Paul Sutter is astrofysicus aan The Ohio State University en hoofdwetenschapper bij COSI science center. Sutter is ook gastheer van Ask a Spaceman en Space Radio, en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Magneten en de magnetische kracht zijn alomtegenwoordig in ons dagelijks leven, helpen ons de weg te vinden in onbekend gebied en bevestigen de kunstwerken van onze kinderen aan de koelkast. Maar afgezien van deze alledaagse voorbeelden lijken magnetische velden altijd de tweede viool te spelen in de symfonie van krachten in het heelal. Zeker, af en toe mogen ze de dienst uitmaken – zoals in de uiterst gevaarlijke omgeving van een magnetar of de uiterst nuttige omgeving van een NMR-scanner – maar voor het grootste deel bestaan ze gewoon, en worden ze rondgeduwd door hun krachtigere neven.
Maar ondanks hun relatieve onbeduidendheid hebben ze toch een paar geheimen.
Magneten werken alleen op beweging
Een enkel deeltje met elektrische lading, dat helemaal alleen zit en niets interessants doet, genereert een elektrisch veld. Dit veld omringt het deeltje aan alle kanten en instrueert andere geladen deeltjes hoe zich als antwoord te bewegen. Als een gelijkaardig geladen deeltje dichtbij is, zal het weg worden geduwd. Als een tegengesteld geladen deeltje ver weg is, zal het zachtjes dichterbij worden getrokken.
Maar als je die elektrische lading in beweging zet, gebeurt er iets verrassends: Er verschijnt een nieuw veld! Dit vreemde en exotische veld gedraagt zich op een vreemde manier: In plaats van recht op de lading af te gaan, draait het eromheen, altijd loodrecht op de richting van de beweging. Bovendien zal een nabijgelegen geladen deeltje dit nieuwe veld alleen voelen als ook dat deeltje in beweging is, en de kracht die het voelt staat weer loodrecht op de richting van zijn beweging.
Dit veld, dat we gemakshalve het magnetische veld zullen noemen, wordt dus zowel veroorzaakt door bewegende ladingen als heeft alleen invloed op bewegende ladingen. Maar je koelkastmagneet beweegt niet, dus wat is er aan de hand?
Je magneet zelf beweegt niet, maar het materiaal waarvan hij is gemaakt wel. Elk atoom in die magneet heeft lagen elektronen, en elektronen zijn geladen deeltjes met een ingebouwde eigenschap die spin wordt genoemd. Spin is een fundamenteel esoterische en quantum eigenschap (en het onderwerp van een ander artikel), en hoewel het technisch niet juist is om elektronen te zien als kleine ronddraaiende metalen balletjes … voor het doel van magnetisme, kunnen we denken aan elektronen als kleine ronddraaiende metalen balletjes.
Deze elektronen zijn ladingen in beweging, en elk elektron genereert zijn eigen minuscule magnetische veld. In de meeste materialen heffen de verschillende oriëntaties van de elektronen elk macroscopisch veld op, maar magneten zijn precies dat soort materialen waar een heleboel elektronen netjes op een rij staan en een magnetisch veld maken dat groot genoeg is om iets aan je koelkast te plakken.
Monopolen kunnen bestaan
Omdat alle magnetische velden die we in het heelal zien, worden opgewekt door bewegende ladingen, kun je nooit een noord- en zuidmagnetische pool (een “monopool”) van elkaar isoleren. Ze komen altijd in paren. Als je een magneet doormidden hakt, heb je gewoon twee kleinere, zwakkere magneten – hun interne elektronen draaien nog steeds rond, net als altijd.
Deze eigenschap van magneten was (en is) zo bekend dat James Clerk Maxwell – de man die uitvond dat elektriciteit en magnetisme fundamenteel met elkaar verbonden zijn – simpelweg de uitspraak “een magnetische monopool bestaat niet” in zijn vergelijkingen heeft verwerkt en het daarbij heeft gelaten. En tientallen jaren lang hadden we geen reden om iets anders te vermoeden, dus lieten we het zo.
Maar toen we onze ogen begonnen te richten op de vreemde en wonderbaarlijke subatomaire wereld, zette ons groeiende begrip van de kwantummechanica een aantal nieuwe kreukels over dat idee. En Paul Dirac, een pionier op het gebied van de kwantummechanica, merkte iets grappigs op in de diepe wiskunde van deze nieuwe natuurkunde.
Als je, bij wijze van gedachte-experiment, een magnetische monopool zou laten bestaan, en je zou die koppelen aan een gewone, saaie, bekende elektrische lading, dan zouden die twee beginnen te draaien. Deze draaiing is eigenlijk onafhankelijk van de afstand; het maakt niet uit hoe ver die twee deeltjes uit elkaar staan. Maar Dirac wist dat impulsmoment (impulsmoment dat in een cirkel gaat, zoals in dit roterende paar) gekwantiseerd is – impulsmoment in ons universum komt in discrete waarden. Dit geldt voor alle dingen, inclusief ons eigenaardige paar.
Dus hier komt de kicker: Met deze redenering realiseerde Dirac zich dat als het impulsmoment gekwantiseerd is, de ladingen van die deeltjes ook gekwantiseerd moeten zijn. En aangezien dit effect onafhankelijk is van de afstand, zou, als er in het hele heelal één enkele magnetische monopool bestond, dit direct leiden tot de kwantisering van lading, iets wat we als experimenteel feit hadden aangenomen zonder theoretische onderbouwing … tot dan toe.
Magneten zijn de sleutel tot speciale relativiteit
Het door James Clerk Maxwell ontdekte verband tussen elektriciteit en magnetisme was niet slechts oppervlakkig. Hij realiseerde zich dat het twee kanten van dezelfde medaille waren – elektromagnetisme. Een veranderend elektrisch veld kan een magnetisch veld doen ontstaan, en omgekeerd. Bovendien is het verschijnsel dat bekend staat als licht gewoon wat er gebeurt als elektriciteit en magnetisme met elkaar gaan wiebelen.
Albert Einstein, een grote fan van Maxwells werk, ging nog een stap verder. Hij realiseerde zich dat er een verband was tussen elektriciteit, magnetisme en beweging. Begin opnieuw met dezelfde eenzame elektrische lading met zijn saaie elektrische veld. Wat als je erlangs gaat rennen?
Vanuit jouw perspectief lijkt de lading te bewegen. En wat doen bewegende ladingen? Dat klopt, ze creëren magnetische velden. Dus niet alleen zijn elektrische en magnetische velden twee kanten van dezelfde medaille, maar je kunt het ene in het andere veranderen door je gewoon te verplaatsen. En dat betekent ook dat verschillende waarnemers het oneens zullen zijn over wat ze zien: Een stilstaande waarnemer ziet misschien een elektrisch veld, terwijl een meer mobiele waarnemer precies dezelfde bron een magnetisch veld ziet opwekken.
Het was deze gedachtegang die Einstein leidde op het pad naar wat we nu speciale relativiteit noemen, een fundament van de moderne wetenschap.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering “Hoe werken magneten?” op de Ask A Spaceman podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Dan H., David H., en @BrendaHattisbur voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen@PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter. Volg ons op Twitter @Spacedotcom en op Facebook. Origineel artikel op Space.com.