Magnetische Monopole
Ein Artikel im Spiegel hat mich neugierig gemacht: Forscher entdecken lang gesuchte Magnetismus-Exoten. Der Artikel beginnt mit einem ziemlich unverständlichen Bild:
Das Bild soll zeigen, wie es erstmalig gelungen ist, mittels "Spin-Effekten" sogenannte "magnetische Monopole" zu erzeugen. Danach als Teaser des Spiegel-Artikels:
Ursprünglich galten Magnetismus und Elektrizität als getrennte Phänomene. Dass man mit Hilfe von Dauermagneten Eisen anziehen kann, war wahrscheinlich bereits in der Antike bekannt, der elektrische Strom wurde erst viel später systematisch untersucht, als man durch Reibung Funken erzeugte oder durch Stromfluss Froschschenkel zucken ließ. Erst viel später wurde erkannt, dass beide zwei Erscheinungsformen derselben elementaren Kraft, des Elektromagnetismus, darstellen. Bewegt man einen Dauermagneten schnell in eine Spule hinein, dann induziert man in dieser einen elektrischen Strom. Umgekehrt kann man mit einem in einer Spule fließenden Strom magnetische Kräfte erzeugen und z.B. Eisen anziehen.
Diese Effekte werden heute in Generatoren genutzt, um aus mechanischer Energie elektrischen Strom zu erzeugen und umgekehrt in Motoren aus elektrischem Strom wieder mechanische Energie zu gewinnen. Magnetische und elektrische Wechselwirkungen breiten sich auch im Vakuum aus, die theoretische Beschreibung der Ausbreitung der wechselseitigen Abhängigkeit elektrischer und magnetischer Felder erfolgte durch Maxwell in dem heute ihm zu Ehren Maxwellsche Gleichungen genannten System von vier Formeln:
Mit diesen Gleichungen für die elektrische Flussdichte D, die elektrische Feldstärke E, die magnetische Flussdichte B und die magnetische Feldstärke H wird unter anderem die Ausbreitung elektromagnetischer Felder beschrieben, die z.B. die Grundlage für die Übertragung von Rundfunk- und Fernsehsignalen oder die Funktionsweise von Computern bilden. Aber im Zusammenhang mit den magnetischen Monopolen ist nur ein Detail wichtig: Während in zwei Gleichungen auf der rechten Seite "ist gleich Null" steht, enthalten die Terme in den beiden anderen Gleichungen dort eine Konstante.
Bildlich gesprochen handelt es sich bei den Feldern mit den Konstanten um Quellenfelder. Bei diesen beginnen die Feldlinien auf den positiven Ladungen und enden bei negativen Ladungen. Die magnetischen Feldlinien sind hingegen in sich geschlossen, es sind Wirbelfelder. Diese Asymmetrie ist merkwürdig, denn sie stört die Harmonie der Gleichungen.
In der Elementarteilchenphysik werden häufig Zusammenhänge und Wechselwirkungen bestimmter Messgrößen durch Teilchen beschrieben. Als kleinster Träger einer negativen Ladung ist das Elektron bekannt, das Proton trägt die entgegengesetzte positive Elementarladung. Man kann sich im einfachsten Modell also vorstellen, dass elektrische Feldlinie auf einem Proton beginnen und auf einem Elektron enden.
Um die Asymmetrie in den Maxwellschen Gleichungen zu beseitigen, schlug Paul Dirac bereits in den Dreißiger Jahren analog zu den elektrischen Elementarteilchen die bereits erwähnten magnetischen Monopole als neue Teilchenart vor. Diese führen dazu, dass auch in den Gleichungen der magnetischen Feldgrößen die rechten Seiten ungleich Null sind und aus den Wirbelfeldern Quellenfelder werden. Die Konsequenzen in den Gleichungen sind zum Beispiel in diesem PDF-Dokument beschrieben.
(Das auf der Spitze stehende Dreieck steht für "div", die Divergenz in den oben stehenden Gleichungen.)
Einige physikalische Theorien fordern zwingend die Existenz solcher magnetischer Monopole, allerdings haben sie sehr merkwürdige Konsequenzen, u.a. bezüglich der Zeitinvarianz. Im Allgemeinen ist es ja so, dass in vielen physikalischen Gesetzen die Zeitrichtung egal ist - allerdings nicht für die Entropie!
