Pergunte a Ethan: O que os monopolos magnéticos significariam para o nosso Universo?

Os monopolos magnéticos começaram como uma mera curiosidade teórica. Eles podem ser a chave para entender muito mais.
Campos eletromagnéticos como seriam gerados por cargas elétricas positivas e negativas, tanto em repouso quanto em movimento (topo), bem como aqueles que teoricamente seriam criados por monopolos magnéticos (abaixo), caso existissem. ( Crédito : Maschen/Wikimedia Commons)
Principais conclusões
  • Em nosso Universo, temos muitas cargas elétricas, tanto positivas quanto negativas, mas nunca houve uma detecção robusta de uma carga magnética fundamental.
  • Esses monopolos magnéticos poderiam existir, em teoria, com um conjunto de consequências fascinantes para o nosso Universo, se o fizerem.
  • Mesmo que ainda não tenhamos visto um, eles são uma possibilidade que deve permanecer em consideração para físicos de mente aberta em todos os lugares. Aqui está o que todos deveriam saber.
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De todas as partículas conhecidas – tanto fundamentais quanto compostas – há uma enorme quantidade de propriedades que emergem. Cada quantum individual no Universo pode ter uma massa, ou podem ser sem massa. Eles podem ter uma carga de cor, o que significa que eles se acoplam à força forte, ou podem ser sem carga. Eles podem ter uma hipercarga fraca e/ou isospin fraco, ou podem ser completamente desacoplados das interações fracas. Eles podem ter uma carga elétrica, ou podem ser eletricamente neutros. Eles podem ter um spin, ou um momento angular intrínseco, ou podem não ter spin. E se você tem uma carga elétrica e alguma forma de momento angular, você também terá uma momento magnético : uma propriedade magnética que se comporta como um dipolo, com uma extremidade norte e uma extremidade sul.



Mas não há entidades fundamentais que tenham uma carga magnética única, como um pólo norte ou pólo sul por si só. Essa ideia, de um monopolo magnético, existe há muito tempo como uma construção puramente teórica, mas há razões para levá-la a sério como uma presença física em nosso Universo. Apoiador do Patreon Jim Nance escreve porque quer saber o porquê:



“Você falou no passado sobre como sabemos que o universo não ficou arbitrariamente quente porque não vemos relíquias como monopolos magnéticos. Você diz isso com muita confiança, o que me faz pensar, dado que ninguém nunca viu um monopolo magnético ou qualquer uma das outras relíquias, por que estamos confiantes de que eles existem?”



É uma pergunta profunda que exige uma resposta profunda. Vamos começar do início: voltando ao século 19.

Quando você move um ímã para dentro (ou fora) de um laço ou bobina de fio, isso faz com que o campo mude ao redor do condutor, o que causa uma força nas partículas carregadas e induz seu movimento, criando uma corrente. Os fenômenos são muito diferentes se o ímã estiver parado e a bobina for movida, mas as correntes geradas são as mesmas. Este foi o ponto de partida para o princípio da relatividade.
( Crédito : Openstax CNX, Erik Christensen)

Pouco se sabia sobre eletricidade e magnetismo no início do século XIX. Era geralmente reconhecido que existia uma carga elétrica, que vinha em dois tipos, onde cargas semelhantes se repeliam e cargas opostas se atraíam, e que cargas elétricas em movimento criavam correntes: o que conhecemos hoje como “eletricidade”. Também sabíamos sobre ímãs permanentes, onde um lado agia como um “pólo norte” e o outro lado como um “pólo sul”. No entanto, se você quebrar um ímã permanente em dois, não importa quão pequeno você o corte, você nunca terminará com um pólo norte ou um pólo sul sozinho; cargas magnéticas só vieram emparelhadas em um dipolo configuração.



