Monopolo

Magnetismo. Campo magnético. Imanes. Experimento Cabrera. Dirac. Superconductividad

  • Enviado por: Alexiniesta
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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EL MONOPOLO

Nota introductoria:

Al partir un imán en dos, se obtienen dos imanes. A pesar de que lo hayamos roto, cada pedazo tendrá siempre un polo negativo y otro positivo. Nunca logrará separar los dos polos, jamás producirá un imán de un solo polo, no obtendrá un monopolo magnético. Hasta ahora, igual que los niños traviesos que rompen imanes, los físicos no han sido capaces de producir un imán de un solo polo. Sin embargo, el monopolo magnético podría existir e incita, desde hace décadas, la curiosidad de los científicos.

Una familia de físicos

Llega a México otro científico español, Blas Cabrera, miembro distinguido de un numeroso grupo de intelectuales republicanos que abandona su tierra luego del triunfo de Francisco Franco. Y como aquéllos, Cabrera trabaja en el Palacio de Minería, donde consigue instalar en el Instituto de Física un laboratorio de medidas eléctricas de precisión.

Uno de los hijos del doctor Cabrera, Nicolás, llegó a ser un científico notable. Su campo de estudio es el de los sólidos, Nicolás Cabrera regresó a España, para trabajar en la recién fundada Universidad Autónoma de Madrid, donde aún continúa estudiando la teoría de las superficies sólidas. Su influencia en el desarrollo de la física mexicana fue importante, pues durante su estancia en Virginia visitaba con frecuencia tanto la Universidad Nacional como el Instituto Politécnico, donde contribuyó a formar a jóvenes investigadores.

En efecto, es posible que el 14 de febrero de 1982, día de la amistad, Blas Cabrera haya visto por primera vez un monopolo magnético.

El experimento de cabrera:

Tómese un anillo superconductor, colóquese en una región donde el campo magnético sea mucho muy débil y obsérvese la corriente eléctrica en el anillo, muy pacientemente, durante varios meses. Este fue el experimento que Blas Cabrera.

El experimento de Cabrera puede detectar una carga magnética en movimiento. El paso de una carga magnética a través del anillo superconductor produciría un brinco en la corriente que circula por el anillo.

El experimentador debe ser muy cuidadoso y analizar todas las fuentes de error que se le ocurran. El cambio en la corriente observado por Cabrera podría ser causado por fluctuaciones pequeñas en el voltaje. La interferencia electromagnética, inducida por motores y otros aparatos. Un rayo cósmico habría podido golpear al anillo superconductor, elevar su temperatura y anular las propiedades superconductoras. Podría también haber causas mecánicas, como las producidas por un temblor.

La búsqueda anterior:

El monopolo magnético fue primero buscado en los rayos cósmicos de muy alta energía. Se buscó su huella en muestras de obsidiana muy antiguas. También llegaron los físicos al fondo del océano, buscando un monopolo en el pavimento de ferro manganeso que cubre la base del Atlántico del Norte. Los investigadores buscaron entonces en la Luna, y analizaron las muestras lunares que el Apolo 11.

La búsqueda sería más simple si se emplean los haces de partículas, provenientes de los grandes aceleradores. Al incidir protones y electrones de muy alta energía sobre la materia, se podrían producir cargas magnéticas.

Otra vez se movieron las muestras bombardeadas en la vecindad de una bobina, buscando la corriente inducida por el monopolo.

La primera evidencia positiva de la presencia del monopolo magnético la obtuvo otro grupo de Berkeley en 1975. En una pila de detectores que colocaron en un globo durante dos días, hallaron una sola traza marcada por rayos cósmicos ultrapasados. , se debía a una partícula que se movía a la mitad de la velocidad de la luz y que ionizaba fuertemente y de manera constante a la materia. Para que esta ionización pudiera ser causada por una carga eléctrica, esta partícula debería tener una masa enorme.

El gran Paul Adrien Maurice Dirac

Paul Adrien Maurice Dirac, quien en 1931 sugirió que así como había partículas elementales de electricidad el electrón, por ejemplo, la magnética puede darse como "polo norte" o "polo sur". Por ello, la supuesta carga magnética sería el monopolo magnético.

Dirac publicó en los Proceedings of the Royal Society su articulo, en el que sugiere que el monopolo magnético existe.

Dirac comenzó a trabajar, también se encontraba ya sobre bases firmes, plenamente comprobada y más allá de toda duda la teoría de la relatividad.

Dirac, buscando una mecánica que fuera al mismo tiempo cuántica y relativista. Esta unión cuántico-relativista se enfrenta a multitud de problemas, que casi producen el divorcio entre las dos teorías. Sin embargo, Dirac no se arredró y, guiado por ese afán de buscar la simetría y la belleza en sus ecuaciones, postuló que el electrón tenía que obedecer una ecuación relativista y cuántica.

