Richard Feynman byl jednou požádán o velmi podobnou otázku; proč magnety přitahují? (Richard Feynman magnety) jeho odpověď je fascinující, vysvětluje mnoho vrstev na tuto otázku. Na tuto otázku již existuje několik velmi pěkných odpovědí, takže bych rád nabídl trochu extra pikantní omáčky k již vynikajícím odpovědím.
zdá se, že magnety neustále fascinují lidi, protože se zdá, že zkušené síly působí na dálku. Jsme zvyklí aplikovat sílu dotykem něčeho a máme vrozené chápání toho, co dotyk znamená. Naproti tomu se zdá, že síly vystavené magnety jsou způsobeny nějakou neviditelnou věcí, která zdánlivě vzdoruje porozumění. Není divu, že zejména magnetismus a magnety jsou často spojovány s falešnými a dokonce podvodnými technologiemi.
z historického hlediska byly přirozeně se vyskytující magnety poprvé objeveny starci a používají se k výrobě kompasů, které mají být použity pro navigaci. Později bylo zjištěno, že proud nesoucí drát produkoval pole, které způsobilo přeorientování kompasové jehly, a tak bylo zjištěno, že s proudem v drátu je spojeno magnetické pole. Bylo také známo, že náboj produkoval další pole, kterým je elektrické pole. Elektrické pole samo o sobě nemělo žádný vliv na kompasovou jehlu, a tak se může zdát, že je to jiné pole. Brzy však bylo zjištěno, že se jedná o různé aspekty stejného oboru. To lze vidět pomocí principu relativity, protože statický náboj lze považovat za pohybující se změnu v pohyblivém referenčním rámci. Takže pole spojené s referenčním rámcem, kde jsou jen statické náboje, by mělo mít stejný účinek (nebo vyvolat stejnou sílu) jako pole spojené s pohyblivým referenčním rámcem, kde náboj není statický, ale pohybuje se a tím vytváří magnetické pole. Princip relativity tedy sjednocuje elektrické i magnetické pole do jednoho elektromagnetického pole. To je základem našeho klasického chápání elektřiny a magnetismu.
případ však ještě není uzavřen, protože magnety nejsou nabité, ale vytvářejí pole spojené se dvěma póly, které označujeme Severní a jižní póly. Další odpovědi jdou do velmi pěkných detailů o zarovnaných magnetických doménách a dokonce i o základním atomovém principu.
nazýváme magnetické pole dipolární, protože má dva póly. Klasicky Kruhový proud generuje dipolární pole. Tento efekt používáme k výrobě elektromagnetů.
pokud bychom uvažovali o Bohrově modelu atomu, elektrony mají kruhové oběžné dráhy, a proto by se očekávalo, že vytvoří dipolární magnetické pole. Víme však, že tomu tak není, protože atomy jsou kvantové objekty a jako takové nemohou být spojeny s dobře definovanými klasickými oběžnými dráhami. Nicméně jednotlivé atomy v magnetu mají přidružené magnetické pole a vnější pole, které pozorujeme, je projevem zarovnání všech těchto polí.
je lákavé uvažovat o atomu jako o individuálním magnetu, který se bude chovat stejně jako kompasová jehla, když se umístí do vnějšího magnetického pole. To však není tento případ. Atomy jsou kvantové objekty a jejich magnetické vlastnosti jsou ve skutečnosti vlastnosti kvantového stavu. Stává se tak, že moment hybnosti je spojen s dobře definovaným kvantovým číslem, které může nabývat pouze diskrétních polovičních celočíselných hodnot. Magnetický moment atomu je přímo úměrný celkovému momentu hybnosti atomu. Každé měření magnetického momentu atomu je tedy ve skutečnosti měřením momentu hybnosti atomů a bude mít pouze určité diskrétní hodnoty, a ještě zajímavěji, pouze diskrétní orientace! Toto je zjevně kvantové chování, ne klasické chování. U klasického dipólu může mít jeho prostorová orientace jakoukoli hodnotu spojenou s ukazováním v libovolném náhodném směru v prostoru. To poskytuje prostředek přímého rozlišení mezi kvantovým a klasickým objektem. Toto bylo poprvé průkopníkem Stern Gerlachova experimentu.
Stern Gerlachův experiment fungoval tak, že poslal neutrální atomy přes nerovnoměrné magnetické pole. Gradient magnetického pole zavádí měnící se potenciál pro zarovnání magnetického dipólu, což bude mít za následek sílu závislou na zarovnání, která odkloní dráhu atomu polem. Pokud by se každý atom choval jako klasický dipólový magnet, jeho náhodná orientace v prostoru by vedla k rovnoměrnému rozložení sil, což by vedlo k protažení atomového mraku ve směru gradientu pole. Přístroj však ve skutečnosti provádí orientační měření magnetického momentu atomu, který je kvantován, a tak skutečným pozorovaným vzorem je, aby se atomový mrak rozdělil na různé diskrétní parcely. To byla (a stále je) úžasná ukázka kvantové povahy atomů.
proto je pokorný magnet mnohem úžasnější, než se zdá. Představuje zarovnání nespočetného počtu jednotlivých kvantových objektů, abychom dali ten známý materiál, který používáme k přilepení zpráv a obrázků do naší ledničky.
pojďme to trochu dále. Magnetické pole je spojeno s elektrickým nábojem. Existuje zvědavá kvantová vlastnost zvaná spin, která je spojena s magnetickým momentem jednotlivých částic, které tvoří atomy. Zde si ani nedokážeme představit elektron obíhající kolem jádra, protože každá složka atomu má také přidružený spin: elektrony, protony a neutrony. Je lákavé myslet na tyto částice jako na to, že se skutečně točí kolem své dipolární osy, nicméně to není správné. Na úrovni základních částic nelze říci nic víc, než že mají magnetický moment. To lze ve skutečnosti prokázat v zařízení podobném zařízení Stern Gerlachova experimentu. U základních částic je rotace jedna polovina a existují pouze dvě možné orientace, odpovídající nahoru nebo dolů.
ve všech případech je vnitřní magnetický moment spojen s částicí, která má jak náboj, tak spin. Z klasických vlastností bylo prokázáno, že magnetické pole je jen dalším projevem elektrického pole, a to vyžaduje, aby byly přítomny náboje. Ve skutečnosti se očekávalo, že pouze nabité částice se spinem budou mít magnetický moment. Bylo však možné přímo měřit magnetický moment neutronu, který nemá žádný čistý náboj. Tento pozoruhodný objev je přímou známkou toho, že neutron není základní částicí, ale je sám o sobě složeným kvantovým objektem. Trvalo to 20 let, než to bylo skutečně vyřešeno pomocí modelu quark. Byl to tedy záhadný magnetismus, který vedl k vývoji kvarkového modelu částicové fyziky. Myslím, že je to docela úžasné!