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Ao longo de 1800, ocorreram várias descobertas que nos ajudaram a entender o universo eletromagnético. Aprendemos sobre indução: como cargas elétricas em movimento realmente geram campos magnéticos e como campos magnéticos variáveis, por sua vez, induzem correntes elétricas. Aprendemos sobre radiação eletromagnética e como cargas elétricas aceleradas podem emitir luz de vários comprimentos de onda. E quando juntamos todo o nosso conhecimento, aprendemos que o Universo não era simétrico entre campos e cargas elétricas e magnéticas: Equações de Maxwell possuem apenas cargas e correntes elétricas. Não há cargas ou correntes magnéticas fundamentais, e as únicas propriedades magnéticas que observamos surgem como sendo induzidas por cargas e correntes elétricas.



  simétrico É possível escrever uma variedade de equações, como as equações de Maxwell, que descrevem o Universo. Podemos escrevê-los de várias maneiras, mas somente comparando suas previsões com observações físicas podemos tirar qualquer conclusão sobre sua validade. É por isso que a versão das equações de Maxwell com monopolos magnéticos (direita) não corresponde à realidade, enquanto as sem (esquerda) sim.
( Crédito : Ed Murdock)

Matematicamente — ou se você preferir, de uma perspectiva da física teórica — é muito fácil modificar as equações de Maxwell para incluir cargas e correntes magnéticas: basta adicionar a capacidade de objetos também possuírem uma carga magnética fundamental: um indivíduo “norte” ou “sul” ” polo inerente ao próprio objeto. Quando você introduz esses termos extras, as equações de Maxwell sofrem uma modificação e se tornam completamente simétricas. De repente, a indução agora também funciona de outra maneira: cargas magnéticas em movimento gerariam campos elétricos, e um campo elétrico variável pode induzir uma corrente magnética, fazendo com que as cargas magnéticas se movam e acelerem dentro de um material que pode transportar uma corrente magnética.

Tudo isso foi simplesmente uma consideração fantasiosa por muito tempo, até que começamos a reconhecer os papéis que as simetrias desempenham na física e a natureza quântica do Universo. É eminentemente possível que o eletromagnetismo, em algum estado de energia mais alto, seja simétrico entre os componentes elétricos e magnéticos, e que vivamos em uma versão de baixa energia e simetria quebrada desse mundo. Embora Pierre Curie, em 1894 , foi um dos primeiros a apontar que “cargas” magnéticas poderiam existir, foi Paul Dirac, em 1931, quem mostrou algo notável: que se você tivesse uma única carga magnética, em qualquer lugar do Universo, então mecanicamente quântica implicava que cargas elétricas devem ser quantizadas em toda parte.



A diferença entre uma álgebra de Lie baseada no grupo E(8) (esquerda) e o Modelo Padrão (direita). A álgebra de Lie que define o Modelo Padrão é matematicamente uma entidade de 12 dimensões; o grupo E(8) é fundamentalmente uma entidade de 248 dimensões. Há muito que precisa desaparecer para recuperar o Modelo Padrão das Teorias das Cordas como as conhecemos.
( Crédito : Cjean42/Wikimedia Commons)

Isso é fascinante, porque não apenas as cargas elétricas são quantizadas, mas também são quantizadas em quantidades fracionárias quando se trata de quarks. Na física, uma das “dicas” mais poderosas que temos de que novas descobertas podem estar chegando é descobrir um mecanismo que poderia explicar por que o Universo tem as propriedades que observamos.

No entanto, nada disso fornece qualquer evidência de que os monopolos magnéticos realmente existam, simplesmente sugere que eles podem existir. Do lado teórico, a mecânica quântica foi logo substituída pela teoria quântica de campos, onde os campos também são quantizados. Para descrever o eletromagnetismo, um grupo de calibre conhecido como U(1) foi introduzido, e isso ainda é usado no presente. Na teoria de calibre, as cargas fundamentais associadas ao eletromagnetismo serão quantizadas somente se o grupo de calibre, U(1), for compacto; se o grupo de calibre U(1) for compacto, no entanto, obteremos monopolos magnéticos de qualquer maneira.



Novamente, pode haver uma razão diferente pela qual as cargas elétricas precisam ser quantizadas, mas parecia - pelo menos com o raciocínio de Dirac e o que sabemos sobre o Modelo Padrão - que não há razão para que os monopolos magnéticos não existam.



