A assimetria da natureza

Existem cargas e campos elétricos, e apenas campos são magnéticos. Pode haver cargas magnéticas no universo?

Você não pode cometer um único erro e ainda assim perder. Isso não é fraqueza - é vida.
- Jean-Luc Picard

Na ciência, e especialmente na física, um grande número de processos físicos é baseado em simetrias fundamentais. Na gravidade, a força com a qual uma massa atua sobre outra é igual em magnitude e oposta na direção à força exercida pela outra massa na primeira.





O mesmo se aplica às cargas elétricas, embora exista um problema: a interação elétrica pode ser positiva ou negativa, de acordo com os sinais das cargas. Além disso, a eletricidade está intimamente relacionada a outra interação, o magnetismo.



Como a eletricidade tem cargas positivas e negativas, onde o semelhante repele o semelhante e os opostos se atraem, o magnetismo tem os pólos norte e sul, que também têm a mesma atração repulsiva e diferente. Mas o magnetismo demonstra diferenças fundamentais da eletricidade de uma maneira certa e óbvia:

• A eletricidade pode ter muitas cargas cobradas juntas ou separar cargas positivas ou negativas.
• O magnetismo pode ter muitos pólos montados juntos, mas você não pode isolar o pólo norte do sul.

Na física, duas cargas opostas ou pólos conectados entre si são chamados dipolo, e uma carga separada é chamada monopolo.



Com um monopolo gravitacional, tudo é simples: isso é massa. Nos elétricos, também é simples: qualquer partícula fundamental com carga, como um elétron ou um quark, serve.

Mas monopólos magnéticos? Tanto quanto sabemos, eles não existem. O universo onde eles existem seria surpreendentemente diferente do nosso. Pense em como a eletricidade e o magnetismo estão relacionados.



Uma carga elétrica em movimento, ou corrente elétrica, cria um campo magnético perpendicular à linha de movimento. Um fio reto com uma corrente elétrica fluindo através dele produz um campo magnético que circula em volta do fio. Se você envolver o condutor em um loop ou bobina, um campo magnético aparecerá dentro dele.

Acontece que isso funciona nos dois sentidos. As leis da física tendem a simetria. Isso significa que, se eu tiver um laço ou bobina de fio e alterar o campo magnético dentro dele, criarei uma corrente elétrica que faz com que as cargas elétricas se movam. Esta é a indução eletromagnética descoberta por Michael Faraday há mais de 150 anos.



Portanto, temos cargas elétricas, corrente elétrica e campo elétrico - mas não há cargas magnéticas ou correntes magnéticas, apenas campos magnéticos. Você pode alterar o campo magnético e mover as cargas elétricas, mas não pode mover as cargas magnéticas alterando o campo elétrico - uma vez que não existem cargas magnéticas.

Da mesma forma, é possível criar um campo magnético movendo cargas elétricas, mas você não pode criar um campo elétrico movendo cargas magnéticas - novamente, elas não existem.

Em outras palavras, existe uma assimetria fundamental entre as propriedades elétricas e magnéticas do nosso universo. Portanto, as equações de Maxwell para os campos E e B (elétrico e magnético) são muito diferentes.



A razão pela qual as equações são tão diferentes é porque existem cargas elétricas (ρ e Q) e correntes (J e I), e suas contrapartes magnéticas não. Se você remover as cargas e correntes elétricas, elas se tornarão simétricas até constantes fundamentais.

Mas e se existissem cargas e correntes magnéticas? Os físicos pensam nisso há mais de cem anos e, se existissem, poderíamos escrever como seriam as equações de Maxwell se os monopólos magnéticos estivessem na natureza. Aqui está como eles seriam (em forma diferencial)?



