Werden wir in Zukunft Magnete mit nur einem Pol haben? » Wissenschafts-ABC

Magnete. Wir sehen sie in unzähligen verschiedenen Formen und Größen und in so vielen verschiedenen Geräten. Dies war ein so häufiger Teil unserer Kindheit, dass wir alle die grundlegendsten und häufigsten Eigenschaften von Magneten kennen.

Zum einen ziehen sie Materialien mit Eisen an.

Zweitens haben sie zwei Pole (Dipole), Nord und Süd.

Und schließlich, wenn wir versuchen, einen Magneten auseinander zu brechen, um jeden Pol zu trennen, landen wir immer noch bei zwei Magneten mit zwei Polen. Die Pole sind einfach unzertrennlich!

Früher nannten wir solche Dinge „Magie“, aber in der Physik demonstriert ein Magnet nur die Eigenschaft von magnetischen Feldlinien. Diese Feldlinien sind geschlossene Schleifen zwischen den beiden gegenüberliegenden Polen. Kurz gesagt, wir haben noch nie einen Magneten mit nur einem Pol gefunden und glauben daher, dass Magnete nur in Dipolen existieren können.

Nun, wir wissen jetzt, dass das nur teilweise stimmt. Wir können Dipole niemals trennen…bAber was wäre, wenn ich Ihnen das Magnetische sagte Monopole existieren? Zu diesem Zweck werden umfangreiche Forschungen und teure Experimente durchgeführt!

Überraschenderweise wird schon seit langem von Monopolen gesprochen, bis in die Ära von Pierre Curie zurück. Es hat jedoch lange gedauert, bis die Idee Wurzeln geschlagen hat, und jetzt, da wir über umfangreiche theoretische Arbeit verfügen, haben die eigentlichen Suchmonopole begonnen. Schauen wir uns an, wie die Idee der Monopole entstand und wo wir jetzt stehen.

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Diracs Monopol

Dirac war die erste Person, die tatsächliche Physik und Mathematik verwendete, um einen Monopol zu beschreiben. Sein Bild vom Monopol sah sehr einfach aus. Zuerst stellte er sich einen Elektromagneten vor – ein Gerät aus gewickelten Drähten mit einer größeren Länge als einem Durchmesser. Wenn ein elektrischer Strom durch diese Drähte geleitet wird, wird ein Magnetfeld erzeugt. Diese Magnetfeldlinien ähneln denen, die wir bei Stabmagneten gesehen haben.

Ein Solenoid mit seinen erzeugten Magnetfeldlinien (Credit: Dmitry Kovalchuk/Shutterstock) (Photo Credit: Dmitry Kovalchuk/Shutterstock)

Sie werden feststellen, dass die Feldlinien in der Nähe des Zentrums (außerhalb) des Magneten sehr weit voneinander entfernt sind, was bedeutet, dass das Magnetfeld hier am schwächsten ist.

Nun stellte sich Dirac seinen Solenoid unendlich lang vor, so lang, dass die magnetischen Feldlinien sehr weit voneinander entfernt sind, wodurch das Magnetfeld praktisch nicht existiert. Dies fast trennt die beiden Pole, aber die im Magneten verlaufenden Feldlinien sind noch vorhanden und verbinden somit die beiden Pole.

Um dem entgegenzuwirken, stellte sich Dirac den Solenoid so dünn vor, dass es praktisch unmöglich war, ihn zu sehen, so dünn, dass es keine Feldlinien gibt, die die beiden Pole verbinden. So hat er sich das Bild der Monopole vorgestellt, und dieses Bild nennt man Dirac-String.

Diracs Schnur

Das mag absurd erscheinen, darüber nachzudenken, bAber Dirac glaubte so fest an Monopole, dass die Idee der Monopole nicht zu existieren war für ihn absurd.

Seine Theorie hatte jedoch einen großen Fehler. Die Energie seines Monopols war unendlich.

Wenn Dirac sein imaginäres Solenoid in die Länge streckte und es auf nichts verdünnte, würde sich theoretisch das gesamte Magnetfeld dieses unendlich großen Magneten auf seine beiden Pole konzentrieren. So hatten seine imaginären Monopole unendlich viel Energie.