Dirac encuentra que su ecuación predice junto al electrón otra partícula parecida a éste, pero con una carga positiva. en 1932 se descubriera la antipartícula del electrón —el hoy llamado positrón—, y se comprobaran las ideas de Dirac.

En el electromagnetismo clásico el monopolo magnético no existe. En consecuencia, las ecuaciones de Maxwell no tratan por igual a las cantidades eléctricas y a las magnéticas.

El monopolo magnético introduciría en la electricidad y el magnetismo una simetría de la cual carecen en nuestra visión actual. El magnetismo existe sólo como resultado de que las cargas eléctricas se muevan. Una partícula cargada origina un campo eléctrico a su alrededor, y cuando esa carga se mueve produce un campo magnético, como un efecto secundario. En aras de la simetría, debería haber también cargas magnéticas que originaran campos magnéticos y que, al moverse, crearan en su entorno campos eléctricos exactamente en la misma forma que las partículas elementales de electricidad producen un campo magnético.

Un punto de vista sobre la física teórica

Nuestro relato ha estado lleno de conceptos e ideas aparentemente extrañas. Para entender lo que propuso Dirac, necesitamos antes saber qué son los campos eléctricos y magnéticos y comprender las ideas básicas de la mecánica cuántica.

La ley de Gauss (o la de Coulomb) nos dice el campo eléctrico que genera un conjunto de cargas eléctricas; la ley de Ampère modificada con la corriente de desplazamiento nos indica que las cargas en movimiento y los campos eléctricos variables en el tiempo producen un campo magnético y la ley de Faraday, a su vez, muestra cómo un campo magnético que varía en el tiempo induce un campo eléctrico. Si a estas tres leyes agregamos la inexistencia del monopolo magnético, tenemos las cuatro ecuaciones de Maxwell, base de la teoría electromagnética clásica.

Esta teoría clásica tuvo (y continúa teniendo) grandes logros, pero también sufrió tropiezos fuertes. Al mismo tiempo que Hertz descubría las ondas electromagnéticas y Marconi las ponía al servicio de la humanidad, otros físicos la cuestionaban. Al unir la teoría de Maxwell a la termodinámica se produce la catástrofe ultravioleta; con la mecánica clásica, sus predicciones sobre el efecto fotoeléctrico, el espectro de los átomos y el efecto Compton son erróneas. Todo ello llevó a un puñado de físicos (la mayoría muy jóvenes) a construir en menos de 30 años una nueva física.

El monopolo magnético de Dirac

A pesar de que el electromagnetismo clásico funciona muy bien bajo la suposición de que no hay monopolos magnéticos, nada hay en la física clásica que prohíba su existencia. ¿Será esto cierto en la física cuántica o habrá en ella algún obstáculo para el monopolo? Ésta es la pregunta que Paul Dirac se planteó en 1931 y a la que dio una respuesta por demás ingeniosa. Dirac halló algo más, pues demostró que de existir una carga magnética aislada, se encontraría la respuesta a una vieja incógnita de la física moderna.

Nada hay en la mecánica cuántica que impida la presencia del monopolo.

En estos puntos en que comienza o termina la línea nodal se encuentra un monopolo magnético, que produce unas líneas de campo magnético. Si las líneas empiezan en ese punto, por convención llamamos al monopolo "norte", y si ahí acaban le llamamos "sur". El monopolo de Dirac es la única explicación razonable que tenemos de este hecho misterioso. De ahí la importancia que sus colegas dieron a esta idea revolucionaria.

Las propiedades del monopolo magnético

Tenemos, pues, que el formalismo de schrödinger, el principio de equivalencia de Dirac y la electrodinámica llevan por fuerza a la siguiente conclusión: si hay un monopolo magnético de intensidad ð, entonces 2ðe = nMonopolo
c, y la carga eléctrica está cuantizada.

Para la intensidad mínima del polo magnético. Es decir, el monopolo es cerca de 70 veces más intenso que la carga eléctrica; el monopolo es, por decir lo menos, algo "grandote" comparado con un electrón.

Veamos ahora cómo podría aparecer un monopolo desde el punto de vista experimental. Primero, nos damos cuenta de que el monopolo es estable. La única forma de aniquilar un monopolo, digamos sur, sería haciéndolo chocar contra otro de signo opuesto: el monopolo norte sería la antipartícula del monopolo sur.

Si un monopolo de Dirac existiera al pasar, con gran velocidad, a través de un material, se produciría una fuerte ionización de los átomos que encontrara el monopolo en su camino.

Las campanas se echan a vuelo

Podemos ya entender en qué se basan algunos experimentos diseñados para buscar el monopolo magnético. Price y sus colaboradores de la Universidad de Berkeley mandaron sus detectores a volar en globo durante varios días. El aparato consistía en una serie de hojas de un cierto material transparente, llamado lexan, apiladas una sobre la otra. El paso de una partícula daña las hojas, con un efecto proporcional a la ionización.