Novamente, precisas para constantes fundamentais, as equações agora parecem muito simétricas! Poderíamos fazer com que as cargas magnéticas se movessem mudando os campos elétricos, criando correntes elétricas e induzindo campos elétricos. Nos anos 30, Dirac brincou com eles, mas a conclusão geralmente aceita foi que, se existissem, deixariam algum tipo de vestígio. Essa área não foi levada a sério, pois a física é essencialmente uma ciência experimental; sem qualquer evidência de monopólos magnéticos, é muito difícil justificar.

Mas as coisas começaram a mudar na década de 1970. As pessoas experimentaram teorias da grande unificação, ou idéias sobre o fato de que muito mais simetria pode existir na natureza do que vemos. A simetria pode ser quebrada, por causa da qual existem quatro interações fundamentais diferentes no Universo, mas talvez todas elas tenham sido combinadas em uma única alta energia? Como resultado, todas essas teorias têm uma previsão da existência de novas partículas de alta energia e, em muitos casos, monopólos magnéticos (em particular, o monopólio de Hooft-Polyakov ).



Os monopolos magnéticos sempre foram um tópico tentador para os físicos, e novas teorias têm alimentado esse interesse. Então, na década de 1970, houve uma busca por monopólos, e o mais famoso deles foi liderado pelo físico Blas Cabrera [ neto do fundador da pesquisa física na Espanha, Blas Felipe Cabrera / aprox. perev. ] Ele pegou um fio longo e torceu-o em oito voltas, para poder medir o fluxo magnético através dele. Se um monopolo passasse por ele, ele geraria um sinal com uma força de exatamente oito magnetons . Bem, se um dipolo magnético padrão passasse por ele, teria gerado um sinal de +8 magnetons, imediatamente seguido por um sinal de -8 magnetons - dessa maneira esses sinais poderiam ser distinguidos.


Blas Cabrera com seu detector monopolar magnético

E assim ele construiu este dispositivo e começou a esperar. O dispositivo era imperfeito, às vezes um dos loops enviava um sinal e, em casos ainda mais raros, o sinal era enviado por dois loops simultaneamente. Mas para detectar o monopolo magnético, exatamente oito eram necessários - mas o dispositivo não mostrou mais do que dois. O experimento continuou sem sucesso por vários meses e, como resultado, eles começaram a retornar a ele apenas várias vezes ao dia. Em 14 de fevereiro de 1982, Blas não foi ao seu escritório porque estava comemorando o Dia dos Namorados. Quando voltou ao trabalho em 15 de fevereiro, ficou surpreso ao descobrir que o computador e o dispositivo em 14 de fevereiro registraram um sinal em exatamente oito magnetons.



Essa descoberta despertou o público e gerou uma enorme onda de interesse. Dispositivos maiores foram construídos com uma área de superfície maior e um grande número de loops, mas, apesar de pesquisas cuidadosas, ninguém mais encontrou um monopolo. Steven Weinberg chegou a escrever um poema para Blas Cabrera em 14 de fevereiro de 1983:

Rosas são vermelhas,
Violetas são azuis,
É hora de monopolo
Número DOIS!

Rosas são vermelhas
Violetas de azul
Introduzir o segundo monopólio
Nós perguntaríamos a você!

[ Uma referência a um poema popular usado em países de língua inglesa em conexão com a celebração do Dia dos Namorados // aprox. perev. ]

Mas o segundo monopólio não apareceu. Foi uma falha ultra-rara do experimento de Cabrera? Este foi o único monopolo em nossa parte do Universo que acidentalmente passou por um detector? Como não encontramos outros, é impossível ter certeza, mas a ciência deve ser reproduzível. Mas esse experimento não pôde ser reproduzido.

Hoje, os monopólios ainda estão pesquisando em experimentos, mas as expectativas são muito baixas.



A natureza seria bonita em sua simetria, mas, por mais que não gostássemos, é assimétrica, nem em todos os níveis. E ninguém é o culpado por isso; apenas o universo como ele é. É melhor aceitá-lo assim - independentemente de como seria esteticamente agradável - do que deixar nossos preconceitos nos desviarem.