Elektřina a magnetismus mají mnoho společného. Jsou spojeny pomocí jednotná teorie elektromagnetismu, a jsou v mnoha ohledech dvěma stranami téže mince. Oba mohou působit silou na náboje a magnetická pole. Měnící se elektrické pole vytváří pole magnetické a naopak. Elementární částice mohou mít elektrické a magnetické vlastnosti. Je tu ale jeden zásadní rozdíl.
Elektrická pole jsou vytvářena elektrickými náboji. Existují dva typy elektrického náboje. Říkáme pozitivní a negativní a existují nezávisle na sobě. Elektrony mají například pouze záporný náboj, zatímco protony mají kladný náboj. Každodenní předměty kolem nás jsou obvykle elektricky neutrální, ale je snadné dát předmětům mírný kladný nebo záporný náboj. Statická elektřina je toho dobrým příkladem.
Monopoly by měly pouze severní nebo jižní pól. Kredit: Daniel Dominguez, CERN
To není případ magnetického náboje. Stejně jako elektrický náboj existují dva typy magnetického náboje. Z historických důvodů jim říkáme severní a jižní pól. Ale tyto magnetické póly vždy přicházejí v párech. Každý magnet má severní a jižní pól. Pokud rozlomíte magnet na polovinu, póly neoddělíte. Místo toho získáte dva menší magnety, každý se severním a jižním pólem. Dokonce i magnetické elementární částice mají tuto dipólovou vlastnost. Pokud můžeme říci, neexistují žádné magnetické monopoly.
Monopoly by přinesly symetrii elektromagnetismu. Kredit: uživatel Wikipedie Maschen
Ačkoli jsme nikdy nepozorovali magnetické monopóly, víme, jaké by byly jejich vlastnosti podle elektromagnetismu. Jedním z překvapivějších důsledků je, že magnetické monopóly by kvantizovaly náboj. Pokud byste měli několik elektrických a magnetických nábojů, elektromagnetické pole, které vytvářejí, by mělo moment hybnosti (rotaci), který závisí na hodnotě elektrických a magnetických nábojů. V kvantové mechanice je úhlová hybnost kvantována, což znamená, že by byly kvantovány i náboje. Existence byť jednoho magnetického monopólu ve vesmíru by vysvětlovala, proč mají základní částice vždy integrální hodnotu elektrického náboje. Magnetické monopóly by také přinesly symetrii elektromagnetismu. To je jeden z důvodů modely jako teorie strun předpovídají magnetické monopoly.
Objev magnetických monopólů by způsobil revoluci v našem chápání vesmíru, takže stojí za to je hledat, kde se dá. Nedávno tým hledal jejich důkazy v magnetickém poli Země. Jejich myšlenka je v zásadě jednoduchá. Pokud existují magnetické monopoly, mohly by být zachyceny silným magnetickým polem Země. To by dalo Zemi magnetický náboj, který bychom měli být schopni změřit.
Souhvězdí Swarm zkoumá magnetické pole zemského jádra. Kredit: ESA/ATG Medialab
V praxi je to docela náročné. Pro svou studii tým použil šest let veřejných dat ze souhvězdí ESA's Swarm. Jedná se o sbírku obíhajících satelitů speciálně navržených k vytvoření mapy magnetických polí Země s vysokým rozlišením. Z těchto dat tým vytvořil mapu magnetických siločar naší planety a použil matematickou techniku známou jako Gaussův zákon. Představte si Zemi obklopenou imaginární koulí. Pokud neexistují žádné magnetické monopóly, každá magnetická siločára, která prochází z koule, musí také přejít zpět do koule. Pokud existují magnetické monopóly, pak některé siločáry magnetického pole musí procházet koulí, aniž by se křížily zpět. Přemíra křížení siločar by prokázala existenci magnetických monopólů.
Tým zjistil, že do limitů jejich dat nebyly žádné důkazy o nadměrném křížení siločáry. To neznamená, že magnetické monopóly neexistují, jen že neexistuje žádný důkaz o tom, že by byl nějaký zachycen magnetickým polem Země. Takže tentokrát žádné štěstí, ale s využitím veřejných dat je to skvělý výsledek.
Odkaz:Bai, Yang, Sida Lu a Nicholas Orlofsky. “ Hledání magnetických monopolů pomocí zemského magnetického pole .'arXiv předtiskarXiv: 2103.06286 (2021).