Este diagrama exibe a estrutura do modelo padrão (de uma forma que exibe os relacionamentos e padrões principais de forma mais completa e menos enganosa do que na imagem mais familiar baseada em um quadrado de partículas 4×4). Em particular, este diagrama mostra todas as partículas no Modelo Padrão (incluindo seus nomes de letras, massas, spins, lateralidade, cargas e interações com os bósons de calibre: ou seja, com as forças forte e eletrofraca). Ele também descreve o papel do bóson de Higgs e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca e como as propriedades das partículas restantes mudam como consequência.
( Crédito : Latham Boyle e Mardus/Wikimedia Commons)

Por muitas décadas, mesmo após inúmeros avanços matemáticos, a ideia de monopolos magnéticos permaneceu apenas uma curiosidade que pairava no fundo das mentes dos teóricos, sem que nenhum progresso substancial fosse feito. Mas em 1974, alguns anos depois que reconhecemos a estrutura completa do Modelo Padrão — que na teoria dos grupos, é descrito por SU(3) × SU(2) × U(1) — os físicos começaram a cogitar a ideia de unificação. Enquanto, em baixas energias, SU(2) descreve a interação fraca e U(1) descreve a interação eletromagnética, eles realmente se unem em energias de cerca de 100 GeV: a escala eletrofraca. Nessas energias, o grupo combinado SU(2) × U(1) descreve as interações eletrofracas, e essas duas forças se unem.

É possível, então, que todas as forças fundamentais se unam em alguma estrutura maior em altas energias? Eles podem, e assim a ideia das Grandes Teorias Unificadas começou a surgir. Grupos de calibre maiores, como SU(5), SO(10), SU(6), e até mesmo grupos excepcionais começaram a ser considerados. Quase imediatamente, no entanto, uma série de consequências perturbadoras, mas excitantes, começaram a surgir. Todas essas Grandes Teorias Unificadas previam que o próton seria fundamentalmente estável e decairia; que novas partículas superpesadas existiriam; e que, como mostrado em 1974 por Gerard t'Hooft e Alexander Polyakov , levariam à existência de monopolos magnéticos.



O conceito de um monopolo magnético, emitindo linhas de campo magnético da mesma forma que uma carga elétrica isolada emitiria linhas de campo elétrico. Ao contrário dos dipolos magnéticos, há apenas uma única fonte isolada, e seria um polo norte ou sul isolado sem contrapartida para equilibrá-lo.
( Crédito : K. Bulycheva et al., JHEP, 2012)

Agora, não temos provas de que as ideias da grande unificação sejam relevantes para o nosso Universo, mas, novamente, é possível que sejam. Sempre que consideramos uma ideia teórica, uma das coisas que procuramos são patologias: razões para que qualquer cenário que nos interesse “quebrar” o Universo de uma forma ou de outra. Originalmente, quando os monopolos de t’Hooft-Polyakov foram propostos, uma dessas patologia foi descoberta: o fato de que os monopolos magnéticos fariam algo chamado “overclose the Universe”.

No início do Universo, as coisas são quentes e energéticas o suficiente para que qualquer par partícula-antipartícula que você possa criar com energia suficiente - via Einstein E = mc² — será criado. Quando você tem uma simetria quebrada, você pode dar uma massa de repouso diferente de zero para uma partícula anteriormente sem massa, ou pode arrancar espontaneamente um grande número de partículas (ou pares partícula-antipartícula) do vácuo quando a simetria quebra. Um exemplo do primeiro caso é o que acontece quando a simetria de Higgs quebra; o segundo caso pode ocorrer, por exemplo, quando a simetria Peccei-Quinn se rompe, puxando áxions para fora do vácuo quântico.



