Por que nosso Universo não tem monopolos magnéticos?
Linhas de campo magnético, como ilustrado por um ímã de barra: um dipolo magnético. Não existe um pólo magnético norte ou sul - um monopolo - por si só, no entanto. Crédito da imagem: Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Física Prática, The MacMillan Co., EUA, p. 242, fig. 200.
Temos cargas e correntes elétricas no eletromagnetismo, então por que não as magnéticas também?
É possível não cometer erros e ainda perder. Isso não é uma fraqueza. Isso que é vida. – Jean Luc Picard
Quando você fala sobre as forças fundamentais do universo, existem apenas quatro tipos diferentes: a força gravitacional, a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca. O que faz com que essas forças existam? Em cada caso, há uma propriedade fundamental subjacente da matéria que permite que as interações ocorram: um tipo de carga. Para gravidade, é massa; para eletromagnetismo, são cargas elétricas; para a força nuclear forte, são as cargas de cor; e para a força nuclear fraca, é hipercarga fraca. Mas não precisava ser assim! Pode ter havido não apenas cargas elétricas em jogo no eletromagnetismo, mas também cargas magnéticas. Por alguma razão, porém, nosso universo parece não ter nenhum, mesmo que a física possa permitir isso completamente. Nosso universo não é simétrico.
Crédito da imagem: Murdoch University em Perth, Austrália, via Jerri-Lee Matthews.
Na gravitação, a força que qualquer massa exerce sobre outra é igual e oposta à força exercida por essa segunda massa sobre a primeira. Para cargas elétricas, a mesma coisa é verdadeira, embora haja uma ressalva extra: a força elétrica pode ser positiva ou negativa, dependendo dos sinais das cargas. Além disso, a eletricidade está intimamente relacionada com outra força: o magnetismo.
Assim como a eletricidade tem cargas positivas e negativas, onde semelhante repele semelhante e opostos se atraem, o magnetismo possui pólos norte e sul, onde semelhante repele semelhante e opostos se atraem. Mas parece que o magnetismo é fundamentalmente diferente da eletricidade de uma maneira particular (e óbvia):
• Na eletricidade, você pode ter muitas cargas configuradas juntas ou pode ter uma carga positiva ou negativa isoladamente, como um elétron.
• Mas no magnetismo, você pode ter muitos polos configurados juntos, mas não pode ter um polo norte ou polo sul isolado sem o outro.
Na física, quando temos duas cargas ou polos opostos conectados, chamamos isso de dipolo, mas quando temos um sozinho, chamamos de monopolo.
Cargas gravitacionais e elétricas e suas forças. Crédito das imagens: Curso WikiPremed MCAT, via http://www.wikipremed.com/01physicscards.php .
Os monopolos gravitacionais são fáceis: é apenas uma massa. Os monopolos elétricos também são fáceis: qualquer partícula fundamental com carga, como um elétron ou um quark, serve. Mas monopolos magnéticos? Tanto quanto podemos dizer, eles não existem. Nosso universo seria surpreendentemente diferente, porém, se o fizessem. Pense, por um momento, como a eletricidade e o magnetismo estão relacionados.
Se você tem uma carga elétrica em movimento, também conhecida como corrente elétrica, ela cria um campo magnético perpendicular ao movimento da carga. Se você tem um fio reto com corrente elétrica fluindo através dele, ele produz um campo magnético em um círculo ao redor do fio, enquanto se você dobra o fio que transporta a corrente em um loop ou bobina, você cria um campo magnético dentro.
O conceito de indução eletromagnética, ilustrado através de um ímã de barra e um laço de fio. Crédito da imagem: Richard Vawter da Western Washington University, via http://faculty.wwu.edu/~vawter/physicsnet/topics/MagneticField/LenzLaw.html .
Como se vê, isso acontece nos dois sentidos; como eu disse, as leis da física tendem a ser simétricas. Isso significa que se eu tiver um laço (ou bobina) de fio e mudar o campo magnético dentro dele, isso criará uma corrente elétrica no laço, fazendo com que as cargas elétricas se movam! Este é o princípio da indução eletromagnética, descoberto por Michael Faraday há mais de 150 anos.
Então você pode ter cargas elétricas, correntes elétricas e campos elétricos, mas não há cargas magnéticas ou correntes magnéticas, apenas campos magnéticos. Você pode alterar um campo magnético para fazer as cargas elétricas se moverem, mas não pode fazer as cargas magnéticas se moverem alterando um campo elétrico porque não há cargas magnéticas. Da mesma forma, você pode criar um campo magnético movendo uma carga elétrica, mas não pode criar um campo elétrico movendo uma carga magnética, novamente porque não há cargas magnéticas.
Em outras palavras, há uma assimetria fundamental entre as propriedades elétricas e magnéticas do nosso universo. É por isso que as equações de Maxwell para campos E e B (campos elétricos e magnéticos) parecem tão diferentes umas das outras.
As equações de Maxwell no universo que temos hoje. Crédito da imagem: Ehsan Kamalinejad da Universidade de Toronto, via http://wiki.math.toronto.edu/TorontoMathWiki/index.php/File:Maxwell.png .
