In der Serie „Fragen zur Astronomie“ geht es heute wieder mal um Teilchenphysik. An hypothetischen Partikeln herrscht in der Wissenschaft ja kein Mangel; in den Fachartikeln der Theoretikerinnen und Theoretiker existieren mehr Teilchen deren Existenz man vermutet als tatsächlich nachgewiesene Objekte. Zu den prominentesten Hypothesen gehört etwas, das man schon seit fast 100 Jahren sucht… Die heutige Frage beschäftigt sich damit und lautet: Was ist ein magnetischer Monopol?
Magnete kennen wir aus dem Alltag. Sie haben einen Nordpol und einen Südpol und jeder weiß, dass sich zwei unterschiedliche Pole eines Magneten anziehen; zwei gleich Pole dagegen abstoßen. Ein Magnet hat aber immer zwei unterschiedliche Pole. Es hilft auch nichts, wenn man ihn in der Mitte auseinander schneidet: Man bekommt so nur zwei kleinere Magnete mit wieder jeweils zwei unterschiedlichen Polen. Ein magnetischer Monopol wäre ein hypothetisches Objekt oder Teilchen, dass tatsächlich nur einen einzigen Pol hat; ein isolierter Nord- oder Südpol.
Das ist nicht so seltsam, wie es klingt. Bei der elektrischen Kraft ist das völlig normal. Hier gibt es elektrisch positive Ladungen und elektrisch negative Ladungen und beide können komplett getrennt voneinander existieren. Und Magnetismus ist ja auch nur eine andere Erscheinungsform der Elektrizität – nicht umsonst werden beide Kräfte schon seit dem 19. Jahrhundert zusammen als Elektromagnetismus beschrieben. Ein „elektrischer Monopol“ wäre zum Beispiel das Elektron, ein Elementarteilchen das negativ geladen ist. Ein bewegtes Elektron erzeugt ein Magnetfeld. Und genau so würde ein bewegter magnetischer Monopol ein elektrisches Feld erzeugen. Ein magnetischer Monopol wäre für den Magnetismus das, was das Elektron für die Elektrizität ist. Wenn es ihn denn gäbe…
Dieses Symmetrie-Argument bildet auch den Ausgangspunkt der modernen Beschäftigung mit magnetischen Monopolen. Der bedeutende Physiker Paul Dirac hat sich in den 1930er Jahren Gedanken über die berühmten Maxwellschen Gleichungen gemacht. Sie beschreiben wie Elektrizität und Magnetismus sich zusammen verhalten und sie gehören zwar zu den ästhetisch schönsten mathematischen Gleichungen; sind aber trotzdem seltsam asymmetrisch. Man muss sie gar nicht im Detail verstehen können, um das zu erkennen. So sehen sie aus:
„E“ gibt dabei die Stärke des elektrischen Feldes an, „B“ die des magnetischen. Das Symbol ρe beschreibt die elektrischen Ladungen; je ist die elektrische Stromdichte. Betrachtet man die beiden Gleichungen in der erste Zeile, sieht man sofort den Unterschied. Aus der Mathematik übersetzt bedeuten sie: „Die elektrische Ladung ist eine Quelle des elektrischen Feldes“ und „Es gibt keine Quellen des magnetischen Feldes“. Anders gesagt: Wäre eine elektrisch positive Ladung eine Quelle und eine elektrisch negative Ladung eine Senke im elektrischen Feld darstellt, gibt es das beim Magnetfeld nicht. Hier gibt es keine Quellen und Senken sondern nur geschlossene magnetischen Feldlinien und vor allem keine magnetischen Monopole. In den beiden Gleichungen der zweiten Zeile zeigt sich die gleiche Asymmetrie. Würde man nun die Existenz von magnetischen Monopolen zulassen, würden die Gleichungen so aussehen:
Sie sind jetzt völlig symmetrisch; neben elektrischen Ladungen und Stromdichten gibt es dank der Monopole auch magnetische Ladungen und Stromdichten. Dieses rein ästhetische Argument fand Dirac durchaus ansprechend; er hatte aber noch ein viel gewichtigeres physikalisches Argument um von der Existenz magnetischer Monopole auszugehen. Wir wissen, dass die elektrische Ladung nicht in beliebigen Größen vorkommen kann. Sondern nur als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung. Das ist die kleinstmögliche frei existierende Ladungsmenge. Ein Elektron hat genau eine negative Elementarladung; ein Proton genau eine positive Elementarladung, und so weiter. Ein Teilchen kann zwei, drei oder 756 Elementarladungen haben. Aber nicht 13,76 oder 5,5. Warum das so ist, weiß man bis heute nicht. Dirac hatte allerdings eine Lösung.
