Astăzi vom discuta despre monopolii magnetici, de ce îi iubim, de ce tânjim după ei şi de ce nu am renunţat încă la ei. Întrebarea la care voi răspunde azi este următoarea: ce s-a întâmplat cu monopolii magnetici? Înainte de a vă arăta de ce monopolii magnetici sunt minunaţi o să vă spun mai întâi câteva cuvinte despre electricitate şi magnetism.
Luaţi un electron şi acesta va crea un câmp electric. Acum aruncaţi acelaşi electron într-o cameră şi voila! Acesta va genera un câmp magnetic. Una dintre intuiţiile importante din teoria relativităţii este aceea că nu este nevoie să aruncaţi electronul vostru pentru a obţine un câmp magnetic. Dacă eu aş alerga după acel electron pentru mine totul ar părea la fel ca în cazul în care eu aş sta în picioare şi electronul vostru se mişcă şi eu pot observa câmpul magnetic.
Electromagnetismul se produce într-o mulţime de moduri. Aţi putea spune chiar (în cazul în care v-aţi exprima foarte elegant) că cele două forţe sunt unificate. Cu toate acestea toate fenomenele pe care în mod normal le-aţi observa ca fiind de natură magnetică sunt cauzate de deplasarea (sau rotaţia) unor sarcini electrice. Chiar şi magneţii de tip bară sunt, în cele din urmă, formaţi prin mişcarea unor electroni care produc câmpul magnetic. Însă, dacă tăiaţi un magnet bară în două jumătate veţi obţine doi magneţi de tip bară, fiecare având un pol nord şi un pol sud. În acest fel am obţinut încă un magnet bară.
În cazul unui monopol magnetic, pe de altă parte, există o singură particulă care generează, în esenţă, toţi polii nord sau toţi polii sud. Şi da, dacă aţi arunca un monopol magnetic el ar genera un câmp electric. Felicitări. Sunteţi foarte inteligenţi.
Acum că aţi aflaţi mai multe despre ei, să vă arăt de ce sunt aceştia importanţi.
Monopolii magnetici. Aspecte interesante
1. Ei explică de ce nu puteţi tăia un electron în două jumătăţi. Unul dintre cele mai mari mistere ale Universului este reprezentat de motivul pentru care electronii şi quarcurile (cei mai importanţi jucători din universul fizicii particulelor) au doar anumite valori ale sarcinii electrice şi faptul că rapoartele acestor sarcini sunt reprezentate în acest fel de valori numerice rotunde şi frumoase. Un electron are de 3 ori sarcina electrică a quarcului down, de exemplu şi un quarc up are de 2 ori sarcina electrică a unui quarc down. P.A.M. Dirac a abordat această problemă în anii '30.
El a fost cu adevărat un mare fizician, unul dintre aceia care practic pot lua o serie de ecuaţii încurcate şi să obţină o certitudine matematică care s-a dovedit că ne poate spune ceva uimitor despre Univers. Puteţi să vă îndoiţi de mine, dacă vreţi, dar să nu vă îndoiţi de Dirac. Dacă v-aş spune cum a reuşit să prezică existenţa antimateriei atunci aţi şti că el a avut în proporţie de 100% dreptate.
Eu nu am de gând să intru în detaliile matematicii lui Dirac, dar în schimb vă voi arăta un exemplu mai simplu care este aproape perfect pentru discuţia noastră.
Luaţi un monopol magnetic şi apoi aruncaţi un electron spre el. Datorită magnetismului (poate vă amintiţi de ceva ce se numeşte „regula mâinii drepte" despre care aţi învăţat la orele de fizică din liceu sau din facultate) electronul va urma o traiectorie elicoidală în jurul monopolului şi va căpăta un moment cinetic. Care, în sine, este interesant, dar asta nu e tot! Momentul cinetic, în cazul în care poate aţi uitat, este o măsură a cât de repede se roteşte ceva în jurul a altceva şi mecanica cuantică ne spune că toate momentele cinetice vor avea o valoare ce este un multiplu întreg al unui număr cunoscut sub numele de constanta lui Planck. Ca rezultat, intensitatea câmpul magnetic poate avea doar un anumit set de valori. Plecând de la aceasta Dirac a constatat că monopolii magnetici pot determina apariţia doar a anumitor sarcini electrice.
2. Referindu-ne la soluţia lui Dirac trebuie să înţelegeţi că atunci când lucraţi cu numere, chiar şi cele mai slabe câmpuri magnetice ar putea fi definite de valori numerice mari. Ca rezultat, dacă monopolii magnetici plutesc în jurul nostru aceştia ar trebui să poată fi uşor de detectat. Deci, referindu-ne la întrebarea unde au disparat aceştia, putem spune că ei nu au plecat nicăieri. O mulţime de oameni se află în prezent în căutarea lor cu ajutorul unor dispozitive superconductoare mici denumite SQUID (n.t. Superconducting Quantum Interference Device). În cazul în care un monopol magnetic ajunge să zboare printr-un astfel de dispozitiv atunci bang! Aţi reuşit să-l măsuraţi.
Dar motivul pentru care nu aţi auzit prea multe despre ei este că, până în prezent, nu am reuşit să vedem vreunul (n.t. O primă dovadă experimentală privind existenţa monopolului magnetic a fost anunţată de curând). Ei bine aceasta nu este, probabil, în întregime adevărat din moment ce, cu aproximativ 30 de ani în urmă, a existat o posibilă detectare a acestuia, dar nimeni nu a fost capabil să o repete. Ca rezultat, chiar dacă monopolii magnetici există ei sunt foarte rari, ar fi mai puţin de 1 monopol pentru fiecare 10^29 protoni sau neutroni. Pentru a vă face o idee despre cât de rari sunt, dacă monopolii magnetici s-ar distribui mai mult sau mai puţin uniform în Univers, atunci ar trebuie să existe numai o sută (cel mult), sau ceva similar, în interiorul întregului sistem solar.
