Asimetri alam

Ada muatan dan medan listrik, dan hanya medan magnet. Mungkinkah ada muatan magnet di alam semesta?

Anda tidak dapat membuat kesalahan tunggal dan masih kalah. Ini bukan kelemahan - ini adalah hidup.
- Jean-Luc Picard

Dalam sains, dan terutama dalam fisika, sejumlah besar proses fisik didasarkan pada simetri mendasar. Dalam gravitasi, gaya yang digunakan oleh massa mana pun pada benda lain sama besarnya dan berlawanan arah dengan gaya yang diberikan oleh massa lainnya pada massa pertama.





Hal yang sama berlaku untuk muatan listrik, meskipun ada satu tangkapan: interaksi listrik dapat positif atau negatif, sesuai dengan tanda-tanda muatan. Selain itu, listrik terkait erat dengan interaksi lain, magnet.



Karena listrik memiliki muatan positif dan negatif, di mana sejenisnya mengusir sejenisnya dan yang berlawanan menarik, magnet memiliki kutub utara dan selatan, yang juga memiliki daya tarik yang menjijikkan dan berbeda. Tetapi magnetisme menunjukkan perbedaan mendasar dari listrik dengan cara tertentu dan jelas:

• Listrik dapat mengumpulkan banyak muatan, atau memisahkan muatan positif atau negatif.
• Magnet dapat memiliki banyak kutub yang berkumpul, tetapi Anda tidak dapat mengisolasi kutub utara dari selatan.

Dalam fisika, dua muatan berlawanan atau kutub yang dihubungkan bersama disebut dipol, dan satu muatan terpisah disebut monopole.



Dengan monopole gravitasi, semuanya sederhana: ini adalah massa. Dengan yang elektrik, ia juga sederhana: setiap partikel fundamental dengan muatan, seperti elektron atau kuark, akan berlaku.

Tapi monopol magnetik? Sejauh yang kami tahu, mereka tidak ada. Alam semesta di mana mereka ada akan sangat berbeda dari kita. Pikirkan tentang bagaimana listrik dan magnet saling berhubungan.



Muatan listrik yang bergerak, atau arus listrik, menciptakan medan magnet yang tegak lurus terhadap garis gerak. Kawat lurus dengan arus listrik yang mengalir melewatinya menghasilkan medan magnet yang berputar dalam lingkaran di sekitar kawat. Jika Anda membungkus konduktor dalam lingkaran atau gulungan, medan magnet akan muncul di dalamnya.

Ternyata ini bekerja dua arah. Hukum fisika cenderung simetri. Ini berarti bahwa jika saya memiliki loop atau kumparan kawat, dan saya mengubah medan magnet di dalamnya, saya akan membuat arus listrik yang membuat muatan listrik bergerak. Ini adalah induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Michael Faraday lebih dari 150 tahun yang lalu.



Jadi, kita memiliki muatan listrik, arus listrik dan medan listrik - tetapi tidak ada muatan magnet atau arus magnet, hanya medan magnet. Anda dapat mengubah medan magnet dan membuat muatan listrik bergerak, tetapi Anda tidak dapat membuat muatan magnet bergerak dengan mengubah medan listrik - karena tidak ada muatan magnet.

Dengan cara yang sama, dimungkinkan untuk membuat medan magnet dengan memindahkan muatan listrik, tetapi Anda tidak dapat membuat medan listrik dengan memindahkan muatan magnet - sekali lagi, tidak ada.

Dengan kata lain, ada asimetri mendasar antara sifat listrik dan magnetik Alam Semesta kita. Oleh karena itu, persamaan Maxwell untuk bidang E dan B (listrik dan magnetik) sangat berbeda.



Alasan persamaan sangat berbeda adalah karena muatan listrik (ρ dan Q) dan arus (J dan I) ada, dan rekan magnetiknya tidak. Jika Anda melepaskan muatan listrik dan arus, mereka akan menjadi simetris hingga konstanta fundamental.

Tetapi bagaimana jika muatan dan arus magnetik ada? Fisikawan telah memikirkan hal ini selama lebih dari seratus tahun, dan jika ada, kita dapat menuliskan seperti apa persamaan Maxwell jika monopole magnetik ada di alam. Seperti apa bentuknya (dalam bentuk diferensial)?



