Paul Sutter este astrofizician la Ohio State University și cercetător șef la centrul științific COSI. Sutter este, de asemenea, gazda emisiunilor Ask a Spaceman și Space Radio, și conduce AstroTours în întreaga lume. Sutter a contribuit cu acest articol la emisiunea Expert Voices de pe Space.com: Op-Ed & Insights.
Magneții și forța magnetică sunt omniprezenți în viața noastră de zi cu zi, ajutându-ne să ne ghidăm în teritorii necunoscute și să fixăm desenele copiilor noștri pe frigider. Dar, în afară de aceste exemple comune, câmpurile magnetice par să joace întotdeauna rolul de vioară a doua în simfonia forțelor din univers. Desigur, din când în când, din când în când, ele pot ajunge să ia deciziile – cum ar fi în mediile extrem de periculoase ale unui magnetar sau în mediile extrem de utile ale unui scaner RMN – dar, în cea mai mare parte, ele pur și simplu există, fiind împinse de verișorii lor mai puternici.
Dar, în ciuda nesemnificativității lor relative, ele dețin câteva secrete.
Amagneții funcționează doar în mișcare
O singură particulă cu sarcină electrică, stând de una singură, fără să facă nimic interesant, va genera un câmp electric. Acest câmp înconjoară particula din toate părțile și instruiește alte particule încărcate cum să se miște ca răspuns. Dacă în apropiere se află o particulă încărcată în mod similar, aceasta va fi împinsă. Dacă o particulă cu sarcină opusă este departe, aceasta va fi ușor trasă mai aproape.
Dar dacă puneți această sarcină electrică în mișcare, se întâmplă un lucru surprinzător: Apare un nou câmp! Acest câmp ciudat și exotic se comportă într-un mod ciudat: În loc să se îndrepte direct spre sau să se îndepărteze de sarcină, el se răsucește în jurul acesteia, întotdeauna perpendicular pe direcția de mișcare. Mai mult, o particulă încărcată aflată în apropiere va simți acest nou câmp doar dacă și acea particulă este în mișcare, iar forța pe care o simte este din nou perpendiculară pe direcția mișcării sale.
Acest câmp, pe care, de dragul comodității, îl vom numi câmp magnetic, este astfel atât cauzat de sarcinile în mișcare, cât și afectează doar sarcinile în mișcare. Dar magnetul dvs. de frigider nu se mișcă, deci ce se întâmplă?
Imagnetul dvs. în sine nu se mișcă, dar materialul din care este făcut se mișcă. Fiecare atom din acel magnet are straturi și straturi de electroni, iar electronii sunt particule încărcate cu o proprietate încorporată cunoscută sub numele de spin. Spinul este o proprietate fundamental ezoterică și cuantică (și subiectul unui alt articol) și, deși nu este corect din punct de vedere tehnic să ne gândim la electroni ca la niște mici bile de metal care se învârt… în scopul magnetismului, ne putem gândi la electroni ca la niște mici bile de metal care se învârt.
Acești electroni sunt sarcini în mișcare, iar fiecare electron generează propriul său câmp magnetic minuscul. În cele mai multe materiale, diferitele orientări ale electronilor anulează orice câmp macroscopic, dar magneții sunt exact acele tipuri de materiale în care o mulțime de electroni se aliniază în ordine, generând un câmp magnetic suficient de mare pentru a vă lipi ceva de frigider.
Monopolii ar putea exista
Pentru că toate câmpurile magnetice pe care le vedem în univers sunt generate de sarcini în mișcare, nu puteți izola niciodată un pol magnetic nord și unul sud (un „monopol”) unul de celălalt. Aceștia vin întotdeauna în perechi. Dacă luați un magnet și îl tăiați în două, vă veți trezi doar cu doi magneți mai mici și mai slabi – electronii lor interni continuă să se învârtă, la fel ca întotdeauna.