Wenn es einen magnetischen Monopol gibt, dann muss sich ein Elektron auf einer spiralförmigen Bahn um ihn herum bewegen wenn es ihm begegnet. Dabei ändert sich der Drehimpuls des Elektrons. Wie stark die Änderung ist, hängt von der Stärke der magnetischen Elementarladung des Monopols ab. Aus der Quantenmechanik weiß man aber auch, dass sich der Drehimpuls nicht beliebig ändern kann, sondern nur in bestimmten – eben quantisierten – Schritten. Daraus folgt, dass auch die magnetische Ladung nur ganz bestimmte Werte annehmen darf, ansonsten wäre die quantisierte Änderung des Drehimpuls verletzt. Aber wenn magnetische Monopole nur bestimmte Werte für die magnetische Ladung haben können, dann muss das gleiche (wieder die Symmetrie der Maxwell-Gleichungen) auch für die elektrischen Ladungen gelten.
Es gibt also gute Gründe für die Existenz magnetischer Monopole. Mit der modernen Kosmologie sind noch ein paar weitere dazu gekommen. Die Theorien, die beschreiben wie sich die verschiedenen Grundkräfte des Universums in der Frühzeit des Kosmos verhalten haben, sagen die Existenz von Monopolen ebenfalls voraus. Bis jetzt allerdings hat noch niemand so einen Monopol auch nachgewiesen (Kurze Anmerkung: In der Festkörperphysik kann man Zustände erzeugen, bei denen sich Objekte so verhalten, als wären sie magnetische Monopole – das hat aber nichts mit den Monopolen zu tun, um die es hier geht).
Das kann viele Gründe haben. Die vorhergesagte Masse eines Monopols ist enorm groß; zumindest für ein Elementarteilchen. So enorm groß, dass es völlig illusorisch wäre darauf zu hoffen, ihn jemals in einem Teilchenbeschleuniger erzeugen und nachweisen zu können. Denn dort können ja nur Teilchen auftauchen, deren Masse geringer ist als die entsprechende Energie, die bei den Kollisionen im Beschleuniger frei wird. Aber selbst die Energien die momentan im größten Beschleuniger den wir haben – der LHC am CERN – möglich sind, sind knapp eine Billion mal zu gering dafür. Theoretisch können Monopole auch durch natürliche Prozesse im Kosmos erzeugt werden. Beim Urknall sollten jede Menge davon produziert werden. Die haben sich aber während der Expansionsphase überall verteilt und sind heute extrem dünn gesät. Schätzungen gehen davon aus, dass im ganzen Bereich des Sonnensystems vielleicht gerade mal um die 100 davon herumschwirren. Das macht ihren Nachweis mehr oder weniger unmöglich. Was die Wissenschaftler aber nicht davon abhält, es weiter zu probieren. In verschiedenen Experimenten wird nach den Monopolen gesucht; zum Beispiel bei MoEDAL (Monopole & Exotics Detector at the LHC) am Teilchenbeschleuniger LHC.
Es ist natürlich auch absolut möglich, dass es keine magnetischen Monopole gibt. Die besten theoretischen Vorhersagen und die schönsten Symmetrie-Argumente nutzen nichts, wenn die Realität nicht mitspielen möchte. Es spricht (noch) nichts dagegen, dass Monopole existieren. Es spricht (noch) einiges dafür, dass das so ist. Aber solange sich daran nichts ändert, kann man die Frage vom Anfang eigentlich nur so beantworten: Ein magnetischer Monopol ist ein hypothetisches Elementarteilchen, das vielleicht existiert, vielleicht aber auch nicht.
Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.
„Ein Magnet hat aber immerElektromagnetismus beschrieben.“
Da scheint ein Teil des Satzes verschwunden zu sein.
Wenn ich das richtig verstehe, dann sieht die Änderung der Maxwellgleichungen beeindruckend aus, hat aber für Rechnungen mit ihnen so gut wie keine Auswirkung. Auf diesen Gleichungen basiert immerhin ein Großteil der modernen Technologie, wenn ρ und j sich wesentlich* von 0 unterscheiden würde, hätten wir das ja schon gemerkt.
Oder würden die veränderten Maxwellgleichungen nur bei der Berechnung von Monopolen eine Rolle spielen?
*Also eine Änderung, welche größer als übliche Ungenauigkeiten ist.
Und bevor Missverständnisse entstehen: Es wäre natürlich trotzdem eine super Sache mag. Monopole zu finden.
Zufällig hab ich die Spektrum der Wissenschaft von 6/82 hier. Da ist ein Artikel „Die Suche nach den magnetischen Monopolen“ drin(ab S.78) :
Recht interessant. Wird ich heut abend noch mal gründlich lesen.
Könnte es nicht sein dass alle magnetischen Monopole auf Grund ihrer geringen Halbwertszeit schon zerfallen sind und die Zerfallsprodukte Dipole sind?
Für die magnetische Ladung müsste auch ein Erhaltungssatz gelten und dann kann aus ±1 nicht Null werden. Ein kleinstes, nicht weiter zerfallendes Teilchen ist da Pflicht.
Interessant. Mir hat mal jemand erzählt, dass ein japanischer Physikprofessor einen magnetischen Monopol gebaut hätte und zwar so: Man nehme einen haufen kurzer Metallstäbe (vierkant oder rechteckig) die man so zuschneidet, dass man sie zu einer Kugel zusammen kleben kann. Also eine Sammlung von Pyramiedenstümpfen. Anschliessend magnetisiert man die so, dass sich bei allen Pyramiedenstümpfen der eine Pol an der dickeren Seite und der andere an der dünneren Seite befindet. Die so erhaltenen Magnete klebt man nun zu einer Kugel zusammen, wobei man die gleichartien Pole dazu zwingt, sich nicht voneinander abzustossen. (Keine Ahnung, wie das funktionieren soll.) Wenn man dass geschafft hat, hat man damit einen kugelförmigen Magneten, der den einen Pol im Innenen der Kugel hat, den anderen an der Aussenseite und somit einen magnetischen Monopol.
Ich halte das ganze zwar für eine interessante Bastelarbeit, aber physikalisch für ziemlichen Schwachsinn, weil sich der Gegenpol ja im inneren der Kugel befindet. Und überhaupt stellt sich dabei die Frage, wie bei diesem Ding denn die Feldlinien verlaufen sollen?
Später haben mir andere, die den Typ, der diese Geschichte zum Besten gab, schon länger kennen, gesagt, das man bei ihm immer zwischen dem unterscheiden muss, was er erzählt, und dem, was er tatsächlich baut. Letzteres kann sich dabei schon sehen lassen, ersteres muss nicht unbedingt immer Sinnvoll sein.
@Hans
Ach, noch einer. Tatsächlich habe ich das auch mal versucht, allerdings mit wesentlich einfacheren Mitteln. Es scheitert einfach daran, dass man den letzten Magneten mit keiner noch so großen Kraft auf seinen Platz bringt.
Michael Faraday hätte es so erklärt: die magnetische Feldlinie ist immer geschlossen, während die elektrische stets offen ist. Bei obiger Konstruktion nimmt man nun der magnetischen Feldlinie die Möglichkeit, sich zu schließen. Somit ist das unmöglich.
Heute wird man etwas belächelt, wenn man mit Feldlinien argumentiert. Die Physiker sehen das als pädagogischen Trick für Kinder, wenn ich das recht sehe. Offiziell entsorgt wurden die Feldlinien aber nicht. Wie muss man denn das sehen?
Jedenfalls sind Feldlinien zur Erklärung der Phänomene immer höchst hilfreich. Weiß da jemand etwas?