Sekali lagi, akurat untuk konstanta fundamental, persamaan sekarang terlihat sangat simetris! Kita dapat membuat muatan magnetik bergerak hanya dengan mengubah medan listrik, membuat arus listrik, dan menginduksi medan listrik. Pada 1930-an, Dirac bermain dengan mereka, tetapi kemudian kesimpulan yang diterima secara umum adalah bahwa jika mereka ada, mereka akan meninggalkan semacam jejak. Area ini tidak dianggap serius, karena fisika pada dasarnya adalah ilmu eksperimental; tanpa bukti adanya monopole magnetik, sangat sulit untuk dibenarkan.

Tetapi berbagai hal mulai berubah pada tahun 1970-an. Orang bereksperimen dengan Teori Penyatuan Hebat, atau gagasan tentang fakta bahwa jauh lebih banyak simetri yang bisa ada di alam daripada yang kita lihat. Simetri dapat dipatahkan, karena di mana ada empat interaksi fundamental yang berbeda di Semesta, tetapi mungkin semuanya digabungkan menjadi satu energi tinggi? Akibatnya, semua teori ini memiliki prediksi keberadaan partikel energi tinggi baru, dan dalam banyak kasus, monopole magnetik (khususnya, monopoli Hooft-Polyakov ).



Monopole magnetik selalu menjadi topik yang menggoda bagi fisikawan, dan teori baru telah memicu minat ini. Jadi pada tahun 1970-an ada pencarian untuk monopole, dan yang paling terkenal di antaranya dipimpin oleh fisikawan Blas Cabrera [ cucu pendiri penelitian fisik di Spanyol, Blas Felipe Cabrera / kira-kira. perev. ] Dia mengambil kawat panjang dan memelintirnya menjadi delapan loop sehingga bisa mengukur fluks magnet yang melaluinya. Jika monopole melewatinya, maka itu akan menghasilkan sinyal dengan kekuatan tepat delapan magnet . Nah, jika dipol magnetik standar melewatinya, itu akan menghasilkan sinyal +8 magneton, segera diikuti oleh sinyal -8 magneton - dengan cara ini sinyal-sinyal ini dapat dibedakan.


Blas Cabrera dengan detektor monopole magnetiknya

Maka ia membangun perangkat ini dan mulai menunggu. Perangkat tidak sempurna, kadang-kadang salah satu loop mengirim sinyal, dan bahkan dalam kasus yang lebih jarang, sinyal dikirim oleh dua loop secara bersamaan. Tetapi untuk mendeteksi monopole magnetik, tepat delapan diperlukan - tetapi perangkat tidak menunjukkan lebih dari dua. Percobaan tidak berhasil berlanjut selama beberapa bulan, dan sebagai hasilnya, mereka mulai kembali ke sana hanya beberapa kali sehari. Pada 14 Februari 1982, Blas tidak datang ke kantornya karena dia sedang merayakan Hari Valentine. Ketika dia kembali bekerja pada 15 Februari, dia terkejut menemukan bahwa komputer dan perangkat pada 14 Februari merekam sinyal persis delapan magnet.



Penemuan ini menggerakkan publik dan menghasilkan gelombang minat yang besar. Perangkat yang lebih besar dibangun dengan area permukaan yang lebih besar dan sejumlah besar loop, tetapi, meskipun pencarian dilakukan dengan cermat, tidak ada orang lain yang menemukan monopole. Steven Weinberg bahkan menulis puisi untuk Blas Cabrera pada 14 Februari 1983:

Mawar berwarna merah,
Bunga violet berwarna biru,
Sudah waktunya untuk monopole
Nomor dua!

Mawar berwarna merah
Biru ungu
Perkenalkan monopoli kedua
Kami akan bertanya kepada Anda!

[ Rujukan ke puisi populer yang digunakan di negara-negara berbahasa Inggris sehubungan dengan perayaan Hari Valentine // kira-kira. perev. ]

Tetapi monopoli kedua tidak muncul. Apakah ini merupakan kesalahan yang sangat langka dari eksperimen Cabrera? Apakah ini satu-satunya monopole di bagian Semesta kita yang tanpa sengaja melewati detektor? Karena kita belum menemukan orang lain, mustahil untuk mengetahui dengan pasti, tetapi sains harus dapat direproduksi. Tetapi percobaan ini tidak dapat direproduksi.

Saat ini, monopoli masih mencari dalam percobaan, tetapi harapan sangat rendah.



Alam akan menjadi indah dalam simetrinya, tetapi, sebanyak yang kita tidak suka, simetris, tidak di semua tingkatan. Dan tidak ada yang bisa disalahkan untuk ini; hanya Semesta seperti apa adanya. Lebih baik menerimanya seperti ini - terlepas dari seberapa menyenangkannya secara estetika - jika membiarkan prasangka kita menyesatkan kita.