Em ambos os casos, isso pode levar a algo devastador.

  singularidade Se o Universo tivesse apenas uma densidade de matéria ligeiramente maior (vermelho), ele estaria fechado e já teria colapsado; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor (e curvatura negativa), teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. O Big Bang, por si só, não oferece nenhuma explicação sobre por que a taxa de expansão inicial no momento do nascimento do Universo equilibra a densidade total de energia tão perfeitamente, não deixando espaço para curvatura espacial e um Universo perfeitamente plano. Nosso Universo parece perfeitamente plano espacialmente, com a densidade de energia total inicial e a taxa de expansão inicial se equilibrando em pelo menos mais de 20 dígitos significativos. Podemos ter certeza de que a densidade de energia não aumentou espontaneamente em grandes quantidades no início do Universo pelo fato de não ter entrado em colapso.
( Crédito : Tutorial de cosmologia de Ned Wright)

Normalmente, o Universo se expande e esfria, com a densidade geral de energia intimamente relacionada à taxa de expansão em qualquer ponto no tempo. Se você pegar um grande número de partículas anteriormente sem massa e dar a elas uma massa diferente de zero, ou você adicionar repentina e espontaneamente um grande número de partículas massivas ao Universo, você aumentará rapidamente a densidade de energia. Com mais energia presente, de repente a taxa de expansão e a densidade de energia não estão mais em equilíbrio; há muitas “coisas” no Universo.

Isso faz com que a taxa de expansão não apenas diminua, mas, no caso da produção monopolo, despenque até zero e então comece a se contrair. Em pouco tempo, isso leva a um colapso do Universo, terminando em um Big Crunch. Isso é chamado de superfechamento do Universo, e não pode ser uma descrição precisa da nossa realidade; ainda estamos aqui e as coisas não voltaram a entrar em colapso. Esse quebra-cabeça ficou conhecido como o problema do monopólio , e foi uma das três principais motivações para a inflação cósmica.

Assim como a inflação estica o Universo, qualquer que fosse sua geometria anterior, para um estado indistinguível de plano (resolvendo o problema da planicidade), e transmite as mesmas propriedades em todos os lugares para todos os locais dentro do nosso Universo observável (resolvendo o problema do horizonte), desde que o O universo nunca volta a aquecer acima da grande escala de unificação após o término da inflação, ele também pode resolver o problema do monopolo.

Se o Universo inflasse, então o que percebemos como nosso Universo visível hoje surgiu de um estado passado que estava causalmente conectado à mesma pequena região inicial. A inflação esticou essa região para dar ao nosso Universo as mesmas propriedades em todos os lugares (acima), fez sua geometria parecer indistinguível da plana (meio) e removeu quaisquer relíquias pré-existentes inflando-as (abaixo). Contanto que o Universo nunca volte a aquecer a temperaturas altas o suficiente para produzir monopolos magnéticos novamente, estaremos a salvo do fechamento excessivo.
( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)

Isso foi entendido caminho de volta em 1980 , e o interesse combinado em monopolos de t'Hooft-Polyakov, grandes teorias unificadas e os primeiros modelos de inflação cósmica levaram algumas pessoas a embarcar em um empreendimento notável: tentar detectar monopolos magnéticos experimentalmente. Em 1981, o físico experimental Blas Cabrera construiu um experimento criogênico envolvendo uma bobina de fio, explicitamente projetada para procurar monopolos magnéticos.

Ao construir uma bobina com oito voltas, ele raciocinou que, se um monopolo magnético passasse pela bobina, ele veria um sinal específico devido à indução elétrica que ocorreria. Assim como passar uma extremidade de um ímã permanente para dentro (ou para fora) de uma bobina de fio induzirá uma corrente, passar um monopolo magnético através dessa bobina de fio deve induzir não apenas uma corrente elétrica, mas uma corrente elétrica que corresponde exatamente a 8 vezes o valor teórico da carga do monopolo magnético, devido aos 8 loops em sua configuração experimental. (Se um dipolo passasse, em vez disso, haveria um sinal de +8 seguido logo depois por um sinal de -8, permitindo que os dois cenários fossem diferenciados.)

Em 14 de fevereiro de 1982, ninguém estava no escritório monitorando o experimento. No dia seguinte, Cabrera voltou e ficou chocado com o que observou. O experimento havia registrado um único sinal: um que correspondia quase exatamente ao sinal que um monopolo magnético deveria produzir.