Ein Teilchen kann also nur 2,3 oder genau 756 Elementarladungen haben? keine andere ganzen Zahlen als diese 3?
Wie hat man das festgestellt/gemessen?
@ Laie, doch es kann jede ganze Zahl von 1 bis unendlich sein, bloß nicht alle reellen Zahlen.
??? Ich bin verwirrt: https://www.scinexx.de/wissen-aktuell-17158-2014-01-31.html
@Karla
WoW! Jede beliebige positive ganze Zahl! Also sind wenigstens komplexe Zahlen ohne den ganzen ausgeschlossen. Wie bekommt man (experimentiell) eine Ladung von betragsmäßig größer 1 auf ein Teilchen?
Mit dem kleinen Löffelchen nach und nach einfüllen, Laie, frag zB ein passendes Δ-Baryon.
Aha, na gut. Solange sie nicht zerfallen, und ich wüsste, wie man sie herstellt, könnte man so einen Apparat schon bauen. Als Output ein elektrischer Super-Kondensator, das wäre was! Technologisch wirds wohl erst in ein paar 100 Jahren gehen? 🙂
@Willi
Im Artikel wird gesagt, dass dies gerade kein echter magnetischer Monopol sei: „Wir wollen unsere Versuche fortführen, um vollkommen gleiche Eigenschaften wie beim echten magnetischen Monopol zu erreichen.“
@Willi: Ich hab ja auch angemerkt, dass es in der Materialwissenschaft Dinge gibt, die sich so verhalten wie Monopole, aber keine sind. Das ist ein Beispiel dafür.
Gibt es irgendeinen Grund für die Annahme, man könne magnetische Monopole bevorzugt am magnetischen Nordpol der Erde finden? So, wie in der populärwissenschaftlichen Fernsehserie „The Big Bang Theory“, Folge 2/23 „The Monopolar Expedition“ postuliert?
Ja sicher doch, schorsch. Genauso, wie wir seit ‚Tom und Jerry‘ wissen, daß Mäuse möbliert wohnen.
@Schorsch, rolak:
Ähm, doch.
Den Grund gibt es tatsächlich. Nämlich wenn man nach magnetischen Monopolen in der kosmischen Strahlung sucht – was der Grund für die Expedition unserer Lieblings-Nerds war, wenn ich mich recht erinnere.
Hier gibts dazu was zu lesen:
https://thebigblogtheory.wordpress.com/2009/09/20/s02e03-the-monopolar-expedition/
Nuja, PDP10, dort ist zum Thema zu lesen „Sheldon’s idea was to use the Earth’s magnetic field as a funnel“ – erstaunlicherweise ist zB der Kamiokande dann doch woanders gebaut worden. Soviel zu TV-Serien-Belegen zu ‚bevorzugt‘ ;‑)
Selbstverständlich können tolle Argumente mich jederzeit von der bisherigen Meinung abbringen.
@rolak:
Ich muss dir aber jetzt nicht ernsthaft erklären, dass das eine Fernsehserie ist? :-).
@schorschens Frage war ob es irgendeinen Grund gäbe, dass man magnetische Monopole bevorzugt am magnetischen Nordpol finden könnte.
Und die Antwort ist, ja das ist absolut plausibel, wenn man davon ausgeht, dass man selbige in der kosmischen Strahlung findet. Davon kommt nämlich am meisten an den Magnetpolen der Erde in der Atmosphäre an.
Wenn Sheldon also unbedingt seine Monopole in der kosmischen Strahlung finden will, wäre die Ausbeute an den magnetischen Polen der Erde wohl am höchsten. (Dass sein Institutschef sich was anderes dabei gedacht hat Sheldon zum Nordpol zu schicken lassen wir jetzt mal kurz beiseite …)
Die Grundannahme der Geschichte ist jedenfalls weit plausibler, als dass Mäuse in Behausungen mit winzigen Möbeln wohnen samt Miniblumensträussen in Minivasen und Minifarbfernsehern … :-).
@rolak:
Nachtrag:
Kamiokande ist da übrigens ein ganz schlechtes Beispiel, weil man den extra tief in der Erde verbuddelt hat um kosmische Strahlung abzuschirmen.
