Die Asymmetrie der Natur

Es gibt elektrische Ladungen und Felder, 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 Picard

In der Wissenschaft und insbesondere in der Physik basieren eine Vielzahl physikalischer 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 die andere Masse auf die erste ausübt.





Gleiches gilt für elektrische Ladungen, obwohl es einen Haken gibt: Die elektrische Wechselwirkung kann entsprechend den Vorzeichen der Ladungen positiv oder negativ sein. Darüber hinaus ist Elektrizität eng mit einer anderen Wechselwirkung verbunden, dem Magnetismus.



Da Elektrizität positive und negative Ladungen hat, bei denen das Gleiche das Gleiche abstößt und die Gegensätze sich anziehen, hat der Magnetismus den Nord- und Südpol, die auch die gleiche abstoßende und unterschiedliche Anziehungskraft haben. Der Magnetismus zeigt jedoch auf bestimmte und offensichtliche Weise grundlegende Unterschiede zur Elektrizität:

• Bei Elektrizität können viele Ladungen zusammen gesammelt oder positive oder negative Ladungen getrennt werden.
• Beim Magnetismus können viele Pole zusammengebaut werden, aber Sie können den Nordpol nicht vom Süden isolieren.

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



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

Aber magnetische Monopole? Soweit wir wissen, existieren sie nicht. Das Universum, in dem sie existieren, würde sich überraschend von unserem unterscheiden. Denken Sie darüber nach, wie Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen.



Eine sich bewegende elektrische Ladung oder ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Bewegungslinie. Ein gerader Draht, durch den elektrischer Strom fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das in einem Kreis um den Draht verläuft. Wenn Sie den Leiter in eine Schleife oder Spule einwickeln, erscheint darin ein Magnetfeld.

Es stellt sich heraus, dass dies in beide Richtungen funktioniert. Die Gesetze der Physik neigen zur Symmetrie. Das bedeutet, wenn ich eine Schleife oder eine Drahtspule habe und das Magnetfeld darin ändere, werde ich einen elektrischen Strom erzeugen, der elektrische Ladungen in Bewegung setzt. Dies ist eine elektromagnetische Induktion, die Michael Faraday vor über 150 Jahren entdeckt hat.



Wir haben also elektrische Ladungen, elektrischen Strom und elektrisches Feld - aber es gibt keine magnetischen Ladungen oder magnetischen Ströme, nur magnetische Felder. Sie können das Magnetfeld ändern und die elektrischen Ladungen bewegen, aber Sie können die magnetischen Ladungen nicht bewegen, indem Sie das elektrische Feld ändern - da keine magnetischen Ladungen vorhanden sind.

Auf die gleiche Weise ist es möglich, ein Magnetfeld durch Bewegen elektrischer Ladungen zu erzeugen, aber Sie können kein elektrisches Feld durch Bewegen magnetischer Ladungen erzeugen - auch diese existieren 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 die Gleichungen so unterschiedlich sind, liegt darin, dass elektrische Ladungen (ρ und Q) und Ströme (J und I) existieren und ihre magnetischen Gegenstücke nicht. Wenn Sie die elektrischen Ladungen und Ströme entfernen, werden sie bis zu den Grundkonstanten symmetrisch.

Was aber, wenn magnetische Ladungen und Ströme existieren? Die Physiker haben mehr als hundert Jahre lang darüber nachgedacht, und wenn es sie gäbe, könnten wir aufschreiben, wie die Maxwell-Gleichungen aussehen würden, wenn magnetische Monopole in der Natur wären. So würden sie aussehen (in Differentialform)?



Wiederum genau auf die Grundkonstanten genau, sehen die Gleichungen jetzt sehr symmetrisch aus! Wir könnten magnetische Ladungen bewegen, indem wir einfach elektrische Felder ändern, elektrische Ströme erzeugen und elektrische Felder induzieren. In den 1930er Jahren spielte Dirac mit ihnen, aber dann war die allgemein akzeptierte Schlussfolgerung, dass sie, wenn sie existierten, eine Spur hinterlassen würden. Dieser Bereich wurde nicht ernst genommen, da die Physik im Wesentlichen eine experimentelle Wissenschaft ist; Ohne Hinweise auf magnetische Monopole ist es sehr schwer zu rechtfertigen.

