Magnetfeldlinien, dargestellt durch einen Stabmagneten: einen magnetischen Dipol. Es gibt jedoch keinen Nord- oder Südmagnetpol - ein Monopol - für sich. Bildnachweis: Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Praktische Physik, The MacMillan Co., USA, S. 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 Wechselwirkungen ermöglicht: eine Art Ladung. Für die Schwerkraft ist es die Masse; für Elektromagnetismus sind es elektrische Ladungen; für die starke Atomkraft sind es Farbladungen; und für die schwache Atomkraft ist es eine schwache Hyperladung. Aber es musste nicht so sein! Es könnte nicht nur elektrische Ladungen im Elektromagnetismus gegeben haben, sondern auch magnetische. Aus irgendeinem Grund scheint unser Universum kein solches 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 irgendeine 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, auch wenn es eine zusätzliche Einschränkung gibt: Die elektrische Kraft kann abhängig von den Vorzeichen der Ladungen entweder positiv oder negativ sein. Darüber hinaus hängt Elektrizität eng mit einer anderen Kraft zusammen: dem Magnetismus.

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

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

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

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

Gravitations- und elektrische

Gravitationsmonopole sind einfach: Es ist nur eine Masse. Elektrische Monopole sind ebenfalls einfach: Jedes fundamentale Teilchen mit einer Ladung wie ein Elektron oder ein Quark ist geeignet. Aber magnetische Monopole? Soweit wir das beurteilen können, gibt es 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 Ladungsbewegung. Wenn Sie einen geraden Draht haben, durch den elektrischer Strom fließt, erzeugt er ein Magnetfeld in einem Kreis um den Draht, während Sie, wenn Sie den stromführenden Draht in eine Schleife oder Spule biegen, innen ein Magnetfeld erzeugen.

Das Konzept der elektromagnetischen Induktion, dargestellt über einen Stabmagneten und eine Drahtschleife. 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 gesagt, die Gesetze der Physik neigen dazu, symmetrisch zu sein. Das bedeutet, wenn ich eine Drahtschleife (oder -spule) habe und das Magnetfeld darin ändere, wird ein elektrischer Strom in der Schleife erzeugt, der dazu führt, dass sich elektrische Ladungen bewegen! Dies ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das Michael Faraday vor über 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 keine magnetischen Ladungen in Bewegung setzen, indem Sie ein elektrisches Feld ändern, da keine magnetischen Ladungen vorhanden sind. Ebenso können Sie ein magnetisches Feld erzeugen, indem Sie eine elektrische Ladung bewegen. Sie können jedoch kein elektrisches Feld erzeugen, indem Sie eine magnetische Ladung bewegen, da keine magnetischen Ladungen vorhanden sind.

Mit anderen Worten, es gibt eine grundlegende Asymmetrie zwischen den elektrischen und magnetischen Eigenschaften unseres Universums. Aus diesem Grund unterscheiden sich die Maxwell-Gleichungen für "E" - und "B" -Felder (elektrische und magnetische Felder) erheblich voneinander.

Maxwells Gleichungen im heutigen Universum. 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 entfernen - die elektrischen Ladungen und Ströme -, wären sie symmetrisch, bis zu einem Faktor von einigen grundlegenden Konstanten, die sie in Beziehung setzen.

Was aber, wenn magnetische Ladungen und Ströme existieren? Die Physiker haben sich über ein Jahrhundert lang darüber Gedanken gemacht, und wenn sie das taten, konnten wir einfach aufschreiben, wie Maxwells Gleichungen aussehen würden, wenn es so etwas wie magnetische Monopole gäbe. Nachfolgend sehen Sie, wie es aussehen würde (nur in Differentialform).

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

Mit Ausnahme einiger grundlegender Konstanten sehen die Gleichungen jetzt wieder sehr symmetrisch aus! Wir wären in der Lage, magnetische Ladungen einfach durch Ändern elektrischer Felder in Bewegung zu versetzen. Wir wären in der Lage, magnetische Ströme zu erzeugen und auf diese Weise elektrische Felder zu 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, die wir gegenwärtig sehen. Die Symmetrien könnten heute schwer gebrochen sein und zu unserem Universum führen, das vier separate fundamentale Kräfte hat, aber vielleicht waren sie alle bei einer hohen Energie zu einer einzigartigen Kraft vereinigt? Eine Konsequenz, die all diese Theorien haben, ist die Existenz neuer, energiereicher Teilchen, und in vielen Inkarnationen wurden magnetische Monopole (insbesondere `t Hooft / Polyakov-Monopole) vorhergesagt.

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

Magnetische Monopole waren schon immer eine verlockende Möglichkeit für Physiker, aber diese neuen Theorien weckten erneut das Interesse. In den 1970er Jahren wurde nach ihnen gesucht, und der berühmteste wurde von einem Physiker namens Blas Cabrera angeführt. Er nahm einen langen Draht und machte acht Schleifen daraus, um den magnetischen Fluss durch ihn zu messen. Wenn ein Monopol durchquert würde, würde er ein Signal von genau acht Magnetonen erhalten. Wenn jedoch ein Standard-Dipolmagnet durch ihn hindurchgeht, erhält er sofort ein Signal von +8, 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. Sie benötigen jedoch acht (und genau acht), damit es sich um ein magnetisches Monopol handelt. Das Gerät hat nie 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 zurückkehrte, stellte er überraschenderweise fest, dass der Computer und das Gerät am 14. Februar 1982 genau acht Magnetonen aufgenommen hatten.

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

Die Entdeckung verbreitete sich in der Community und stieß auf großes Interesse. Riesige Geräte mit größerer Oberfläche und mehr Schleifen wurden gebaut, aber trotz umfangreicher Suche wurde ein weiterer Monopol nie 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 ist nie gekommen. War es nur ein äußerst seltener Fehler, den Cabreras Experiment erlebte? War es der einzige magnetische Monopol in unserem Teil des Universums, der gerade seinen Detektor passiert hat? Da wir 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 wiederholt werden.

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

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

So schön es auch sein mag und wie wir es vielleicht erwarten, die Natur ist einfach nicht symmetrisch, nicht auf allen Ebenen. Und das ist niemandes Schuld. So ist unser Universum eben. 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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