Naturasymmetrie

Ursprünglicher Autor: Ethan Siegel
  • Übersetzung

Elektrische Ladungen und Felder sind magnetisch und nur Felder sind magnetisch. Kann es im Universum magnetische Ladungen geben?



Sie können keinen einzigen Fehler machen und trotzdem verlieren. Das ist keine Schwäche - das ist das Leben.
- Jean-Luc Piccard

In der Wissenschaft und insbesondere in der Physik basieren viele physikalische Prozesse auf fundamentalen Symmetrien. In der Schwerkraft ist die Kraft, mit der eine Masse auf eine andere wirkt, gleich groß und entgegengesetzt zu der Kraft, die von einer anderen Masse auf die erste ausgeübt wird.





Dasselbe gilt für elektrische Ladungen, allerdings gibt es einen Haken: Die elektrische Wechselwirkung kann entsprechend den Ladungszeichen positiv oder negativ sein. Außerdem ist Elektrizität eng mit einer anderen Wechselwirkung, dem Magnetismus, verbunden.



Wie bei der Elektrizität gibt es positive und negative Ladungen, bei denen das Gleiche das Gleiche abstößt und die Gegensätze anziehen, der Magnetismus hat den Nord- und Südpol, die auch das gleiche Abstoßen haben und unterschiedliche anziehen. Der Magnetismus zeigt jedoch grundlegende und offensichtliche Unterschiede zu Elektrizität:
  • Elektrizität kann viele Ladungen haben, zusammengenommen werden, oder positive oder negative Ladungen trennen.
  • Bei einem Magnetismus können viele Pole zusammengefügt werden, der Nordpol kann jedoch nicht vom Südpol isoliert werden.


In der Physik werden zwei entgegengesetzte Ladungen oder Pole, die miteinander verbunden sind, als Dipol bezeichnet, und eine einzelne Ladung wird als Monopol bezeichnet.



Mit einem Gravitationsmonopol ist alles einfach: es ist Masse. Mit elektrischen Partikeln ist es auch einfach: Jedes fundamentale Teilchen mit Ladung, wie ein Elektron oder ein Quark, reicht aus.

Aber magnetische Monopole? Soweit wir wissen, existieren sie nicht. Das Universum, wo es sie gibt, würde sich überraschend von unserem unterscheiden. Denken Sie darüber nach, wie genau Elektrizität und Magnetismus miteinander verbunden sind.



Eine sich bewegende elektrische Ladung oder ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Bewegungslinie. Ein direkter Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das kreisförmig um den Draht verläuft. Wenn Sie den Leiter in eine Schleife oder eine Spule rollen, erscheint ein magnetisches Feld darin.

Es stellt sich heraus, dass es in beide Richtungen funktioniert. Die Gesetze der Physik neigen zur Symmetrie. Das heißt, wenn ich eine Schleife oder eine Drahtspule habe und das Magnetfeld darin ändere, werde ich einen elektrischen Strom erzeugen, der bewirkt, dass sich elektrische Ladungen bewegen. Dies ist die elektromagnetische Induktion, die vor mehr als 150 Jahren von Michael Faraday entdeckt wurde.



Wir haben also elektrische Ladungen, elektrischen Strom und elektrisches Feld - aber es gibt keine magnetischen Ladungen oder magnetischen Ströme, sondern nur magnetische Felder. Sie können das Magnetfeld ändern und elektrische Ladungen in Bewegung setzen, aber Sie können keine magnetischen Ladungen zwingen, das elektrische Feld zu ändern, da keine magnetischen Ladungen vorhanden sind.

Auf die gleiche Weise können Sie ein magnetisches Feld erzeugen, indem Sie elektrische Ladungen bewegen, aber Sie können kein elektrisches Feld erzeugen, indem Sie magnetische Ladungen bewegen - wiederum existieren sie nicht.

Mit anderen Worten, es gibt eine grundlegende Asymmetrie zwischen den elektrischen und magnetischen Eigenschaften unseres Universums. Daher sind die Maxwell-Gleichungen für die Felder E und B (elektrisch und magnetisch) so unterschiedlich.



Der Grund, warum sich die Gleichungen so stark unterscheiden, ist, dass elektrische Ladungen (ρ und Q) und Ströme (J und I) existieren und ihre magnetischen Analoga nicht. Wenn Sie die elektrischen Ladungen und Ströme entfernen, werden sie bis zu grundlegenden Konstanten symmetrisch.

Aber was wäre, wenn magnetische Ladungen und Ströme existieren würden? Physiker haben darüber seit mehr als hundert Jahren nachgedacht, und wenn es sie gibt, könnten wir aufschreiben, wie die Maxwell-Gleichungen aussehen würden, wenn magnetische Monopole in der Natur wären. Wie würden sie aussehen (in differentieller Form)?



