Paul Sutter jest astrofizykiem na Uniwersytecie Stanowym Ohio i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest również gospodarzem programu Zapytaj Kosmonautę oraz Kosmicznego Radia, a także prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Głosów Ekspertów Space.com: Op-Ed & Insights.
Magnesy i siła magnetyczna są wszechobecne w naszym codziennym życiu, pomagając nam prowadzić nas po nieznanym terytorium i przyczepiać prace plastyczne naszych dzieci do lodówki. Ale poza tymi powszechnymi przykładami, pola magnetyczne zawsze wydają się grać drugie skrzypce w symfonii sił we wszechświecie. Jasne, raz na jakiś czas mogą zacząć rządzić – jak w niezwykle niebezpiecznych środowiskach magnetaru lub niezwykle użytecznych środowiskach skanera NMR – ale przez większość czasu po prostu istnieją, popychane przez swoich potężniejszych kuzynów.
Ale pomimo ich względnej nieistotności, kryją w sobie kilka sekretów.
Magnesy działają tylko na ruch
Pojedyncza cząstka z ładunkiem elektrycznym, siedząca samotnie, nie robiąc nic ciekawego, wygeneruje pole elektryczne. Pole to otacza cząstkę ze wszystkich stron i instruuje inne naładowane cząstki, jak mają się poruszać w odpowiedzi. Jeśli w pobliżu znajduje się podobnie naładowana cząstka, zostanie ona odepchnięta. Jeśli przeciwnie naładowana cząstka znajduje się daleko, zostanie delikatnie przyciągnięta bliżej.
Jeśli jednak wprowadzisz ten ładunek elektryczny w ruch, stanie się rzecz zaskakująca: Pojawia się nowe pole! To dziwne i egzotyczne pole zachowuje się w dziwny sposób: Zamiast kierować się prosto w stronę ładunku lub z dala od niego, skręca wokół niego, zawsze prostopadle do kierunku ruchu. Co więcej, pobliska naładowana cząstka odczuje to nowe pole tylko wtedy, gdy ta cząstka również będzie w ruchu, a siła, którą poczuje, będzie ponownie prostopadła do kierunku jej ruchu.
To pole, które dla wygody nazwiemy polem magnetycznym, jest więc zarówno powodowane przez poruszające się ładunki, jak i oddziałuje tylko na poruszające się ładunki. Ale twój magnes na lodówce się nie porusza, więc co się dzieje?
Twój magnes sam w sobie się nie porusza, ale to, z czego jest zrobiony, już tak. Każdy atom w tym magnesie ma warstwy i warstwy elektronów, a elektrony są naładowanymi cząstkami z wbudowaną właściwością znaną jako spin. Spin jest zasadniczo ezoteryczną i kwantową właściwością (i tematem innego artykułu), i podczas gdy nie jest technicznie poprawne myślenie o elektronach jako małych małych wirujących metalowych kulkach… dla celów magnetyzmu, możemy myśleć o elektronach jako małych wirujących metalowych kulkach.
Elektrony te są ładunkami w ruchu, i każdy elektron generuje swoje własne maleńkie pole magnetyczne. W większości materiałów, różne orientacje elektronów znoszą wszelkie makroskopowe pola, ale magnesy są dokładnie tym rodzajem materiałów, gdzie wiele elektronów ustawia się w linii, tworząc pole magnetyczne wystarczająco duże, aby przykleić coś do lodówki.
Monopole mogą istnieć
Ponieważ wszystkie pola magnetyczne, które widzimy we wszechświecie są generowane przez poruszające się ładunki, nigdy nie można odizolować północnego i południowego bieguna magnetycznego („monopolu”) od siebie. Zawsze występują one parami. Jeśli weźmiesz magnes i przetniesz go na pół, otrzymasz dwa mniejsze, słabsze magnesy – ich wewnętrzne elektrony wciąż wirują, tak samo jak zawsze.