A razão pela qual essas equações parecem tão diferentes é porque as cargas elétricas (o ρ e o Q) e as correntes (o J e o I) existem, mas suas contrapartes magnéticas não. Se você as retirar – as cargas elétricas e as correntes – elas seriam simétricas, até um fator de algumas constantes fundamentais que as relacionam.
Mas e se existissem cargas e correntes magnéticas? Os físicos se perguntam sobre isso há mais de um século e, supondo que sim, poderíamos simplesmente escrever como seriam as equações de Maxwell se existissem monopolos magnéticos. Aqui está como seria (somente na forma diferencial), abaixo.
A versão simétrica elétrica/magnética das equações de Maxwell, onde existem fontes elétricas e magnéticas (e correntes). Crédito da imagem: Ed Murdock.
Novamente, exceto por algumas constantes fundamentais, as equações agora parecem muito simétricas! Seríamos capazes de fazer as cargas magnéticas se moverem simplesmente mudando os campos elétricos, seríamos capazes de criar correntes magnéticas e induzir campos elétricos simplesmente fazendo isso. Dirac brincou com eles na década de 1930, mas era geralmente reconhecido que eles deveriam deixar alguma assinatura para trás se existissem. Nada disso foi levado a sério, no entanto, porque a física é, em sua essência, uma experimental Ciência; sem qualquer evidência de monopolos magnéticos, é muito difícil justificá-los.
Mas isso começou a mudar na década de 1970. As pessoas estavam experimentando as Grandes Teorias Unificadas, ou as ideias de que poderia haver mais simetria com a natureza que vemos atualmente. As simetrias podem estar muito quebradas hoje, levando ao nosso universo que tem quatro forças fundamentais separadas, mas talvez todas elas tenham sido unificadas em alguma alta energia em uma força única? Uma consequência que todas essas teorias têm é a existência de novas partículas de alta energia e, em muitas encarnações, monopolos magnéticos (especificamente, monopolos Hooft/Polyakov ) foram previstos para existir.
O conceito de um monopolo magnético, emitindo linhas de campo magnético da mesma forma que uma carga elétrica isolada emitiria linhas de campo elétrico. Crédito da imagem: BPS States in Omega Background and Integrability — Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116.
Os monopolos magnéticos sempre foram uma possibilidade atraente para os físicos, mas essas novas teorias renovaram o interesse. Então, na década de 1970, havia buscas por eles, e a mais famosa foi liderada por um físico chamado Blas Cabrera. Ele pegou um longo fio e fez oito voltas com ele, projetadas para medir o fluxo magnético através dele. Se um monopolo passasse por ele, ele receberia um sinal de exatamente oito magnetons. Mas se um ímã dipolo padrão passasse por ele, ele receberia um sinal de +8 seguido imediatamente por um de -8, para que ele pudesse diferenciá-los.
Então ele construiu este dispositivo e esperou. O dispositivo não era perfeito e, ocasionalmente, um dos loops enviava um sinal e, em ocasiões ainda mais raras, dois loops enviavam um sinal ao mesmo tempo. Mas você precisaria de oito (e exatamente oito) para ser um monopolo magnético. O aparelho nunca detectou três ou mais. Esse experimento durou alguns meses sem sucesso e acabou sendo relegado a ser verificado apenas algumas vezes por dia. Em fevereiro de 1982, ele não apareceu no Dia dos Namorados. Quando voltou ao escritório no dia 15, surpreendentemente descobriu que o computador e o dispositivo haviam registrado exatamente oito magnetons em 14 de fevereiro de 1982.
Crédito da imagem: Cabrera B. (1982). Primeiros resultados de um detector supercondutor para mover monopolos magnéticos, Physical Review Letters, 48 (20) 1378–1381.
A descoberta ecoou pela comunidade, gerando uma imenso montante de juros. Dispositivos enormes com áreas de superfície maiores e mais loops foram construídos, mas apesar da extensa pesquisa, outro monopolo nunca foi visto. Stephen Weinberg chegou a escrever um poema a Blas Cabrera em 14 de fevereiro de 1983:
Rosas são vermelhas,
Violetas são azuis,
É hora do monopólio
Número dois!
Mas o monopolo número dois nunca veio. Foi apenas uma falha ultra-rara que o experimento de Cabrera experimentou? Foi o primeira e única monopolo magnético em nossa seção do universo que acabou de passar por seu detector? Como nunca detectamos outro, é impossível saber, mas a ciência precisa ser reproduzível para ser aceita. E esse experimento simplesmente não pôde ser replicado.
Hoje, os experimentos ainda procuram por eles, mas os limites são incrivelmente baixos.
Crédito da imagem: Astrofísica de neutrinos de alta energia: status e perspectivas — Katz, U.F. et ai. Prog.Part.Nucl.Phys. 67 (2012) 651-704.
Por mais bonita que seja, e por mais que possamos esperar, a natureza simplesmente não é simétrica, não em todos os níveis. E isso não é culpa de ninguém; é apenas a maneira como nosso universo acontece. Melhor aceitá-lo como realmente é – não importa o quão esteticamente agradável seria se fosse diferente – do que deixar nossas predisposições nos desviarem.
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