Bis auf Grundkonstanten sehen die Gleichungen jetzt sehr symmetrisch aus! Wir könnten magnetische Ladungen bewegen, indem wir einfach die elektrischen Felder ändern, elektrische Ströme erzeugen und elektrische Felder induzieren. In den 1930er Jahren wurde Dirac mit ihnen gespielt, aber die allgemein anerkannte Schlussfolgerung lautete, dass sie eine Spur hinterlassen hätten, wenn sie existieren würden. Dieser Bereich wurde nicht ernst genommen, da die Physik im Wesentlichen eine experimentelle Wissenschaft ist; Ohne den Nachweis magnetischer Monopole ist es sehr schwierig, sie zu rechtfertigen.

In den 70er Jahren veränderten sich die Dinge jedoch. Die Menschen experimentierten mit den Theorien der großen Vereinigung oder mit der Vorstellung, dass es in der Natur viel mehr Symmetrie geben kann als wir sehen. Symmetrie kann gebrochen werden, weil es im Universum vier verschiedene grundlegende Wechselwirkungen gibt, aber vielleicht wurden alle auf einer Art hoher Energie zu einer vereint? Infolgedessen haben all diese Theorien die Existenz neuer Teilchen mit hoher Energie vorhergesagt, und in vielen Fällen auch magnetische Monopole (insbesondere das Monopol von Hooft-Polyakov ).



Magnetische Monopole waren schon immer ein verlockendes Thema für Physiker, und neue Theorien haben dieses Interesse geweckt. So im Jahr 1970 suchen wir für die Monopol- und die berühmteste von ihnen führte den Physiker Blas Cabrera [Blas Felipe Cabrera, der Enkel des Gründers der physikalischen Forschung in Spanien / ca. trans. ]. Er nahm einen langen Draht und verdrehte ihn in acht Schleifen, damit er den magnetischen Fluss messen konnte, der durch ihn hindurchging. Wenn ein Monopol diesen durchlaufen würde, würde er ein Signal mit genau acht Magnetonen erzeugen . Wenn ein normaler magnetischer Dipol durch ihn hindurchtritt, würde er ein Signal von +8 Magnetonen erzeugen, unmittelbar gefolgt von einem Signal von -8 Magnetonen - somit könnten diese Signale unterschieden werden.


Blas Cabrera mit ihrem magnetischen Monopol-Detektor

Also baute er dieses Gerät und wartete. Das Gerät war nicht ideal, manchmal sendete eine der Schleifen ein Signal, und in noch selteneren Fällen wurde das Signal zwei Schleifen gleichzeitig gesendet. Um einen magnetischen Monopol zu erkennen, wurden genau acht benötigt - aber das Gerät zeigte nicht mehr als zwei. Das Experiment dauerte mehrere Monate erfolglos, so dass sie nur mehrmals am Tag dorthin zurückkehrten. Am 14. Februar 1982 kam Blas nicht in sein Büro, weil er den Valentinstag feierte. Als er am 15. Februar zur Arbeit zurückkehrte, war er überrascht, als ein Computer und ein Gerät am 14. Februar ein Signal von genau acht Magnetonen aufzeichneten.



Diese Entdeckung erschütterte die Öffentlichkeit und löste eine große Welle von Interesse aus. Größere Geräte mit einer größeren Oberfläche und einer großen Anzahl von Schleifen wurden gebaut, aber trotz sorgfältiger Suche fand niemand einen Monopol. Stephen Weinberg schrieb am 14. Februar 1983 sogar ein Gedicht an Blas Cabrera:

Rosen sind rot,
Veilchen sind blau.
Es ist eine Zeit für Monopol
Nummer ZWEI!

Rosen sind rot,
Veilchen von Blau, stellen
einen zweiten Monopol dar.
Wir würden Sie fragen!

[ Verweis auf das populäre Gedicht, das in englischsprachigen Ländern im Zusammenhang mit der Feier des Tages aller Verliebten verwendet wird. trans. ]

Der zweite Monopol erschien jedoch nicht. War dies der extrem seltene Fehler des Cabrera-Experiments? War dies der einzige Monopol in unserem Teil des Universums, der versehentlich den Detektor passiert hatte? Da wir andere noch nicht gefunden haben, ist es unmöglich, dies mit Sicherheit zu wissen, aber die Wissenschaft muss reproduzierbar sein. Dieses Experiment konnte jedoch nicht reproduziert werden.

Heute suchen Monopole immer noch nach Experimenten, aber die Erwartungen sind gering.



Die Natur wäre in ihrer Symmetrie schön, aber so sehr wir möchten, ist sie asymmetrisch und nicht auf allen Ebenen. Und niemand ist schuld; Nur das Universum ist was es ist. Es ist besser, es als solches zu akzeptieren - egal wie ästhetisch es sonst wäre -, als unsere Vorurteile vom wahren Weg abbringen zu lassen.

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