Aus dem gleichen Grund hat man übrigens ironischerweises IceCube am Südpol gebaut.
Nämlich um die Detektoren tief im Eis versenken zu können (die Eisschicht ist da um die 3000m dick) um die erstens abzuschirmen und zweitens weil sich im Wassereis die Tscherenkow-Strahlung der erzeugten Myonen gut beobachten lässt.
Man beobachtet damit also auch kosmische Strahlung, aber nur eine ganz bestimmte Sorte – Neutrinos nämlich – und will von dem Rest möglichst wenig wissen …
Ja sicher doch, PDP10, damit die Messung der mehr oder weniger direkt mit den Monopolen zusammenhängenden Effekte nicht von den anderen Ereignissen gestört wird. Doch warum wird er deswegen zum schlechten Beispiel?
..ist doch ein schönes Beispiel: Das entscheidende Moment war die Eisdecke, nicht etwa der Pol – der ist mir zumindest bisher nirgendwo als Begründung aufgefallen.
Wo fand eigentlich Cabreras SpulenExperiment statt? Am Stanford-Pol?
@rolak:
Wie kommst du darauf, dass Kamiokande gebaut wurde um magnetische Monopole zu finden?
Soweit ich weiss, war das Experiment ursprünglich dazu gedacht, Protonenzerfälle nach zu weisen – so es sie denn gäbe – und hat sich dann als Neutrinodetektor bewährt.
Deswegen schrieb ich ja „ironischerweise“. Weil man da aus ganz anderen Gründen das Experiment am Pol aufgebaut hat.
Bleibt aber am Ende, dass die Motivation der Geschichte, die @schorsch angesprochen hat absolut plausibel ist.
War zwar schon bei Beispiel-Anführung verlinkt, PDP10, doch gerne auch als Zitat:
–
..wäre es, wenn diese Begründung auch zur Standortwahl eines realen M.Monopol-Experimentes irgendwo außerhalb von TBBT zu finden wäre.
@Gregor @Florian Hmm… da sieht man wie aufmerksam ich beide Artikel gelesen habe. Da ist auf jeden Fall noch Potential vorhanden. THX
@rolak:
Ah. Das mit den Monopolen hatte ich doch glatt überlesen. Filter, weil in der Diskussion von Monopolen in der kosmischen Strahlung die Rede war.
Und nochmal: Es ging darum ob die Grundidee der Geschichte in der TBBT Folge plausibel ist.
Ja ist sie.
Ob das schon mal jemand gemacht hat?
Keine Ahnung.
Und das google ich jetzt auch nicht für dich. Dafür bin ich nicht zuständig :-).
Sorry, PDP10, das ist für mich alles andere als plausibel. Oder anders formuliert, fehlt mir in dem impliziten Argument „Weil xyz, ergibt sich für externe Quellen bei magnetischen Monopolen (gemäß den Gleichungen(Maxwell=(e+m)-Monopole)) genau wie bei elektrischen Monopolen (gemäß den Gleichungen(Maxwell=nur-e-Monopole)) an den Polen der Erde eine erhöhte TeilchenflußDichte“ die höhere Einsicht zur Prämisse xyz.
Not my compartment ist immer toll – selbstverständlich bist Du hier zu gar nichts verpflichtet, doch beim Aufstellen einer imho ziemlich steilen Behauptung finde ich eine wahrnehmbare BelegDichte angemessen.
Suchen ist nicht so dolle, mm+earth magnetic field gibt zu einem hohen Anteil solche Treffer…
Jep. Auf solcherlei Zeuchs bin ich auch haufenweise gestossen.
Aber unsere Diskussion wird zunehmend albern – es geht schliesslich nur um eine Fernsehsehrie.
Noch dazu um eine ohne Michio Kaku :-).
neneee, daß sind ja zwei, PDP10: Einerseits ‚ist es sinnvoll, das wegen einer fiktiven Aussage für sinnvoller zu halten‘ (nein), andrerseits ‚ist es sinnvoll, so ein Experiment am Pol abzuhalten‘ (ungeklärt).