Wie kann man sich jetzt einen solchen magnetischen Monopol vorstellen? - Man nehme einen Sack normaler Stabdauermagneten und bohre in alle an einer Polseite ein Loch. Dann fädele man einen Strick durch alle Löcher und ziehe den Strick zusammen. Die Magnete werden heftigen Widerstand leisten, denn die gleich gepolten Magnete stoßen einander im Zentrum ab. Auch die freien Enden wollen nichts voneinander wissen, sodass nach dem Zusammenbinden eine Art Igel vor uns liegt. Drücken wir auf einen Magneten des Bündels, so schnippt er nach dem Loslassen wieder in seine ursprüngliche Lage zurück.
Da die magnetischen Kräfte mit dem Quadrat des Abstandes abnehmen, wirken die nach außen gerichteten Enden der Magnete stärker auf einen Probekörper, der sich von außen der Anordnung nähert, und zwar unabhängig von welcher Richtung er herangeführt wird. Dieser makroskopische Körper verhält sich also tatsächlich wie ein riesiger Monopol.
Und noch eine weitere Eigenschaft ist interessant: Um die Magneten aneinander zubinden, musste Arbeit gegen die Abstoßungskräfte aufgewandt werden, folglich muss ein magnetischer Monopol nach Einsteins E=mc² eine Masse besitzen. Auch das wird von der Theorie vorhergesagt. Solch ein Ding hätte also einen ziemlich realen Teilchencharakter.
So wie ich die Artikel zu den Experimenten verstanden habe, haben die Experimentatoren nicht viel anderes gemacht als ich, nur dass sie mit den Spins von Elektronen in einem Kristallgitter gearbeitet haben. Meiner Meinung nach sind das noch nicht die gesuchten "echten" Monopole, denn die müssten diese Eigenschaft konzentriert auf einen einzigen Raumpunkt haben, der keine Ausdehnung besitzt - so wie es für das Elektron mit der negativen elektrischen Elementarladung gilt.
Solange man das nicht hin bekommen bzw. nachgewiesen hat, darf an der tatsächlichen Existenz magnetischer Monopole (und der mit ihnen verbundenen theoretischen Schlussfolgerungen) weiter gezweifelt werden, auch wenn die Maxwellschen Gleichungen dann "schöner" wären und andere Theorien ein Stück weiter.
Kategorie: Physik
Das Bild soll zeigen, wie es erstmalig gelungen ist, mittels "Spin-Effekten" sogenannte "magnetische Monopole" zu erzeugen. Danach als Teaser des Spiegel-Artikels:
Sie sind wie Yin und Yang: Nord- und Südpol eines Magneten können nur zusammen auftreten. Doch einem Forscherteam mit deutscher Beteiligung ist es nun zum ersten Mal gelungen, diese Regel außer Kraft zu setzen - und sogenannte magnetische Monopole herzustellen.In dem Wikipediaartikel über magnetische Monopole wird der Erfolg des Experiments bezweifelt, aber um die Bedeutung zu verstehen, muss man sowieso etwas weiter ausholen:
Ursprünglich galten Magnetismus und Elektrizität als getrennte Phänomene. Dass man mit Hilfe von Dauermagneten Eisen anziehen kann, war wahrscheinlich bereits in der Antike bekannt, der elektrische Strom wurde erst viel später systematisch untersucht, als man durch Reibung Funken erzeugte oder durch Stromfluss Froschschenkel zucken ließ. Erst viel später wurde erkannt, dass beide zwei Erscheinungsformen derselben elementaren Kraft, des Elektromagnetismus, darstellen. Bewegt man einen Dauermagneten schnell in eine Spule hinein, dann induziert man in dieser einen elektrischen Strom. Umgekehrt kann man mit einem in einer Spule fließenden Strom magnetische Kräfte erzeugen und z.B. Eisen anziehen.
Diese Effekte werden heute in Generatoren genutzt, um aus mechanischer Energie elektrischen Strom zu erzeugen und umgekehrt in Motoren aus elektrischem Strom wieder mechanische Energie zu gewinnen. Magnetische und elektrische Wechselwirkungen breiten sich auch im Vakuum aus, die theoretische Beschreibung der Ausbreitung der wechselseitigen Abhängigkeit elektrischer und magnetischer Felder erfolgte durch Maxwell in dem heute ihm zu Ehren Maxwellsche Gleichungen genannten System von vier Formeln:
Mit diesen Gleichungen für die elektrische Flussdichte D, die elektrische Feldstärke E, die magnetische Flussdichte B und die magnetische Feldstärke H wird unter anderem die Ausbreitung elektromagnetischer Felder beschrieben, die z.B. die Grundlage für die Übertragung von Rundfunk- und Fernsehsignalen oder die Funktionsweise von Computern bilden. Aber im Zusammenhang mit den magnetischen Monopolen ist nur ein Detail wichtig: Während in zwei Gleichungen auf der rechten Seite "ist gleich Null" steht, enthalten die Terme in den beiden anderen Gleichungen dort eine Konstante.
