Paul Sutter é astrofísico da The Ohio State University e cientista chefe do centro de ciências COSI. Sutter também é apresentador da Ask a Spaceman e da Rádio Espacial, e lidera a AstroTours ao redor do mundo. Sutter contribuiu com este artigo para a publicação “Vozes dos Especialistas” do Space.com: Op-Ed & Insights.
Magnets e a força magnética são omnipresentes no nosso dia-a-dia, ajudando a guiar-nos em território desconhecido e a fixar as obras de arte dos nossos filhos ao frigorífico. Mas para além destes exemplos comuns, os campos magnéticos parecem sempre tocar o segundo violino na sinfonia das forças no universo. Claro que, de vez em quando, de vez em quando, podem ser eles a dar as ordens – como nos ambientes extremamente perigosos de um magnetar ou nos ambientes extremamente úteis de um scanner NMR – mas, na maioria das vezes, eles simplesmente existem, sendo empurrados por seus primos mais poderosos.
Mas, apesar de sua relativa insignificância, eles guardam alguns segredos.
Magnets funcionam apenas em movimento
Uma única partícula com carga eléctrica, sentada toda pela sua solidão, sem fazer nada de interessante, irá gerar um campo eléctrico. Este campo envolve a partícula de todos os lados e instrui outras partículas carregadas a se moverem em resposta. Se uma partícula com carga semelhante estiver próxima, ela será empurrada para longe. Se uma partícula com carga oposta estiver longe, ela será gentilmente puxada para mais perto.
Mas se você colocar essa carga elétrica em movimento, uma coisa surpreendente acontece: Um novo campo aparece! Este estranho e exótico campo comporta-se de uma forma estranha: Em vez de apontar directamente para ou longe da carga, ele gira à sua volta, sempre perpendicular à direcção do movimento. Além disso, uma partícula carregada próxima só sentirá este novo campo se essa partícula, também, estiver em movimento, e a força que sente for novamente perpendicular à direcção do seu movimento.
Este campo, que por uma questão de conveniência vamos chamar de campo magnético, é assim tanto causado por cargas em movimento como apenas afecta as cargas em movimento. Mas o íman do seu frigorífico não se está a mover, por isso o que dá?
O seu íman em si não se está a mover, mas o material de que é feito é. Todos e cada átomo desse íman tem camadas e camadas de electrões, e os electrões são partículas carregadas com uma propriedade incorporada conhecida como spin. O spin é uma propriedade fundamentalmente esotérica e quântica (e objecto de outro artigo), e embora não seja tecnicamente correcto pensar nos electrões como pequenas bolinhas de metal girando … para efeitos de magnetismo, podemos pensar nos electrões como pequenas bolinhas de metal girando.
Estes electrões são cargas em movimento, e cada electrão gera o seu próprio campo magnético minúsculo. Na maioria dos materiais, as diferentes orientações dos elétrons cancelam qualquer campo macroscópico, mas ímãs são exatamente aqueles tipos de materiais onde muitos elétrons se alinham todos limpos e arrumados, tornando um campo magnético grande o suficiente para colar algo em sua geladeira.
Monopolos podem existir
Porque todos os campos magnéticos que vemos no universo são gerados por cargas em movimento, você nunca pode isolar um pólo magnético norte e sul (um “monopolo”) um do outro. Eles vêm sempre em pares. Se pegarmos num íman e o cortarmos ao meio, acabamos por ficar com dois ímanes mais pequenos e fracos – os seus electrões internos continuam a rodar, como sempre foram.
Esta propriedade dos ímanes era (e é) tão bem conhecida que James Clerk Maxwell – o tipo que descobriu que a electricidade e o magnetismo estão fundamentalmente ligados – simplesmente escreveu a afirmação “não existe tal coisa como um monopolo magnético” nas suas equações e deixou-a assim. E durante décadas, não tínhamos razões para suspeitar do contrário, por isso deixámos ficar.
Mas à medida que os nossos olhos começaram a olhar para o estranho e maravilhoso mundo subatómico, o nosso crescente entendimento da mecânica quântica colocou algumas novas rugas nessa ideia. E Paul Dirac, um pioneiro do reino quântico, notou algo engraçado na matemática profunda dessa nova física.
Se, como uma experiência de pensamento, um monopolo magnético existisse, e se você o emparelhasse com uma carga elétrica familiar chata e simples, então os dois começariam a girar. Essa rotação é na verdade independente da distância; não importa quão distantes essas duas partículas estejam. Mas Dirac sabia que o momento angular (momento que vai em círculo, como neste par rotativo) é quantificado – o momento angular no nosso universo vem em valores discretos. Isto é verdade para todas as coisas, incluindo o nosso peculiar par.
Então aqui está o kicker: Usando este raciocínio, Dirac percebeu que se o momento angular é quantizado, então as cargas sobre essas partículas também devem ser quantizadas. E como este efeito é independente da distância, se um único monopolo magnético existisse em todo o universo, então isso levaria directamente à quantização da carga, algo que tínhamos tomado como facto experimental sem justificação teórica… até então.
Magnets são a chave para a relatividade especial
A ligação entre electricidade e magnetismo descoberta por James Clerk Maxwell não era apenas superficial. Ele percebeu que eles eram dois lados da mesma moeda – o eletromagnetismo. Um campo eléctrico em mudança pode criar um campo magnético, e vice-versa. Além disso, o fenômeno conhecido como luz é simplesmente o que acontece quando a eletricidade e o magnetismo começam a se agitar.
Albert Einstein, um grande fã do trabalho de Maxwell, levou-o um passo adiante. Ele percebeu que havia uma ligação entre a eletricidade, o magnetismo e o movimento. Comece novamente com a mesma carga elétrica solitária com seu aborrecido campo elétrico. E se você começar a passar por ela?
Bem da sua perspectiva, a carga seria aquela que apareceria para se mover. E o que é que as cargas em movimento fazem? É isso mesmo – elas criam campos magnéticos. Então não são apenas campos elétricos e magnéticos dois lados da mesma moeda, mas você pode transformar um para o outro apenas através do simples ato de se mover. E isso também significa que observadores diferentes irão discordar sobre o que vêem: Alguns observadores estacionários podem ver um campo elétrico, enquanto um observador mais móvel avistaria exatamente a mesma fonte gerando um campo magnético.
Foi esta linha de pensamento que levou Einstein a um caminho que agora chamamos de relatividade especial, uma base da ciência moderna. E temos que agradecer ao humilde campo magnético.
Aprenda mais ouvindo o episódio “Como funcionam os ímãs?” no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e na Web em http://www.askaspaceman.com. Obrigado a Dan H., David H., e @BrendaHattisbur pelas perguntas que conduziram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul@PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Siga-nos no Twitter @Spacedotcom e no Facebook. Artigo original em Space.com.