Magnetfeldlinien, wie durch einen Stabmagneten dargestellt: ein magnetischer Dipol. Es gibt jedoch keinen Nord- oder Südmagnetpol - einen Monopol - für sich. Bildnachweis: Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Praktische Physik, The MacMillan Co., USA, p. 242, Abb. 200.

Warum hat unser Universum keine magnetischen Monopole?

Wir haben elektrische Ladungen und Ströme im Elektromagnetismus, warum also nicht auch magnetische?

„Es ist möglich, keine Fehler zu begehen und trotzdem zu verlieren. Das ist keine Schwäche. So ist das Leben." –Jean-Luc Picard

Wenn Sie über die fundamentalen Kräfte im Universum sprechen, gibt es nur vier verschiedene Typen: die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft und die starken und schwachen Kernkräfte. Was bewirkt, dass diese Kräfte existieren? In jedem Fall gibt es eine grundlegende Eigenschaft der Materie, die das Auftreten von Wechselwirkungen ermöglicht: eine Art Ladung. Für die Schwerkraft ist es Masse; für Elektromagnetismus sind es elektrische Ladungen; für die starke Atomkraft sind es Farbladungen; und für die schwache Atomkraft ist es eine schwache Überladung. Aber so musste es nicht sein! Im Elektromagnetismus könnten nicht nur elektrische, sondern auch magnetische Ladungen im Spiel gewesen sein. Aus irgendeinem Grund scheint unser Universum keine zu haben, obwohl die Physik dies vollständig zulassen könnte. Unser Universum ist nicht symmetrisch.

Bildnachweis: Murdoch University in Perth, Australien, über Jerri-Lee Matthews.

In der Gravitation ist die Kraft, die eine Masse auf eine andere ausübt, gleich und entgegengesetzt zu der Kraft, die diese zweite Masse auf die erste ausübt. Für elektrische Ladungen gilt das Gleiche, obwohl es eine zusätzliche Einschränkung gibt: Die elektrische Kraft kann abhängig von den Vorzeichen der Ladungen entweder positiv oder negativ sein. Darüber hinaus ist Elektrizität eng mit einer anderen Kraft verbunden: dem Magnetismus.

So wie Elektrizität positive und negative Ladungen hat, wo sich Abstoßungen mögen und Gegensätze anziehen, hat Magnetismus Nord- und Südpole, wo Gleichstoßende und Gegensätze sich anziehen. Es scheint jedoch, dass sich der Magnetismus in einer bestimmten (und offensichtlichen) Weise grundlegend von der Elektrizität unterscheidet:

• In der Elektrizität können viele Ladungen zusammen konfiguriert sein oder Sie können eine positive oder negative Ladung isoliert haben, wie ein Elektron.

• Beim Magnetismus können jedoch viele Pole zusammen konfiguriert werden, aber ohne den anderen können Sie keinen isolierten „Nordpol“ oder „Südpol“ haben.

Wenn wir in der Physik zwei entgegengesetzte Ladungen oder Pole miteinander verbunden haben, nennen wir es einen Dipol, aber wenn wir einen für sich haben, nennen wir ihn einen Monopol.

Gravitations- und elektrische „Ladungen“ und ihre Kräfte. Bildnachweis: WikiPremed MCAT-Kurs, über http://www.wikipremed.com/01physicscards.php.

Gravitationsmonopole sind einfach: Es ist nur eine Masse. Auch elektrische Monopole sind einfach: Jedes fundamentale Teilchen mit einer Ladung wie ein Elektron oder ein Quark reicht aus. Aber magnetische Monopole? Soweit wir das beurteilen können, existieren sie nicht. Unser Universum wäre jedoch erstaunlich anders, wenn sie es tun würden. Denken Sie einen Moment darüber nach, wie Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen.

Wenn Sie eine sich bewegende elektrische Ladung haben, die auch als elektrischer Strom bezeichnet wird, erzeugt sie ein Magnetfeld senkrecht zur Bewegung der Ladung. Wenn Sie einen geraden Draht haben, durch den elektrischer Strom fließt, erzeugt er ein Magnetfeld in einem Kreis um den Draht. Wenn Sie den stromführenden Draht in eine Schleife oder Spule biegen, erzeugen Sie ein Magnetfeld im Inneren.

