – ha semplicemente inserito l’affermazione “non esiste un monopolo magnetico” nelle sue equazioni e ha lasciato perdere. E per decenni, non abbiamo avuto motivo di sospettare il contrario, così abbiamo lasciato stare.
Ma quando i nostri occhi hanno cominciato a guardare il bizzarro e meraviglioso mondo subatomico, la nostra crescente comprensione della meccanica quantistica ha messo alcune nuove rughe su quell’idea. E Paul Dirac, un pioniere del regno dei quanti, notò qualcosa di strano che si nascondeva nella matematica profonda di questa nuova fisica.
Se, come esperimento del pensiero, esistesse un monopolo magnetico, e se lo si accoppiasse con una semplice e noiosa carica elettrica, allora i due comincerebbero a ruotare. Questa rotazione è in realtà indipendente dalla distanza; non importa quanto distanti siano le due particelle. Ma Dirac sapeva che il momento angolare (il momento che va in un cerchio, come in questa coppia rotante) è quantizzato – il momento angolare nel nostro universo ha valori discreti. Questo è vero per tutte le cose, inclusa la nostra peculiare coppia.
Ecco il bello: Usando questo ragionamento, Dirac ha capito che se il momento angolare è quantizzato, allora anche le cariche su quelle particelle devono essere quantizzate. E poiché questo effetto è indipendente dalla distanza, se un singolo monopolo magnetico esistesse in tutto l’universo, allora questo porterebbe direttamente alla quantizzazione della carica, qualcosa che avevamo preso come fatto sperimentale senza giustificazione teorica … fino ad allora.
I magneti sono la chiave della relatività speciale
La connessione tra elettricità e magnetismo scoperta da James Clerk Maxwell non era solo superficiale. Si rese conto che erano due facce della stessa medaglia: l’elettromagnetismo. Un campo elettrico che cambia può creare un campo magnetico e viceversa. Inoltre, il fenomeno noto come luce è semplicemente ciò che accade quando l’elettricità e il magnetismo iniziano a dimenarsi a vicenda.
Albert Einstein, un grande fan del lavoro di Maxwell, fece un ulteriore passo avanti. Si rese conto che c’era una connessione tra elettricità, magnetismo e movimento. Ricominciamo con la stessa carica elettrica solitaria con il suo noioso campo elettrico. E se cominciassi a correrle accanto?
Beh, dalla tua prospettiva, la carica sarebbe quella che sembra muoversi. E cosa fanno le cariche in movimento? Esatto – creano campi magnetici. Quindi non solo i campi elettrici e magnetici sono due facce della stessa medaglia, ma è possibile trasformare l’uno nell’altro solo attraverso il semplice atto di muoversi. E questo significa anche che osservatori diversi non saranno d’accordo su ciò che vedono: Un osservatore fermo potrebbe vedere un campo elettrico, mentre un osservatore più mobile individuerebbe esattamente la stessa fonte che genera un campo magnetico.
È stata questa linea di pensiero che ha portato Einstein lungo un percorso verso quella che ora chiamiamo relatività speciale, un fondamento della scienza moderna. E dobbiamo ringraziare l’umile campo magnetico.
Impara di più ascoltando l’episodio “Come funzionano i magneti?” sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Dan H., David H., e @BrendaHattisbur per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul@PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su Twitter @Spacedotcom e su Facebook. Articolo originale su Space.com.