Paul Sutter är astrofysiker vid Ohio State University och chefforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för Ask a Spaceman och Space Radio och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med den här artikeln till Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Magneter och den magnetiska kraften är allestädes närvarande i vår vardag och hjälper oss att vägleda oss i obekanta områden och fästa barnens konstverk på kylskåpet. Men bortsett från dessa vanliga exempel verkar magnetfält alltid spela andra fiolen i symfonin av krafter i universum. Visst, då och då kan de få bestämma – som i de extremt farliga miljöerna i en magnetar eller de extremt användbara miljöerna i en NMR-scanner – men för det mesta existerar de helt enkelt, och blir knuffade runt av sina kraftfullare kusiner.
Men trots sin relativa obetydlighet rymmer de några hemligheter.
Magneter fungerar bara på rörelse
En enskild partikel med elektrisk laddning, som sitter alldeles ensam och inte gör något intressant, kommer att generera ett elektriskt fält. Detta fält omger partikeln på alla sidor och instruerar andra laddade partiklar hur de ska röra sig som svar. Om en liknande laddad partikel befinner sig i närheten kommer den att skjutas bort. Om en motsatt laddad partikel är långt borta kommer den att försiktigt dras närmare.
Men om man sätter den elektriska laddningen i rörelse händer en överraskande sak: Ett nytt fält uppstår! Detta märkliga och exotiska fält beter sig på ett märkligt sätt: Istället för att bara peka rakt mot eller bort från laddningen vrider det sig runt den, alltid vinkelrätt mot rörelseriktningen. Dessutom kommer en närliggande laddad partikel bara att känna av detta nya fält om även den partikeln är i rörelse, och den kraft den känner av är återigen vinkelrät mot rörelseriktningen.
Detta fält, som vi för enkelhetens skull kallar magnetfältet, orsakas alltså både av rörliga laddningar och påverkar bara rörliga laddningar. Men din kylskåpsmagnet rör sig inte, så vad händer?
Din magnet i sig rör sig inte, men det som den är gjord av gör det. Varenda atom i magneten har lager efter lager av elektroner, och elektroner är laddade partiklar med en inbyggd egenskap som kallas spin. Spinn är en i grunden esoterisk och kvantmässig egenskap (och ämnet för en annan artikel), och även om det inte är tekniskt korrekt att tänka på elektroner som små snurrande metallkulor … när det gäller magnetism kan vi tänka på elektroner som små snurrande metallkulor.
Dessa elektroner är laddningar i rörelse, och varje elektron genererar sitt eget lilla magnetfält. I de flesta material upphäver elektronernas olika orienteringar varje makroskopiskt fält, men magneter är precis den typen av material där en massa elektroner ställer upp sig helt snyggt och prydligt och skapar ett magnetfält som är tillräckligt stort för att fästa något på ditt kylskåp.
Monopoler kan existera
Eftersom alla magnetfält som vi ser i universum genereras av laddningar i rörelse, kan man aldrig isolera en nord- och en sydmagnetisk pol (en ”monopol”) från varandra. De finns alltid i par. Om du tar en magnet och skär den på mitten får du bara två mindre, svagare magneter – deras inre elektroner snurrar fortfarande runt, precis som de alltid har gjort.
Denna egenskap hos magneter var (och är) så välkänd att James Clerk Maxwell – killen som kom fram till att elektricitet och magnetism är fundamentalt sammankopplade – helt enkelt bakade in påståendet ”en magnetisk monopol existerar inte” i sina ekvationer och lät det stanna vid det. I årtionden hade vi ingen anledning att misstänka något annat, så vi lät det stå fast.
Men när våra ögon började titta på den märkliga och underbara subatomära världen, satte vår växande förståelse av kvantmekaniken några nya rynkor på den idén. Och Paul Dirac, en pionjär inom kvantvärlden, lade märke till något lustigt som lurade i den nya fysikens djupa matematik.
Om, som ett tankeexperiment, en magnetisk monopol skulle existera, och om man skulle para ihop den med en vanlig tråkig och välbekant elektrisk laddning, så skulle de två börja rotera. Denna rotation är faktiskt oberoende av avståndet; det spelar ingen roll hur långt ifrån varandra dessa två partiklar är. Men Dirac visste att vinkelmomentet (moment som går i en cirkel, som i detta roterande par) är kvantiserat – vinkelmomentet i vårt universum finns i diskreta värden. Detta gäller för allting, inklusive vårt märkliga par.
Så här är det som gäller: Med hjälp av detta resonemang insåg Dirac att om vinkelmomentet är kvantiserat måste också laddningarna på dessa partiklar vara kvantiserade. Och eftersom denna effekt är oberoende av avstånd, om det fanns en enda magnetisk monopol i hela universum, så skulle det direkt leda till kvantisering av laddning, något som vi hade tagit som ett experimentellt faktum utan teoretisk motivering … fram till dess.
Magneter är nyckeln till den speciella relativitetsteorin
Sambandet mellan elektricitet och magnetism, som upptäcktes av James Clerk Maxwell, var inte bara ytligt. Han insåg att de var två sidor av samma mynt – elektromagnetism. Ett förändrat elektriskt fält kan skapa ett magnetfält och vice versa. Dessutom är det fenomen som kallas ljus helt enkelt vad som händer när elektricitet och magnetism börjar vicka på varandra.
Albert Einstein, som var en stor beundrare av Maxwells arbete, tog det hela ett steg längre. Han insåg att det fanns ett samband mellan elektricitet, magnetism och rörelse. Börja igen med samma ensamma elektriska laddning med sitt tråkiga elektriska fält. Vad händer om du börjar springa förbi den?
Ja, från ditt perspektiv skulle laddningen vara den som verkar röra sig. Och vad gör rörliga laddningar? Just det – de skapar magnetfält. Så elektriska och magnetiska fält är inte bara två sidor av samma mynt, utan du kan omvandla det ena till det andra bara genom den enkla handlingen att röra dig. Och det betyder också att olika observatörer kommer att vara oense om vad de ser: En stationär observatör kan se ett elektriskt fält, medan en mer rörlig observatör kan se exakt samma källa generera ett magnetfält.
Det var detta tankesätt som ledde Einstein till det som vi nu kallar speciell relativitetsteori, en grundsten i den moderna vetenskapen. Och vi kan tacka det enkla magnetfältet för det.
Lär dig mer genom att lyssna på avsnittet ”How do magnets work?” i podcasten Ask A Spaceman, som finns på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Dan H., David H. och @BrendaHattisbur för frågorna som ledde till detta avsnitt! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul@PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss på Twitter @Spacedotcom och på Facebook. Originalartikel på Space.com.