Zum Glück war dies nur ein vorgeschlagenes Modell eines Monopols. Offensichtlich gibt es keine Möglichkeit, einen solchen Magneten herzustellen und kein Teilchen mit unendlicher Energie kann existieren. Trotzdem war die Idee von Monopolen so faszinierend, dass andere auch versuchten, ihre Existenz theoretisch zu beweisen.

Der GUT-Monopol

Es waren Hooft und Polyakov, die durch ihre Theorie, die sie „Grand Unified Theory (GUT)“ nannten, ein besseres Bild von Monopolen vorschlugen.

Um den Namen zu verstehen, müssen wir zunächst ein grundlegendes Verständnis der Quantenfeldtheorie (QFT) haben.

Stellen Sie sich QFT als ein Haus vor, in dem eine Familie aus verschiedenen Feldtheorien der Elementarteilchen lebt.

Die Bausteine ​​dieses Hauses (QFT) sind Quantenmechanik, spezielle Relativitätstheorie und Feldtheorie. Einfach ausgedrückt bietet QFT verschiedenen Wissenschaften der Elementarteilchen Schutz. Das Grand Unified Theory (GUT) ist das, was Sie erhalten, wenn Sie alle Familienmitglieder durch eine einzige Figur ersetzen, die alle ihre Rollen spielt.

Anstatt verschiedener Feldtheorien für verschiedene Arten von Teilchen haben wir also eine Theorie für alle Teilchen in GUT.

Hooft und Polyakov verwendeten diese eine große Theorie namens Grand Unified Theory, um die Existenz magnetischer Monopole zu bestätigen.

Grand Unified Theory umfasst alle Teilchen in einer einzigen Feldtheorie (Credit: agsandrew/Shutterstock)

Laut GUT gibt es Monopole! Diese Theorie sagt auch voraus, dass sie eine Energie von ungefähr haben 1016 GeV!!! Möglicherweise benötigen Sie Hilfe, um sich vorzustellen, wie viel Energie das ist.

Ein Elektronenvolt (eV) repräsentiert die Energie eines Elektrons, das durch ein Volt Potential geht. Nun ist ein GeV die Energie von eine Milliarde solche Elektronen. Stellen Sie sich nun die Energie von 10 vor16 (also 16! Nullen nach Eins) mal die Energie von einer Milliarde Elektronen! Ganz schön viel!

Das ist die Energie eines Monopols.

Wenn wir irgendwie in der Lage wären, einen Magneten mit diesem Monopol herzustellen, wäre nur Thor in der Lage, damit umzugehen!

Heute werden diese treffend supermassive Monopole genannt, da wir jetzt auch Theorien für weniger energiereiche Monopole haben.

Fazit

Seit supermassive Monopole konzipiert wurden, gab es auch Vorhersagen über mittlere und kleinere Monopole, aber die Frage ist, wenn nicht in unserer natürlichen Welt, wo würden wir sie überhaupt finden?

Die Antwort liegt, wie so viele, im Himmel.

Supermassive Monopole sollen in der frühen Zeit des Universums in Hülle und Fülle existiert haben, und wahrscheinlich existieren sowohl intermediäre als auch supermassive Monopole im Weltraum.

Monopole sind am wahrscheinlichsten im Weltraum zu finden (Credit: Jurik Peter/Shutterstock)

Nur dank umfangreicher Forschung hat die Suche nach diesem Teilchen begonnen. Die Theorien sind so überzeugend, dass einige extrem teure Experimente rund um den Globus durchgeführt werden, um diese hypothetischen Teilchen einzufangen.

Es ist jedoch nicht das erste Mal, dass solche kostspieligen Experimente auf der Grundlage von Theorien durchgeführt werden. Sie kennen vielleicht den berühmtesten dieser Fälle. Die Higgs-Boson-Theorie wurde erstmals 1964 vorgeschlagen! Es gab eine lange Zeit intensiver Forschung zu diesem Thema, gefolgt von teuren Experimenten. Jahre dieser Experimente später wurde schließlich festgestellt, dass es existiert.

Kurz gesagt, es wird das typische Protokoll befolgt. Wir müssen nur auf den Tag warten, an dem sie die Existenz von Monopolen ankündigen, und wer weiß … vielleicht haben wir eines Tages sogar einen Monopolmagneten zum Spielen!

Vorgeschlagene Literatur