L'asymétrie de la nature

Il y a des charges et des champs électriques, et seuls les champs sont magnétiques. Peut-il y avoir des charges magnétiques dans l'univers?

Vous ne pouvez pas faire une seule erreur et toujours perdre. Ce n'est pas une faiblesse - c'est la vie.
- Jean-Luc Picard

En science, et surtout en physique, un grand nombre de processus physiques sont basés sur des symétries fondamentales. En gravité, la force avec laquelle toute masse agit sur une autre est de même ampleur et de sens opposé à la force exercée par l'autre masse sur la première.





Il en va de même pour les charges électriques, bien qu'il y ait un hic: l'interaction électrique peut être positive ou négative, selon les signes des charges. De plus, l'électricité est étroitement liée à une autre interaction, le magnétisme.



Comme l'électricité a des charges positives et négatives, où les similaires repoussent les similaires et les opposés s'attirent, le magnétisme a les pôles nord et sud, qui ont également le même attrait répulsif et différent. Mais le magnétisme démontre les différences fondamentales avec l'électricité d'une manière certaine et évidente:

• L'électricité peut avoir de nombreuses charges collectées ensemble, ou des charges positives ou négatives distinctes.
• Le magnétisme peut avoir de nombreux pôles assemblés, mais vous ne pouvez pas isoler le pôle nord du sud.

En physique, deux charges ou pôles opposés connectés ensemble sont appelés dipôles, et une charge distincte est appelée monopôle.



Avec un monopôle gravitationnel, tout est simple: c'est la masse. Avec les électriques, c'est aussi simple: n'importe quelle particule fondamentale avec une charge, comme un électron ou un quark, fera l'affaire.

Mais les monopôles magnétiques? À notre connaissance, ils n'existent pas. L'univers où ils existent serait étonnamment différent du nôtre. Pensez à la façon dont l'électricité et le magnétisme sont liés.



Une charge électrique en mouvement, ou courant électrique, crée un champ magnétique perpendiculaire à la ligne de mouvement. Un fil droit avec un courant électrique qui le traverse produit un champ magnétique qui tourne en cercle autour du fil. Si vous enveloppez le conducteur dans une boucle ou une bobine, un champ magnétique apparaîtra à l'intérieur.

Il s'avère que cela fonctionne dans les deux sens. Les lois de la physique tendent à la symétrie. Cela signifie que si j'ai une boucle ou une bobine de fil et que je change le champ magnétique à l'intérieur, je vais créer un courant électrique qui fait bouger les charges électriques. Il s'agit d'une induction électromagnétique découverte par Michael Faraday il y a plus de 150 ans.



Nous avons donc des charges électriques, du courant électrique et un champ électrique - mais il n'y a pas de charges magnétiques ou de courants magnétiques, seulement des champs magnétiques. Vous pouvez changer le champ magnétique et faire bouger les charges électriques, mais vous ne pouvez pas faire bouger les charges magnétiques en changeant le champ électrique - car aucune charge magnétique n'existe.

De la même manière, il est possible de créer un champ magnétique en déplaçant des charges électriques, mais vous ne pouvez pas créer un champ électrique en déplaçant des charges magnétiques - encore une fois, elles n'existent pas.

En d'autres termes, il existe une asymétrie fondamentale entre les propriétés électriques et magnétiques de notre Univers. Par conséquent, les équations de Maxwell pour les champs E et B (électriques et magnétiques) sont si différentes.



La raison pour laquelle les équations sont si différentes est que les charges électriques (ρ et Q) et les courants (J et I) existent, et leurs homologues magnétiques n'existent pas. Si vous supprimez les charges et les courants électriques, ils deviendront symétriques jusqu'aux constantes fondamentales.

Et si des charges et des courants magnétiques existaient? Les physiciens y réfléchissent depuis plus de cent ans, et s'ils existaient, nous pourrions écrire à quoi ressembleraient les équations de Maxwell si les monopôles magnétiques étaient dans la nature. Voici à quoi ils ressembleraient (sous forme différentielle)?