Em 1982, um experimento conduzido por Blas Cabrera, um com oito espiras de fio, detectou uma mudança de fluxo de oito magnetons: indícios de um monopolo magnético. Infelizmente, ninguém estava presente no momento da detecção e ninguém jamais reproduziu esse resultado ou encontrou um segundo monopolo. Ainda assim, se a teoria das cordas e esse novo resultado estiverem corretos, os monopolos magnéticos, não sendo proibidos por nenhuma lei, devem existir em algum nível.
( Crédito : B. Cabrera, Phys. Rev. Lett, 1982)

Isso desencadeou um enorme interesse na empreitada. Isso significava que a inflação estava errada e que realmente tínhamos um Universo com monopolos magnéticos? Isso significava que a inflação estava correta e o único (no máximo) monopolo que deveria permanecer em nosso Universo passou pelo detector de Cabrera? Ou isso significava que isso era o máximo em erros experimentais: uma falha, uma brincadeira ou qualquer outra coisa que não podíamos explicar, mas era espúrio?

Seguiram-se vários experimentos imitadores, muitos dos quais eram maiores, duravam mais tempo e tinham um número maior de voltas em suas bobinas, mas ninguém mais viu nada que se assemelhasse a um monopolo magnético. Em 14 de fevereiro de 1983, Stephen Weinberg escreveu um poema de Dia dos Namorados para Cabrera, que dizia:

'Rosas são vermelhas,
Violetas são azuis,
É hora do monopólio
Número dois!'

Mas, apesar de todos os experimentos que já realizamos, incluindo alguns que continuaram até os dias atuais, não houve outros sinais de monopolos magnéticos já vistos. O próprio Cabrera liderou vários outros experimentos, mas talvez nunca saibamos o que realmente aconteceu naquele dia em 1982. Tudo o que sabemos é que, sem a capacidade de confirmar e reproduzir esse resultado, não podemos afirmar que temos evidências diretas da existência de monopolos magnéticos.

Estas são as restrições modernas disponíveis, de uma variedade de experimentos em grande parte impulsionados pela astrofísica de neutrinos, que colocam os limites mais apertados na existência e abundância de monopolos magnéticos no Universo. O limite atual está muitas ordens de magnitude abaixo da abundância esperada se a detecção de Cabrera em 1982 fosse normal, em vez de um valor discrepante.
( Crédito : U. F. Katz & Ch. Spiring, Prog. Papel. Nuclear. Física, 2012)

Há muito que não sabemos sobre o Universo, incluindo o que acontece em energias muito superiores às que podemos observar nas colisões que ocorrem no Grande Colisor de Hádrons. Não sabemos se, em alguma escala de alta energia, o Universo pode realmente produzir monopolos magnéticos; simplesmente sabemos que nas energias que podemos sondar, não as vimos. Não sabemos se a grande unificação é uma propriedade do nosso Universo nos estágios iniciais, mas sabemos uma coisa: o que quer que tenha ocorrido no início, não fechou demais o Universo e não encheu nosso Universo com esses restos , relíquias de alta energia de um estado quente e denso.

Nosso Universo, em algum nível, admite a existência de monopolos magnéticos? Essa não é uma pergunta que possamos responder agora. O que podemos afirmar com confiança, no entanto, é o seguinte:

  • há um limite superior para a temperatura alcançada nos estágios iniciais do quente Big Bang,
  • esse limite é definido por restrições nas observações de ondas gravitacionais que deve ser gerado pela inflação,
  • e que se a grande unificação é relevante para o nosso Universo, só é permitido ocorrer em escalas de energia acima desse limite,
  • significando que se existem monopolos magnéticos, eles são obrigados a ter uma massa de repouso muito alta: algo na ordem de 10¹⁵ GeV ou superior.

Já se passaram quase 40 anos desde que a única pista experimental que indicava a possível existência de monopolos magnéticos simplesmente caiu em nosso colo. Até que uma segunda pista apareça, no entanto, tudo o que poderemos fazer é apertar nossas restrições sobre onde esses monopolos hipotéticos não podem se esconder.

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