Richard Feynmanilta kysyttiin kerran hyvin samanlainen kysymys; miksi magneetit vetävät puoleensa? (Richard Feynman magneetit) hänen vastauksensa on kiehtova, selittää monia kerroksia tuohon kysymykseen. Tähän kysymykseen on jo muutamia erittäin mukavia vastauksia, joten haluaisin tarjota hieman ylimääräistä tulista kastiketta jo valmiiksi erinomaisiin vastauksiin.
magneetit tuntuvat kiehtovan ihmisiä jatkuvasti, koska koetut voimat näyttävät vaikuttavan etäältä. Olemme tottuneet käyttämään voimaa koskettamalla jotain ja meillä on luontainen ymmärrys siitä, mitä kosketus tarkoittaa. Sitä vastoin magneettien ilmaisemat voimat näyttävät johtuvan jostakin näkymättömästä asiasta, joka näennäisesti uhmaa ymmärrystä. Ei ihme, että erityisesti magnetismi ja magneetit yhdistetään usein tekaistuihin ja jopa vilpillisiin teknologioihin.
historiallisesta näkökulmasta katsottuna muinaiset löysivät ensin luonnossa esiintyviä magneetteja, joita käytettiin kompassien muotoiluun navigointiin. Myöhemmin huomattiin, että johtoa kantava virta tuotti kentän, joka sai kompassineulan suuntaamaan uudelleen, ja niin huomattiin, että johtimen virtaukseen liittyi magneettikenttä. Tiedettiin myös, että lataus tuotti toisen kentän, joka on sähkökenttä. Sähkökenttä itsessään ei vaikuttanut kompassineulaan, joten se saattaa vaikuttaa erilaiselta kentältä. Ne huomattiin kuitenkin pian saman alan eri osa-alueiksi. Tämä voidaan nähdä suhteellisuusteorian periaatteen avulla, koska staattinen varaus voidaan nähdä liikkuvana muutoksena liikkuvassa viitekehyksessä. Niinpä viitekehykseen liittyvällä kentällä, jossa on vain staattisia varauksia, pitäisi olla sama vaikutus (tai synnyttää sama voima) kuin liikkuvaan viitekehykseen liittyvällä kentällä, jossa varaus ei ole staattinen, vaan liikkuva ja siten tuottava magneettikenttä. Näin suhteellisuusteorian periaate yhdistää sekä sähkö-että magneettikentän yhdeksi sähkömagneettiseksi kentäksi. Tämä tukee klassista ymmärrystämme sähköstä ja magnetismista.
asia ei kuitenkaan ole vielä loppuun käsitelty, sillä magneetit eivät ole latautuneita, vaan tuottavat kahteen napaan liittyvän kentän, jolla merkitään Pohjois-ja etelänapaa. Muut vastaukset menevät erittäin mukava yksityiskohtaisesti kohdistetut magneettiset verkkotunnukset ja jopa taustalla atomiperiaate mukana.
kutsumme magneettikenttää dipolaariseksi, koska siinä on kaksi napaa. Klassisesti ympyrävirta synnyttää dipolaarisen kentän. Käytämme tätä ilmiötä sähkömagneettien tekemiseen.
jos tarkastellaan atomin Bohr-mallia, elektroneilla on kehämäiset orbitaalit, joten niiden oletetaan synnyttävän dipolaarisen magneettikentän. Tiedämme kuitenkin, että näin ei ole, koska atomit ovat kvanttikohteita ja sellaisina niitä ei voida liittää hyvin määriteltyihin klassisiin orbitaaleihin. Magneetin yksittäisillä atomeilla on kuitenkin siihen liittyvä magneettikenttä, ja ulkoinen kenttä, jonka havaitsemme, on osoitus siitä, että kaikki nämä kentät ovat linjassa.