Aber in den 1970er Jahren begannen sich die Dinge zu ändern. Die Menschen experimentierten mit Theorien der Großen Vereinigung oder mit Vorstellungen darüber, dass in der Natur viel mehr Symmetrie existieren kann, als wir sehen. Symmetrie kann gebrochen werden, aufgrund derer es im Universum vier verschiedene grundlegende Wechselwirkungen gibt, aber vielleicht wurden alle zu einer einzigen hohen Energie kombiniert? Infolgedessen haben alle diese Theorien eine Vorhersage über die Existenz neuer hochenergetischer Teilchen und in vielen Fällen magnetischer Monopole (insbesondere des Hooft-Polyakov-Monopols ).



Magnetische Monopole waren für Physiker schon immer ein verlockendes Thema, und neue Theorien haben dieses Interesse geweckt. In den 1970er Jahren wurde nach Monopolen gesucht, und der berühmteste von ihnen wurde vom Physiker Blas Cabrera [ Enkel des Gründers der physikalischen Forschung in Spanien, Blas Felipe Cabrera / ca. perev. ]. Er nahm einen langen Draht und drehte ihn in acht Schleifen, damit er den Magnetfluss durch ihn messen konnte. Wenn ein Monopol durch ihn hindurchtreten würde, würde er ein Signal mit einer Kraft von genau acht Magnetonen erzeugen. Wenn ein magnetischer Standarddipol durch ihn hindurchgegangen wäre, hätte er ein Signal von +8 Magnetonen erzeugt, unmittelbar gefolgt von einem Signal von -8 Magnetonen - auf diese Weise könnten diese Signale unterschieden werden.


Blas Cabrera mit seinem magnetischen Monopoldetektor

Und so baute er dieses Gerät und begann zu warten. Das Gerät war nicht perfekt, manchmal sendete eine der Schleifen ein Signal, und in noch selteneren Fällen wurde das Signal von zwei Schleifen gleichzeitig gesendet. Aber um den magnetischen Monopol zu erkennen, wurden genau acht benötigt - aber das Gerät zeigte nicht mehr als zwei. Das Experiment wurde mehrere Monate erfolglos fortgesetzt, und infolgedessen kehrten sie nur mehrmals am Tag dazu zurück. Am 14. Februar 1982 kam Blas nicht in sein Büro, weil er den Valentinstag feierte. Als er am 15. Februar zur Arbeit zurückkehrte, stellte er überrascht fest, dass Computer und Gerät am 14. Februar ein Signal in genau acht Magnetonen aufzeichneten.



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

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

Rosen sind rot
Veilchen von Blau
Führen Sie das zweite Monopol ein
Wir würden Sie fragen!

[ Ein Hinweis auf ein populäres Gedicht, das im englischsprachigen Raum im Zusammenhang mit der Feier des Valentinstags verwendet wird. perev. ]]

Das zweite Monopol erschien jedoch nicht. War es eine äußerst seltene Panne in Cabreras Experiment? War dies der einzige Monopol in unserem Teil des Universums, der versehentlich einen Detektor passiert hat? Da wir keine anderen gefunden haben, ist es unmöglich, sicher zu wissen, aber die Wissenschaft muss reproduzierbar sein. Dieses Experiment konnte jedoch nicht reproduziert werden.

Noch heute suchen Monopole in Experimenten, aber die Erwartungen sind sehr niedrig.



Die Natur wäre in ihrer Symmetrie schön, aber so sehr wir es nicht mögen würden, sie ist asymmetrisch, nicht auf allen Ebenen. Und niemand ist dafür verantwortlich; nur das Universum wie es ist. Es ist besser, es so zu akzeptieren - unabhängig davon, wie ästhetisch es sonst wäre -, als sich von unseren Vorurteilen in die Irre führen zu lassen.