Richard Feynmannek egyszer nagyon hasonló kérdést tettek fel; miért vonzzák a mágnesek? (Richard Feynman mágnesek) a válasza lenyűgöző, elmagyarázza a kérdés sok rétegét. Már van néhány nagyon szép válasz erre a kérdésre, ezért szeretnék egy kis extra fűszeres mártást ajánlani az amúgy is kiváló válaszokhoz.
úgy tűnik, hogy a mágnesek folyamatosan lenyűgözik az embereket, mert a tapasztalt erők távolról hatnak. Megszoktuk, hogy valami megérintésével erőt alkalmazunk, és veleszületett megértésünk van arról, hogy mit jelent az érintés. Ezzel szemben úgy tűnik, hogy a mágnesek által mutatott erők valamilyen láthatatlan dolognak köszönhetők, amely látszólag dacol a megértéssel. Nem csoda, hogy a mágnesesség és különösen a mágnesek gyakran hamis, sőt csalárd technológiákkal társulnak.
történelmi szempontból a természetben előforduló mágneseket először az ősök fedezték fel, és a navigációhoz használt iránytűket használják. Később kiderült, hogy egy áramvezető huzal olyan mezőt hozott létre, amely az iránytű tűjét átirányította, így kiderült, hogy a huzalban mágneses mező van társítva az áramhoz. Az is ismert volt, hogy a töltés egy másik mezőt hozott létre, amely az elektromos mező. Maga az elektromos mező nem volt hatással az iránytű tűjére, ezért más mezőnek tűnhet. Azonban hamarosan felfedezték, hogy ugyanazon terület különböző aspektusai. Ez a relativitás elve alapján látható, mert a statikus töltés mozgó változásnak tekinthető egy mozgó referenciakeretben. Tehát a referenciakerethez társított mezőnek, ahol csak statikus töltések vannak, ugyanolyan hatással kell rendelkeznie (vagy ugyanazt az erőt kell kiváltania), mint a mozgó referenciakerethez társított mezőnek, ahol a töltés nem statikus, hanem mozog, és ezért mágneses mezőt hoz létre. Így a relativitás elve egyesíti mind az elektromos, mind a mágneses mezőt egy elektromágneses mezőbe. Ez alátámasztja az elektromosság és a mágnesesség klasszikus megértését.
az ügy azonban még nincs lezárva, mivel a mágnesek nem töltődnek, hanem két pólushoz kapcsolódó mezőt hoznak létre, amelyek az északi és a déli pólust jelölik. A többi válasz nagyon szép részletekbe megy az összehangolt mágneses doménekről, sőt a mögöttes atomi elvről is.
a mágneses mezőt dipolárisnak nevezzük, mert két pólusa van. Klasszikusan egy köráram dipoláris mezőt hoz létre. Ezt a hatást használjuk elektromágnesek készítésére.
ha figyelembe vesszük az atom Bohr-modelljét, akkor az elektronok körpályával rendelkeznek, így várhatóan dipoláris mágneses teret generálnak. Tudjuk azonban, hogy ez nem így van, mivel az atomok kvantumobjektumok, és mint ilyenek, nem társíthatók jól definiált klasszikus pályákhoz. Mindazonáltal a mágnes egyes atomjainak van egy kapcsolódó mágneses mezője, és a külső mező, amelyet megfigyelünk, az összes ilyen mező összehangolásának megnyilvánulása.
csábító úgy gondolni egy atomra, mint egy egyedi mágnesre, amely ugyanúgy viselkedik, mint egy iránytű tű, ha külső mágneses mezőbe helyezi. Ez azonban nem így van. Az atomok kvantumobjektumok, mágneses tulajdonságaik pedig valójában kvantumállapot-tulajdonságok. Csak úgy történik, hogy a szögimpulzus egy jól definiált kvantumszámhoz kapcsolódik, amely csak diszkrét fél egész értékeket vehet fel. Az atom mágneses momentuma egyenesen arányos az atom teljes szögmomentumával. Így egy atom mágneses momentumának bármilyen mérése valójában az atomok szögmomentumának mérése, és csak bizonyos diszkrét értékekkel rendelkezik, és még érdekesebb, hogy csak diszkrét orientációkkal rendelkezik! Ez nyilvánvalóan kvantum viselkedés, nem klasszikus viselkedés. A klasszikus dipólus esetében térbeli orientációja bármilyen értéket felvehet, amely a tér bármely véletlenszerű irányába mutat. Ez lehetővé teszi a kvantum és a klasszikus objektum közvetlen megkülönböztetését. Ezt először a Stern Gerlach kísérlet.
a Stern Gerlach kísérlet úgy működött, hogy semleges atomokat küldött egy nem egyenletes mágneses mezőn keresztül. A mágneses mező gradiense változó potenciált vezet be a mágneses dipólus igazításához, ami igazításfüggő erőt eredményez, amely eltéríti az atom útját a mezőn keresztül. Ha minden atom klasszikus dipólmágnesként viselkedne, akkor véletlenszerű térbeli orientációja az erők egyenletes eloszlását eredményezné, ami az atomfelhő nyújtását eredményezné a mező gradiensének irányában. Azonban a készülék valójában orientációs mérést végez az atom mágneses momentumáról, amely kvantált, így a tényleges megfigyelt minta az, hogy az atomi felhő különböző diszkrét parcellákra oszlik. Ez az atomok kvantum természetének megdöbbentő demonstrációja volt (és ma is az).
ezért a szerény mágnes sokkal csodálatosabb, mint amilyennek először látszik. Megszámlálhatatlan számú egyedi kvantumobjektum összehangolását jelenti, hogy ismerős anyagot kapjunk, amelyet arra használunk, hogy üzeneteket és képeket ragasszunk a hűtőszekrényünkre.
vegyük ezt egy kicsit tovább. A mágneses mező elektromos töltéssel van társítva. Van egy furcsa kvantumtulajdonság, az úgynevezett spin, amely az atomokat alkotó egyes részecskék mágneses momentumához kapcsolódik. Itt még azt sem tudjuk elképzelni, hogy egy elektron egy atommag körül kering, mert az atom minden egyes komponensének van egy kapcsolódó spinje: elektronok, protonok és neutronok. Csábító azt gondolni, hogy ezek a részecskék valójában a dipoláris tengelyük körül forognak, azonban ez nem helyes. Az alapvető részecskék szintjén nem lehet többet mondani, mint egy mágneses pillanat. Ez valójában a Stern Gerlach-kísérlethez hasonló berendezésben mutatható ki. Az alapvető részecskék esetében a spin fele, és csak két lehetséges irány van, amelyek felfelé vagy lefelé mutatnak.
minden esetben egy belső mágneses momentum olyan részecskéhez kapcsolódik, amely mind töltéssel, mind spinnel rendelkezik. A klasszikus tulajdonságokból kimutatták, hogy a mágneses mező csak egy újabb megnyilvánulása az elektromos mezőnek, és ehhez töltésekre van szükség. Valójában csak a spinnel töltött részecskéknek volt mágneses momentumuk. Lehetséges azonban közvetlenül mérni a neutron mágneses momentumát, amelynek nincs nettó töltése. Ez a figyelemre méltó felfedezés közvetlen jele annak, hogy a neutron nem alapvető részecske, hanem maga is összetett kvantumobjektum. 20 évbe telt, mire ezt ténylegesen megoldották a quark modellel. Így a titokzatos mágnesesség vezetett a részecskefizika kvark modelljének kifejlesztéséhez. Azt hiszem, ez elég csodálatos!