Imho würde bei letzteres=ja auf der ersten Handvoll Findeseiten wenigstens ein Treffer zu einem ernstzunehmenden Text mit einer konkreten Aussage zu erwarten sein. War es nicht, was selbstverständlich kein Beweis des Gegenteils ist, doch immerhin…
@rolak:
Also um das mal kurz zusammen zu fassen:
PDP10: Doch!
rolak: Nein!
PDP10: Doch!
rolak: Nein!
PDP10: 10 mal Doch!
rolak: 100 mal Nein!
PDP10: 10 Fantastilliarden mal Doch!
rolak: 100 millionen mal 10 Fantastilliarden mal Nein!
Florian:
Jaja! Ruhe jetzt! UND ICH WILL GAR NICHT WISSEN WER ANGEFANGEN HAT!
;-).
Die Referenzen zur Serie sind ja irgendwann mal ganz ulkig gewesen, PDP10, doch es ist unangemessen, sämtliche Kommentare jetzt auf Düvel komm raus darauf beschränken zu wollen. Das ‚andrerseits‘ von oben ist ja nu wirklich interessant.
Oder willst Du mir ganz dezent aber beharrlich klarmachen, daß Dir die Bedeutung des ‚wegen‘ im ‚einerseits‘ nicht klar ist, das absichtlich analog zum berüchtigten ‚zwischen Himmel und Erde‘ konstruiert ist?
Die Theorien, die beschreiben wie sich die verschiedenen Grundkräfte des Universums in der Frühzeit des Kosmos verhalten haben, sagen die Existenz von Monopolen ebenfalls voraus.
Wenn magnetischen Monopole so wichtig sind, warum findet man diese nicht in den gängigen Urknall-Hypothesen ? Auch in der String-Theorie (Brian Green) werden diese nicht erwähnt.
Hier ein Video zu diesem Thema.
Soeben von CERN auf Youtube gestellt worden.
https://www.youtube.com/watch?v=gv9cwWpjbXo
Zitat aus Standard.at
Die Daten stammten zudem noch aus Messungen mit einem Prototyp des Experiments. Die Ergebnisse haben den Forschenden erlaubt, den Masse-Bereich besser einzugrenzen, in dem sie den Monopol vermuten.
Wie kann man den Massebereich eines Monopols eingrenzen, wenn er doch nie erzeugt werden kann ?
Zitat aus Artikel von Florian Freistetter:
Aber selbst die Energien die momentan im größten Beschleuniger den wir haben – der LHC am CERN – möglich sind, sind knapp eine Billion mal zu gering dafür.
Ein für mich wirklich sehr interessanter Artikel zu diesem Thema:
https://arxiv.org/pdf/1605.08129.pdf
Zitat:
In this case the mathematical consistency requires the electromagnetic U(1)
non-trivial, so that the electroweak monopole must exist
if the standard model is correct [9, 10]. But this has to
be confirmed by experiment. This makes the discovery
of the monopole, not the Higgs particle, the final (and
topological) test of the standard model.
schaut so aus, als hätte das auch mit Gravitation zu tun.
Zitat:
The result is shown in Fig. 2. Notice that, except for the metric, the gravitating monopole looks very much like the non-gravitating monopole. The only change seems to be that the gravitational attraction reduces the monopole size.
Also doch kein Graviton als Ursache der Graviation ?
@Multi, A.B.C., guest
Kannst Du Dich mal für einen eindeutigen Namen entscheiden?
Ist vom Computer abhängig vor dem ich Sitze.
Jetzt wärs zb. wieder guest gewesen
Komisch – bei mir klappt das auch am selben Computer.
2 verschiedene Computer, 2 verschiedene Browser.
jeder Browser speichert andere Daten.
Nimm einfach immer den selben Namen.
@Multi
I looked into the electroweak monopole a little more, and I found this paper that is more helpful: https://arxiv.org/abs/1602.01745
Essentially the paper is saying that the current mathematical structure of the standard model is incompatible with having any monopoles at all. However, it is possible that the „real“ theory is a variant of the standard model that *does* have monopoles. Then the paper goes on to build some of those variants so that they are compatible with what has already been observed about the Higgs boson.