El monopolo superpesado

El físico soviético Alexander Polyakov encontraron que una cierta clase de teorías, llamadas de norma, que se emplean para explicar las propiedades de las partículas elementales, no sólo permiten sino que implican forzosamente la existencia del monopolo magnético. Según estos físicos, este monopolo ha de ser muy masivo, más pesado que cualquier partícula elemental vista hasta el presente; además, no es puntual, aunque sí muy pequeño en extensión.

En este punto la física de las partículas muy pequeñas y veloces hace contacto con la física de lo muy grande, con el Universo en su conjunto, y sus galaxias. Sólo en la gran explosión primigenia con que nació el Universo pudo haber hornos con temperaturas suficientemente grandes para generar partículas tan pesadas como el monopolo.

La cosmología y el monopolo

La galaxia produce un campo magnético débil, cien mil veces menor que el campo magnético terrestre, el cual se debe a la circulación en grande de partículas eléctricamente cargadas. Un monopolo sería acelerado hasta energías muy altas, aunque a velocidades relativamente pequeñas, tal vez iguales a un milésimo de la velocidad de la luz; esto último se debe a que el monopolo es mucho muy pesado, tanto como 1016 protones.

Los nuevos experimentos

Ajustando las teorías de partículas elementales o las teorías cosmológicas, se llegó al siguiente límite para la población del monopolo: debe haber al menos uno por cada 1020 protones.

Se disponen, pues, los físicos experimentales a inventar detectores para esas partículas, lentas y pesadas, que acarrean una carga magnética. Desgraciadamente, no se sabe con exactitud cómo afectaría a la materia, al atravesarla, ese monopolo superpesado.

Por ello se ha buscado un camino diferente, que no se base en la ionización, sino en otras propiedades del monopolo.

La superconductividad y los monopolos

Antes de describir con detalle las ideas que sustentan el experimento que Blas Cabrera llevó a cabo, es conveniente hacer un paréntesis para presentar qué son los superconductores.

Con lo hasta aquí dicho, hemos completado finalmente la exposición de los conceptos físicos que se hallan detrás de un experimento como el de Cabrera. Y podemos, por fin, apreciar lo que significa hacer física y gozar la descripción de lo que es un experimento bien hecho.

Un experimento cuidadoso

Blas Cabrera informa sobre los primeros resultados de un detector superconductor para monopolos magnéticos en movimiento. Dado lo acucioso y bien planeado que es este experimento, vale la pena describirlo con detalle. Así aprendemos cómo se hace bien el trabajo experimental en física.

Como ya dijimos, se trata de medir el cambio en el flujo magnético en un anillo superconductor. En el experimento se construyó una pequeña bobina de cuatro vueltas, con un diámetro de cinco centímetros y se le colocó de tal manera que su eje estuviera vertical. La bobina se conectó a un precioso aparato llamado SQUID por sus siglas en inglés: Superconducting quantum interference device, construido por una compañía de alta tecnología de San Diego, California. El paso de un monopolo de Dirac alteraría ocho veces el flujo magnético fundamental Monopolo
c/2e.

  • Las fluctuaciones en el voltaje de la línea, que se produjeron adrede al cortar la alimentación eléctrica y crear los correspondientes transistorios, no produjeron respuesta del detector.

  • La interferencia por radiofrecuencia, causada por las escobillas de un motor de un reactor de pelo, no produjo tampoco señal alguna, aun cuando operara en la vecindad del aparato.

  • Los cambios en campos magnéticos externos se atenúan exponencialmente; la contaminación ferromagnética se hace mínima, al haber usado técnicas de montaje extremadamente limpias; esa baja contaminación fue comprobada con las medidas de un magnetómetro, hechas dentro del blindaje.

  • La corriente crítica en la bobina, que destruiría sus propiedades superconductoras, es l08 veces mayor que la producida por el supuesto paso del monopolo.

  • Se generaron golpes mecánicos al aparato, golpeándolo con el mango de un desarmador. En dos de veinticinco ocasiones, el flujo llegó a ser tres cuartas partes de lo esperado con la carga de Dirac; sin embargo, hubo inestabilidades durante la hora siguiente al golpe.

  • No hubo sismo alguno el 14 de febrero de 1982.

  • Un rayo cósmico muy energético que cruzara el alambre subiría la temperatura localmente por menos de un centésimo de Kelvin. Este cambio no basta para destruir la superconductividad, pues para ello se requiere un cambio de 5 Kelvin.

  • Luego de todo lo anterior, ahí queda el solo evento observado por Cabrera, que quizá haya sido el paso del monopolo magnético de Dirac.

    Conclusión:

    El monopolo es un gran reto para todos los científicos ya que no pueden crear una solución para el monopolo.

    Muchos científicos desde tiempo atrás y en la actualidad han estado tratando de encontrar con un monopolo, ya que algunos científicos han dicho que ya habían encontrado con el monopolo pero no es cierto ya que estos no cumplen con las características del mismo.

    Será difícil de encontrar un monopolo pero no imposible.

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