Encore une fois, fidèles aux constantes fondamentales, les équations semblent maintenant très symétriques! Nous pourrions faire bouger les charges magnétiques en changeant simplement les champs électriques, créer des courants électriques et induire des champs électriques. Dans les années 1930, Dirac a joué avec eux, mais la conclusion généralement acceptée était que s'ils existaient, ils laisseraient une sorte de trace. Ce domaine n'a pas été pris au sérieux, car la physique est essentiellement une science expérimentale; sans aucune preuve de monopôles magnétiques, il est très difficile à justifier.

Mais les choses ont commencé à changer dans les années 1970. Les gens ont expérimenté les Théories de la Grande Unification, ou des idées sur le fait que beaucoup plus de symétrie peut exister dans la nature que nous ne le voyons. La symétrie peut être rompue, à cause de laquelle il existe quatre interactions fondamentales différentes dans l'Univers, mais peut-être que toutes ont été combinées en une seule énergie élevée? En conséquence, toutes ces théories prévoient l'existence de nouvelles particules à haute énergie et, dans de nombreux cas, des monopôles magnétiques (en particulier le monopole Hooft-Polyakov ).



Les monopôles magnétiques ont toujours été un sujet tentant pour les physiciens, et de nouvelles théories ont alimenté cet intérêt. Ainsi, dans les années 1970, il y avait une recherche de monopoles, et le plus célèbre d'entre eux était dirigé par le physicien Blas Cabrera [ petit-fils du fondateur de la recherche physique en Espagne, Blas Felipe Cabrera / env. perev. ]. Il a pris un long fil et l'a tordu en huit boucles afin qu'il puisse mesurer le flux magnétique à travers lui. Si un monopôle le traversait, il générerait un signal avec une force d'exactement huit magnétons . Eh bien, si un dipôle magnétique standard le traversait, il aurait généré un signal de +8 magnétons, immédiatement suivi d'un signal de -8 magnétons - de cette façon, ces signaux pourraient être distingués.


Blas Cabrera avec son détecteur monopôle magnétique

Et donc il a construit cet appareil et a commencé à attendre. L'appareil était imparfait, parfois l'une des boucles envoyait un signal, et dans des cas encore plus rares, le signal était envoyé par deux boucles simultanément. Mais pour détecter le monopôle magnétique, il en fallait exactement huit - mais l'appareil n'en montrait pas plus de deux. L'expérience a continué sans succès pendant plusieurs mois, et en conséquence, ils n'ont commencé à y revenir que plusieurs fois par jour. Le 14 février 1982, Blas n'est pas venu à son bureau parce qu'il célébrait la Saint Valentin. Lorsqu'il est retourné au travail le 15 février, il a été surpris de constater que l'ordinateur et l'appareil le 14 février avaient enregistré un signal dans exactement huit magnétons.



Cette découverte a éveillé le public et suscité une énorme vague d'intérêt. De plus grands appareils ont été construits avec une plus grande surface et un grand nombre de boucles, mais, malgré des recherches minutieuses, personne d'autre n'a trouvé de monopole. Steven Weinberg a même écrit un poème à Blas Cabrera le 14 février 1983:

Les roses sont rouges,
Les violettes sont bleues,
Il est temps pour le monopole
Numéro DEUX!

Les roses sont rouges
Violettes de bleu
Introduire le deuxième monopole
Nous vous le demanderions!

[ Une référence à un poème populaire utilisé dans les pays anglophones dans le cadre de la célébration de la Saint-Valentin // env. perev. ]

Mais le deuxième monopole n'est pas apparu. Était-ce un problème ultra-rare de l'expérience de Cabrera? Était-ce le seul monopole dans notre partie de l'Univers qui a accidentellement traversé un détecteur? Comme nous n'en avons pas trouvé d'autres, il est impossible de le savoir avec certitude, mais la science doit être reproductible. Mais cette expérience n'a pas pu être reproduite.

Aujourd'hui, les monopoles sont toujours à la recherche d'expériences, mais les attentes sont très faibles.



La nature serait belle dans sa symétrie, mais, autant qu'on ne l'aime pas, elle est asymétrique, pas à tous les niveaux. Et personne n'est à blâmer pour cela; juste l'Univers tel qu'il est. Il vaut mieux l'accepter comme ça - peu importe à quel point il serait esthétique autrement - que de laisser nos préjugés nous induire en erreur.