Această proprietate a magneților era (și este) atât de bine cunoscută încât James Clerk Maxwell – tipul care și-a dat seama că electricitatea și magnetismul sunt în mod fundamental conectate – a introdus pur și simplu afirmația „nu există monopoli magnetici” în ecuațiile sale și a lăsat lucrurile așa cum au fost. Și, timp de zeci de ani, nu am avut niciun motiv să bănuim contrariul, așa că am lăsat-o să rămână așa.
Dar, pe măsură ce ochii noștri au început să privească spre ciudata și minunata lume subatomică, înțelegerea tot mai mare a mecanicii cuantice a pus câteva riduri noi pe această idee. Iar Paul Dirac, un pionier al tărâmului cuantic, a observat ceva ciudat care se ascundea în matematica profundă a acestei noi fizici.
Dacă, ca un experiment de gândire, ar exista un monopol magnetic și dacă l-ai asocia cu o sarcină electrică obișnuită și plictisitoare, atunci cele două ar începe să se rotească. Această rotație este de fapt independentă de distanță; nu contează cât de departe sunt cele două particule. Dar Dirac știa că momentul unghiular (momentul care merge în cerc, ca în cazul acestei perechi în rotație) este cuantificat – momentul unghiular în universul nostru are valori discrete. Acest lucru este valabil pentru toate lucrurile, inclusiv pentru perechea noastră ciudată.
Atunci iată care este partea interesantă: Folosind acest raționament, Dirac și-a dat seama că dacă momentul unghiular este cuantificat, atunci și sarcinile de pe aceste particule trebuie să fie cuantificate. Și deoarece acest efect este independent de distanță, dacă ar exista un singur monopol magnetic în întregul univers, atunci acest lucru ar duce direct la cuantificarea sarcinii, lucru pe care îl luasem ca un fapt experimental fără justificare teoretică… până atunci.
Amagneții sunt cheia relativității speciale
Legătura dintre electricitate și magnetism descoperită de James Clerk Maxwell nu a fost doar superficială. El și-a dat seama că erau două fețe ale aceleiași monede – electromagnetismul. Un câmp electric în schimbare poate crea un câmp magnetic și viceversa. Mai mult decât atât, fenomenul cunoscut sub numele de lumină este pur și simplu ceea ce se întâmplă atunci când electricitatea și magnetismul încep să se clatine reciproc.
Albert Einstein, un mare admirator al lucrărilor lui Maxwell, a făcut un pas mai departe. El și-a dat seama că există o legătură între electricitate, magnetism și mișcare. Începeți din nou cu aceeași sarcină electrică singuratică cu câmpul său electric plictisitor. Ce se întâmplă dacă începeți să alergați pe lângă ea?
Bine, din perspectiva dumneavoastră, sarcina ar fi cea care pare să se miște. Și ce fac sarcinile în mișcare? Așa este – ele creează câmpuri magnetice. Așadar, nu numai că sunt câmpurile electrice și magnetice două fețe ale aceleiași monede, dar le puteți transforma pe una în cealaltă prin simplul fapt de a vă deplasa. Și asta înseamnă, de asemenea, că diferiți observatori nu vor fi de acord cu ceea ce văd: Un observator staționar ar putea vedea un câmp electric, în timp ce un observator mai mobil ar observa exact aceeași sursă care generează un câmp magnetic.
Aceasta a fost linia de gândire care l-a condus pe Einstein pe calea a ceea ce numim acum relativitate specială, un fundament al științei moderne. Și trebuie să mulțumim umilului câmp magnetic pentru asta.
Aflați mai multe ascultând episodul „Cum funcționează magneții?” din podcastul Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes și pe web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumim lui Dan H., David H. și @BrendaHattisbur pentru întrebările care au dus la acest articol! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmărindu-l pe Paul@PaulMattSutter și pe facebook.com/PaulMattSutter. Urmăriți-ne pe Twitter @Spacedotcom și pe Facebook. Articol original pe Space.com.