Das Konzept der elektromagnetischen Induktion wird anhand eines Stabmagneten und einer Drahtschleife veranschaulicht. Bildnachweis: Richard Vawter von der Western Washington University, über http://faculty.wwu.edu/~vawter/physicsnet/topics/MagneticField/LenzLaw.html.

Wie sich herausstellt, geht dies in beide Richtungen; Wie ich schon sagte, die Gesetze der Physik neigen dazu, symmetrisch zu sein. Dies bedeutet, dass wenn ich eine Drahtschleife (oder Spule) habe und das Magnetfeld darin ändere, ein elektrischer Strom in der Schleife erzeugt wird, wodurch sich elektrische Ladungen bewegen! Dies ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das Michael Faraday vor mehr als 150 Jahren entdeckt hat.

Sie können also elektrische Ladungen, elektrische Ströme und elektrische Felder haben, aber es gibt keine magnetischen Ladungen oder magnetischen Ströme, nur magnetische Felder. Sie können ein Magnetfeld ändern, um elektrische Ladungen in Bewegung zu setzen, aber Sie können magnetische Ladungen nicht in Bewegung setzen, indem Sie ein elektrisches Feld ändern, da keine magnetischen Ladungen vorhanden sind. Ebenso können Sie ein Magnetfeld durch Bewegen einer elektrischen Ladung erzeugen, aber Sie können kein elektrisches Feld durch Bewegen einer magnetischen Ladung erzeugen, da wiederum keine magnetischen Ladungen vorhanden sind.

Mit anderen Worten, es gibt eine grundlegende Asymmetrie zwischen den elektrischen und magnetischen Eigenschaften unseres Universums. Deshalb sehen Maxwells Gleichungen für „E“ - und „B“ -Felder (elektrische und magnetische Felder) so unterschiedlich aus.

Maxwells Gleichungen im Universum, die wir heute haben. Bildnachweis: Ehsan Kamalinejad von der University of Toronto, über http://wiki.math.toronto.edu/TorontoMathWiki/index.php/File:Maxwell.png.

Der Grund, warum diese Gleichungen so unterschiedlich aussehen, ist, dass elektrische Ladungen (ρ und Q) und Ströme (J und I) existieren, ihre magnetischen Gegenstücke jedoch nicht. Wenn Sie sie wegnehmen - die elektrischen Ladungen und Ströme - wären sie symmetrisch, bis zu einem Faktor einiger grundlegender Konstanten, die sie betreffen.

Was aber, wenn magnetische Ladungen und Ströme existieren? Die Physiker haben sich mehr als ein Jahrhundert lang darüber gewundert, und unter der Annahme, dass dies der Fall ist, könnten wir einfach aufschreiben, wie Maxwells Gleichungen aussehen würden, wenn es so etwas wie magnetische Monopole gäbe. Hier ist, wie es aussehen würde (nur in Differentialform).

Die elektrisch / magnetisch symmetrische Version der Maxwellschen Gleichungen, bei der sowohl elektrische als auch magnetische Quellen (und Ströme) existieren. Bildnachweis: Ed Murdock.

Abgesehen von einigen fundamentalen Konstanten sehen die Gleichungen jetzt wieder sehr symmetrisch aus! Wir könnten magnetische Ladungen einfach durch Ändern elektrischer Felder bewegen, wir könnten magnetische Ströme erzeugen und elektrische Felder einfach dadurch induzieren. Dirac spielte in den 1930er Jahren mit ihnen herum, aber es wurde allgemein anerkannt, dass sie eine Unterschrift hinterlassen sollten, wenn sie existierten. Nichts davon wurde jedoch ernst genommen, da die Physik im Kern eine experimentelle Wissenschaft ist; Ohne Hinweise auf magnetische Monopole ist es ziemlich schwierig, sie zu rechtfertigen.

