Warum suchen die Physiker nach magnetischen Monopolen?
Wenn man ein Photon betrachtet, dann scheinen die magnetische und die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes symmetrisch zu sein. Das Photon ist ja das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Aber wenn man sich die Wirkungen geladener Teilchen ansieht (die langsamer als die Lichtgeschwindigkeit sind), dann ändert sich das Bild. Die heute gültige Beschreibung elektromagnetischer Felder liefern die Maxwellschen Gleichungen
. Zunächst zwei Bilder zu elektrischen und magnetischen Feldlinien aus der Wikipedia:
Das erste Bild zeigt das elektrische Feld zwischen jeweils einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung. Das zweite Bild zeigt die magnetischen Feldlinien um offenbar eine stromdurchflossene Spule.
Die elektrischen Feldlinien beginnen an einer Ladung und enden an der anderen Ladung. Das elektrische Feld ist ein Quellenfeld. Eine Ladung ist die Quelle der Feldlinien, die andere Ladung ist die Senke.
Die magnetischen Feldlinien sind in sich geschlossen, das Magnetfeld ist ein Wirbelfeld ohne Quellen und Senken.
Maxwell konnte die ursprünglich etwa 20 Gleichungen des Elektromagnetismus in einem Geniestreich auf die folgenden 4 Gleichungen eindampfen:
Dabei bedeutet E die elektrische Feldstärke und B die magnetische Flussdichte. My_0 ist eine Konstante für die magnetischen Eigenschaften des Vakuums, Epsilon_0 dasselbe für die dielektischen Eigenschaften des Vakuums. Die erste Gleichung für E zeigt, dass das elektrische Feld ein Quellenfeld ist, denn der Ausdruck auf der rechten Seite ist verschieden von Null. Demgegenüber ist in der ähnlichen zweiten Gleichung für das Magnetfeld der rechte Ausdruck gleich null.
Das dritte und das vierte Gesetz sind die Grundlage aller elektrischen Generatoren und Motoren. Das dritte Gesetz besagt, dass wenn sich ein Magnetfeld (B) zeitlich ändert, eine Spannung (E) erzeugt wird - und so ein Strom fließen kann. So funktioniert ein Generator: Man bewegt einen Magneten in einer Spule und induziert so eine Spannung in ihr.
Analog erzeugt laut der vierten Gleichung eine zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes (E) ein Magnetfeld (B). So funktioniert ein Motor: Man lässt in einer Spule einen Strom fließen, dieser erzeugt ein Magnetfeld, das anziehend oder abstoßend auf einen in der Nähe befindlichen Dauermagneten wirkt.
Auch hier tritt wieder eine Asymmetrie zwischen elektrischen und magnetischen Feldern zutage, denn laut der vierten Gleichung erzeugt bereits ein Gleichstrom (Stromdichte j) ein Magnetfeld, während ein ruhendes Magnetfeld keinen Strom in einem in der Nähe befindlichen Draht hervorruft.
Übrigens enthalten die Gleichungen implizit auch die Begründung dafür, dass sich alle elektromagnetischen Wellen und damit auch das Licht mit Licht-Geschwindigkeit ausbreiten, denn
Wenn es magnetische Monopole geben würde, dann würden sich die Maxwellschen Gleichungen so verändern, dass sie symmetrisch wären. Darüber gibt es einen Wikipediaeintrag
, aber dieser ist nicht so ergiebig.
Ein magnetischer Monopol ist ein gedachter Magnet, der nur einen Pol hat, also nur den Nord- oder nur den Süd-Pol. Nach seinen Wirkungen kann man sich einen einzelnen magnetischen Pol wie ein Ende eines langen Stabmagneten (siehe Polstärke) vorstellen, wenn dessen anderes Ende so weit entfernt ist, dass die von dort ausgehenden Kräfte vernachlässigbar klein sind.
In bestimmten Festkörpern sind elektronische Strukturen (Quasiteilchen) nachgewiesen worden, die einer Mischung von genau gleich vielen einzelnen und frei beweglichen Nord- und Südpolen ähneln. Diese werden zwar als magnetische Monopole bezeichnet, können aber nur paarweise, nicht einzeln auftreten und nicht als freie Teilchen existieren.
Ein wirklicher magnetischer Monopol, zu dem kein Gegenpol existiert, ist bisher nicht beobachtet worden. Wenn es ihn als Teilchen gäbe, wäre er Träger einer magnetischen Ladung entsprechend der elektrischen Ladung; magnetische Ladungen wären Quellen und Senken des magnetischen Feldes (siehe auch Monopol (Physik)). Überlegungen über solche magnetischen Monopole gab und gibt es in verschiedenen Bereichen der theoretischen Physik. In der beobachteten Natur kennt man jedoch bisher nur magnetische Felder mit geschlossenen Feldlinien, die keine Quellen und Senken besitzen.
In der Physik werden diverse Effekte im Standardmodell mit Symmetriebrüchen erklärt, und auch bei dieser Asymmetrie im Elektromagnetismus vermutet man, dass diese Ergebnis eines Symmetriebruchs im frühen Universum ist. Es könnte also sein, dass es magnetische Monopole unmittelbar nach dem Urknall, bei sehr viel höheren Temperaturen und Drücken, gegeben hat und diese dann zerfallen sind.
Man kann sich überlegen, dass ein solches Universum mit symmetrischen Maxwellschen Gleichungen ein ganz anderes wäre. Zum Beispiel wäre die Energieehaltung ein Problem. Würde die dritte Maxwellsche Gleichung um einen Term analog der vierten Gleichung ergänzt, dann würde in einer Spule bereits ein Strom zu fließen beginnen, wenn sie auch nur in der Nähe eines Magneten liegen würde. Woher sollte die Energie dafür stammen?
Warum suchen die Physiker nach magnetischen Monopolen?
Wenn man nach einer Vereinigung der vier Grundkräfte (Gravitation, starke und schwache Kernkraft, Elektromagnetismus) sucht und etwas über das frühe Universum herausfinden will, dann tauchen dort quasi zwangsläufig auch magnetische Monopole auf.