3. Ei ne-ar putea spune unele lucruri uimitoare despre spaţiu, timp şi legile fizicii. Eu aş putea lua o grămadă de electroni şi să-i izbesc unii de alţii. Dacă aş putea avea puterea să pot modifica spaţiul şi timpul (ceea ce ar fi minunat), m-aş putea gândi să creez un univers oglindă şi în acel univers oglindă electronii din experimentul meu ar arăta... perfect normal. Acelaşi lucru ar fi adevărat dacă aş transforma electronii mei în pozitroni sau aş inversa direcţia timpului.
Cu toate acestea, nu se poate spune acelaşi lucru şi pentru monopolii magnetici. Dacă aş arunca un electron spre un monopol el se va deplasa pe o spirală într-o anumită direcţie. Dar în universul oglindă mişcarea pe o spirală va avea loc în direcţia opusă. Aţi putea spune că aceasta se datorează faptului că este vorba despre un univers oglindă! Însă electromagnetismul nu ar trebui să se comporte în acest fel. De fapt, cu excepţia forţei slabe, legile fizicii nu ar trebui să depindă de direcţia timpului sau dacă suntem într-un univers oglindă. Existenţa monopolilor magnetici ne-ar putea spune mult mai multe despre adevăratele simetrii din Univers.
Toate aceste lucruri sunt frumoase dar ele nu explică de ce există atât de puţini monopoli (dacă există) şi atunci: de ce mai vorbim despre ei?
Citiţi şi: Descoperire: a fost observat monopolul magnetic!
Încă nu s-a stabilit cu certitudine dacă există sau nu monopoli magnetici, dar există câteva motive bine întemeiate pentru a presupune că ei exista.
1. Fiecare mare teorie unificată prezice existenţa lor. Am menţionat mai înainte că electricitatea şi magnetismul au fost unificate. Ei bine, între timp au fost unificate, de asemenea, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă. În această perioadă fizica a fost descrisă de ceea ce noi numim o „Mare teorie unificată" sau GUT (Grand Unified Theory). Nu există un consens cu privire la care teorie GUT este mai bună în acest moment, dar cu toate acestea ele au unele particularităţi în comun şi acestea includ aşa-numitele tranziţii de fază.
Atunci când se vorbeşte despre tranziţiile de fază se menţionează gheaţa. Luaţi apă şi prin congelarea ei veţi obţine gheaţă. Veţi observa, de asemenea, că în cadrul unei mici bucăţi de gheaţă cristalele se aliniază unul după altul. Cu toate acestea, dacă îngheţaţi câteva părţi dintr-un lac care sunt destul de îndepărtate una de cealaltă atunci cristalele lor nu se mai aliniază deloc.
Câmpurile din Univers s-au comportat în exact acelaşi mod şi aceste regiuni unde fazele câmpurilor nu se aliniază sunt cunoscute sub numele de „defecte topologice". Pentru GUT defectele topologice sunt monopolii magnetici. Mai mult, în cazul în care aceştia au apărut în universul timpuriu ei ar mai fi prezenţi şi astăzi. Din acest motiv încă îi căutăm. Şi aşteptăm să apară.
Aceste teorii prezic, totuşi, că ar trebui să existe cel puţin un monopol în orizontul universului şi dacă asta este adevărat atunci va fi foarte greu să-l detectăm. Dar poate că noi am fost incredibili de norocoşi acum 30 de ani şi deja l-am observat.
2. Teoria corzilor
Eu nu mă număr printre susţinătorii teoriei corzilor deci dacă căutaţi pe cineva pe care să daţi vina pentru toate nerealizările din fizică va trebui să vă uitaţi în altă parte. Pe de altă parte, noi nu putem exclude teoria corzilor chiar dacă mulţi oameni au probleme cu ea. Cu toate acestea teoria corzilor face o mulţime de previziuni, inclusiv supersimetria (despre care putem vorbi cu o altă ocazie) şi monopolii magnetici. Asta este o veste bună. Vestea proastă este că aceşti monopoli ar avea o masă atât de mare încât nu va fi posibil să-i putem observa vreodată într-un accelerator de particule.
3. Ei ar putea constitui materia întunecată, dar nu în totalitate. Noi încheiem, aşa cum probabil v-aţi aşteptat, cu materia întunecată. Una dintre problemele cu care ne confruntăm este aceea că noi nu ştim cu adevărat din ce este formată materia întunecată. Există unii candidaţi pentru particulele materiei întunecate, dar eu cred că şi monopolii magnetici se pot număra printre aceştia cu o probabilitate destul de bună.
Sper că nu vă veţi baza pe ei pentru că am nişte veşti proaste. Vă amintiţi atunci când am spus că monopolii magnetici sunt de 10^29 ori mai rari decât protonii şi neutronii obişnuiţi? Dacă aceştia sunt rari atunci ei trebuie să fie masivi. Foarte masivi. Se pare că pentru a produce toată cantitatea de materie întunecată din Univers ar trebui ca fiecare monopol magnetic să aibă cel puţin 100 kg. Dacă v-ar lovi vreunul atunci ar fi ca şi când aţi fi fost lovit de un luptător de sumo sau de un tractor. Astfel încât aceştia sunt, probabil, puţin mai uşori decât ar fi nevoie pentru a constitui cea mai mare parte din materia întunecată. Dar ei ar putea reprezenta măcar o parte din ea.
Traducere de Cristian-George Podariu după what-ever-happened-to-magnetic-monopoles