Dies begann sich jedoch in den 1970er Jahren zu ändern. Die Leute experimentierten mit Grand Unified Theories oder den Ideen, dass es mehr Symmetrie zur Natur geben könnte, als wir derzeit sehen. Die Symmetrien könnten heute stark gebrochen sein und zu unserem Universum führen, das vier verschiedene fundamentale Kräfte hat, aber vielleicht waren sie alle mit einer hohen Energie zu einer einzigen Kraft vereint? Eine Konsequenz, die all diese Theorien haben, ist die Existenz neuer, energiereicher Teilchen, und in vielen Inkarnationen wurde vorausgesagt, dass magnetische Monopole (insbesondere t t Hooft / Polyakov-Monopole) existieren.

Das Konzept eines magnetischen Monopols, der Magnetfeldlinien genauso emittiert wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien emittiert. Bildnachweis: BPS-Staaten in Bezug auf Omega-Hintergrund und Integrierbarkeit - Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116.

Magnetische Monopole waren für Physiker schon immer eine verlockende Möglichkeit, aber diese neuen Theorien weckten erneut das Interesse. In den 1970er Jahren wurde nach ihnen gesucht, und die berühmteste wurde von einem Physiker namens Blas Cabrera geleitet. Er nahm einen langen Draht und machte acht Schleifen daraus, um den magnetischen Fluss durch ihn zu messen. Wenn ein Monopol hindurchtreten würde, würde er ein Signal von genau acht Magnetonen erhalten. Aber wenn ein Standard-Dipolmagnet durch ihn hindurchtreten würde, würde er ein Signal von +8 erhalten, gefolgt von einem von -8, damit er diese unterscheiden kann.

Also baute er dieses Gerät und wartete. Das Gerät war nicht perfekt, und gelegentlich sendete eine der Schleifen ein Signal, und in noch selteneren Fällen sendeten zwei Schleifen gleichzeitig ein Signal. Aber Sie brauchen acht (und genau acht), um ein magnetischer Monopol zu sein. Das Gerät hat niemals drei oder mehr erkannt. Dieses Experiment lief einige Monate ohne Erfolg und musste schließlich nur einige Male am Tag überprüft werden. Im Februar 1982 kam er am Valentinstag nicht herein. Als er am 15. ins Büro zurückkam, stellte er überraschenderweise fest, dass der Computer und das Gerät am 14. Februar 1982 genau acht Magnetonen aufgezeichnet hatten.

Bildnachweis: Cabrera B. (1982). Erste Ergebnisse eines supraleitenden Detektors zur Bewegung magnetischer Monopole, Physical Review Letters, 48 ​​(20) 1378–1381.

Die Entdeckung brüllte durch die Gemeinde und stieß auf großes Interesse. Es wurden riesige Geräte mit größerer Oberfläche und mehr Schleifen gebaut, aber trotz umfangreicher Suche wurde nie ein anderer Monopol gesehen. Stephen Weinberg schrieb Blas Cabrera am 14. Februar 1983 sogar ein Gedicht:

Rosen sind rot, Veilchen sind blau, es ist Zeit für Monopol Nummer ZWEI!

Aber Monopol Nummer zwei kam nie. War es nur eine äußerst seltene Panne, die Cabreras Experiment erlebte? War es der einzige magnetische Monopol in unserem Teil des Universums, der zufällig seinen Detektor passierte? Da wir noch nie einen anderen entdeckt haben, ist es unmöglich zu wissen, aber die Wissenschaft muss reproduzierbar sein, um akzeptiert zu werden. Und dieses Experiment konnte einfach nicht repliziert werden.

Noch heute suchen Experimente nach ihnen, aber die Grenzen sind wahnsinnig niedrig.

Bildnachweis: Hochenergetische Neutrinoastrophysik: Status und Perspektiven - Katz, UF et al. Prog.Part.Nucl.Phys. 67 (2012) 651–704.

So schön es auch sein mag und so sehr wir es auch erwarten mögen, die Natur ist einfach nicht symmetrisch, nicht auf allen Ebenen. Und das ist niemandes Schuld; Es ist genau so, wie unser Universum ist. Es ist besser, es so zu akzeptieren, wie es tatsächlich ist - egal wie ästhetisch es wäre, wenn es anders wäre -, als sich von unseren Veranlagungen in die Irre führen zu lassen.

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