on houkuttelevaa ajatella atomia yksittäisenä magneettina, joka käyttäytyy paljolti samalla tavalla kuin kompassineula, kun se sijoitetaan ulkoiseen magneettikenttään. Näin ei kuitenkaan ole. Atomit ovat kvanttikohteita ja niiden magneettiset ominaisuudet ovat itse asiassa kvanttitilaominaisuuksia. On vain niin, että kulmamomentti liittyy hyvin määriteltyyn kvanttilukuun, joka voi ottaa käyttöön vain diskreettejä puolilukuarvoja. Atomin magneettinen momentti on suoraan verrannollinen atomin kokonaiskiihtyvyyteen. Näin ollen jokainen atomin magneettisen momentin mittaus on itse asiassa atomien kulmamomentin mittaus, ja sillä on vain tietyt diskreetit arvot, ja vielä mielenkiintoisempaa on vain diskreetit suunnat! Tämä on selvästi kvanttikäyttäytymistä, ei klassista käyttäytymistä. Klassiselle dipolille sen avaruudellinen suunta voi ottaa minkä tahansa arvon, joka liittyy osoittamiseen mihin tahansa satunnaiseen suuntaan avaruudessa. Tämä tarjoaa keinon erottaa kvantti-ja klassinen kappale suoraan toisistaan. Tämä oli ensimmäinen uranuurtaja Stern Gerlachin kokeessa.
Stern Gerlachin koe toimi lähettämällä neutraaleja atomeja epäyhtenäisen magneettikentän läpi. Magneettikenttägradientti tuo vaihtelevan potentiaalin magneettisen Dipolin kohdistukseen, mikä johtaa kohdistuksesta riippuvaiseen voimaan, joka kääntää atomin polun kentän läpi. Jos jokainen atomi käyttäytyisi klassisen dipolimagneetin tavoin, sen satunnainen orientaatio avaruudessa johtaisi voimien tasaiseen jakautumiseen, mikä johtaisi atomipilven venymiseen kenttägradientin suuntaan. Laite kuitenkin mittaa atomin magneettisen momentin suunnan, joka kvantisoidaan, joten todellinen havaittu kuvio on, että atomipilvi jakautuu eri diskreeteiksi lohkoiksi. Tämä oli (ja on edelleen) hämmästyttävä osoitus kvanttiluonteesta atomien.
siksi nöyrä magneetti on paljon ihmeellisempi, miltä se aluksi näyttää. Se edustaa lukemattomien yksittäisten kvanttikohteiden linjausta, – jotta saamme tutun materiaalin, jolla liimaamme viestejä ja kuvia jääkaappiimme.
mennään vielä vähän pidemmälle. Magneettikenttä liittyy sähkövaraukseen. On olemassa erikoinen kvanttiominaisuus, spin, joka liittyy atomeja muodostavien yksittäisten hiukkasten magneettiseen momenttiin. Tässä emme voi edes kuvitella elektronin kiertävän ydintä, koska jokaisella atomin komponentilla on myös siihen liittyvä spin: elektronit, protonit ja neutronit. On houkuttelevaa ajatella näiden hiukkasten todella pyörivät niiden dipolaarinen akseli, mutta tämä ei ole oikein. Perushiukkasten tasolla ei voi sanoa muuta kuin että niillä on magneettinen momentti. Tämä voidaan itse asiassa osoittaa Stern Gerlachin kokeen kaltaisella laitteella. Perushiukkasilla spin on yksi puolikas ja mahdollisia orientaatioita on vain kaksi, jotka vastaavat ylös-tai alaspäin.
kaikissa tapauksissa hiukkaseen liittyy luontainen magneettinen momentti, jolla on sekä varaus että spin. Klassisista ominaisuuksista osoitettiin, että magneettikenttä on vain yksi Sähkökentän ilmentymä ja tämä edellyttää, että on olemassa varauksia. Itse asiassa vain spinillä varustetuilla varatuilla hiukkasilla odotettiin olevan magneettinen momentti. Neutronin magneettinen momentti pystyttiin kuitenkin suoraan mittaamaan, sillä sillä ei ole nettovarausta. Tämä merkittävä löytö on suora osoitus siitä, että neutroni ei ole perushiukkanen, vaan se on itsessään yhdistekvanttikappale. Kesti 20 vuotta, ennen kuin tämä todella ratkesi kvarkkimallilla. Niinpä juuri salaperäinen magnetismi johti hiukkasfysiikan kvarkkimallin kehittämiseen. Minusta tämä on aika uskomatonta!