Bildlich gesprochen handelt es sich bei den Feldern mit den Konstanten um Quellenfelder. Bei diesen beginnen die Feldlinien auf den positiven Ladungen und enden bei negativen Ladungen. Die magnetischen Feldlinien sind hingegen in sich geschlossen, es sind Wirbelfelder. Diese Asymmetrie ist merkwürdig, denn sie stört die Harmonie der Gleichungen.
In der Elementarteilchenphysik werden häufig Zusammenhänge und Wechselwirkungen bestimmter Messgrößen durch Teilchen beschrieben. Als kleinster Träger einer negativen Ladung ist das Elektron bekannt, das Proton trägt die entgegengesetzte positive Elementarladung. Man kann sich im einfachsten Modell also vorstellen, dass elektrische Feldlinie auf einem Proton beginnen und auf einem Elektron enden.
Um die Asymmetrie in den Maxwellschen Gleichungen zu beseitigen, schlug Paul Dirac bereits in den Dreißiger Jahren analog zu den elektrischen Elementarteilchen die bereits erwähnten magnetischen Monopole als neue Teilchenart vor. Diese führen dazu, dass auch in den Gleichungen der magnetischen Feldgrößen die rechten Seiten ungleich Null sind und aus den Wirbelfeldern Quellenfelder werden. Die Konsequenzen in den Gleichungen sind zum Beispiel in diesem PDF-Dokument beschrieben.
Einige physikalische Theorien fordern zwingend die Existenz solcher magnetischer Monopole, allerdings haben sie sehr merkwürdige Konsequenzen, u.a. bezüglich der Zeitinvarianz. Im Allgemeinen ist es ja so, dass in vielen physikalischen Gesetzen die Zeitrichtung egal ist - allerdings nicht für die Entropie!
Wie kann man sich jetzt einen solchen magnetischen Monopol vorstellen? - Man nehme einen Sack normaler Stabdauermagneten und bohre in alle an einer Polseite ein Loch. Dann fädele man einen Strick durch alle Löcher und ziehe den Strick zusammen. Die Magnete werden heftigen Widerstand leisten, denn die gleich gepolten Magnete stoßen einander im Zentrum ab. Auch die freien Enden wollen nichts voneinander wissen, sodass nach dem Zusammenbinden eine Art Igel vor uns liegt. Drücken wir auf einen Magneten des Bündels, so schnippt er nach dem Loslassen wieder in seine ursprüngliche Lage zurück.
Da die magnetischen Kräfte mit dem Quadrat des Abstandes abnehmen, wirken die nach außen gerichteten Enden der Magnete stärker auf einen Probekörper, der sich von außen der Anordnung nähert, und zwar unabhängig von welcher Richtung er herangeführt wird. Dieser makroskopische Körper verhält sich also tatsächlich wie ein riesiger Monopol.
Und noch eine weitere Eigenschaft ist interessant: Um die Magneten aneinander zubinden, musste Arbeit gegen die Abstoßungskräfte aufgewandt werden, folglich muss ein magnetischer Monopol nach Einsteins E=mc² eine Masse besitzen. Auch das wird von der Theorie vorhergesagt. Solch ein Ding hätte also einen ziemlich realen Teilchencharakter.
So wie ich die Artikel zu den Experimenten verstanden habe, haben die Experimentatoren nicht viel anderes gemacht als ich, nur dass sie mit den Spins von Elektronen in einem Kristallgitter gearbeitet haben. Meiner Meinung nach sind das noch nicht die gesuchten "echten" Monopole, denn die müssten diese Eigenschaft konzentriert auf einen einzigen Raumpunkt haben, der keine Ausdehnung besitzt - so wie es für das Elektron mit der negativen elektrischen Elementarladung gilt.
Solange man das nicht hin bekommen bzw. nachgewiesen hat, darf an der tatsächlichen Existenz magnetischer Monopole (und der mit ihnen verbundenen theoretischen Schlussfolgerungen) weiter gezweifelt werden, auch wenn die Maxwellschen Gleichungen dann "schöner" wären und andere Theorien ein Stück weiter.
Kategorie: Physik
Samstag, 05.September 2009
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