Ta właściwość magnesów była (i jest) tak dobrze znana, że James Clerk Maxwell – gość, który odkrył, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą fundamentalnie powiązane – po prostu wplótł stwierdzenie „nie ma czegoś takiego jak monopol magnetyczny” do swoich równań i tak to zostawił. I przez dziesięciolecia nie mieliśmy powodu, by podejrzewać, że jest inaczej, więc pozwoliliśmy, by tak zostało.
Ale gdy nasze oczy zaczęły spoglądać na dziwny i cudowny świat subatomowy, nasze rosnące zrozumienie mechaniki kwantowej nadało tej idei nowe znaczenie. Paul Dirac, pionier sfery kwantowej, zauważył coś zabawnego, co czaiło się w głębokiej matematyce tej nowej fizyki.
Jeśli, w ramach eksperymentu myślowego, istniałby monopol magnetyczny i gdyby połączyć go ze zwykłym, nudnym, dobrze znanym ładunkiem elektrycznym, oba zaczęłyby się obracać. Obrót ten jest właściwie niezależny od odległości; nie ma znaczenia, jak daleko od siebie znajdują się te dwie cząstki. Dirac wiedział jednak, że moment pędu (moment pędu poruszający się po okręgu, jak w przypadku tej obracającej się pary) jest skwantowany – moment pędu w naszym wszechświecie ma dyskretne wartości. Jest to prawda dla wszystkich rzeczy, włączając w to naszą osobliwą parę.
I tu jest haczyk: Używając tego rozumowania, Dirac zdał sobie sprawę, że jeśli moment pędu jest skwantowany, to ładunki na tych cząstkach również muszą być skwantowane. A ponieważ efekt ten jest niezależny od odległości, gdyby jeden monopol magnetyczny istniał w całym wszechświecie, prowadziłoby to bezpośrednio do kwantyzacji ładunku, czyli czegoś, co do tej pory uważaliśmy za fakt doświadczalny bez teoretycznego uzasadnienia… aż do tego momentu.
Magnesy są kluczem do szczególnej względności
Związek pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem odkryty przez Jamesa Clerka Maxwella nie był tylko powierzchowny. Zrozumiał on, że są to dwie strony tej samej monety – elektromagnetyzmu. Zmieniające się pole elektryczne może wytworzyć pole magnetyczne i na odwrót. Co więcej, zjawisko znane jako światło jest po prostu tym, co dzieje się, gdy elektryczność i magnetyzm zaczynają się wzajemnie przenikać.
Albert Einstein, wielki fan prac Maxwella, poszedł o krok dalej. Zrozumiał, że istnieje związek między elektrycznością, magnetyzmem i ruchem. Zacznij ponownie od tego samego samotnego ładunku elektrycznego z jego nudnym polem elektrycznym. Co by się stało, gdybyś zaczął biec obok niego?
Z twojej perspektywy ładunek byłby tym, który wydaje się poruszać. A co robią poruszające się ładunki? Zgadza się – tworzą pola magnetyczne. Więc nie tylko pola elektryczne i magnetyczne są dwiema stronami tej samej monety, ale możesz przekształcić jedno w drugie poprzez prosty akt poruszania się. A to oznacza również, że różni obserwatorzy nie będą się zgadzać co do tego, co widzą: Jakiś stacjonarny obserwator może zobaczyć pole elektryczne, podczas gdy bardziej mobilny obserwator zauważy dokładnie to samo źródło generujące pole magnetyczne.
To właśnie ta linia myślenia doprowadziła Einsteina w dół ścieżki do tego, co teraz nazywamy szczególną względnością, fundamentem współczesnej nauki. I mamy skromne pole magnetyczne, by za to podziękować.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Jak działają magnesy?” w podcaście Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes i w sieci pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Dana H., Davida H. i @BrendaHattisbur za pytania, które doprowadziły do powstania tego utworu! Zadaj swoje własne pytanie na Twitterze używając #AskASpaceman lub śledząc Paul@PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i na Facebooku. Oryginalny artykuł na Space.com.