اقرأ في هذا المقال
- ما هو أحادي القطب المغناطيسي؟
- تاريخ أحادي القطب المغناطيسي
- أحادي القطب في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية
ما هو أحادي القطب المغناطيسي؟
أحادي القطب المغناطيسي، هو جسيم افتراضي بشحنة مغناطيسية، وهي خاصية مماثلة للشحنة الكهربائية. كما يوحي اسمها، فإنّ أحادي القطب المغناطيسي يتكون من قطب واحد، على عكس ثنائي القطب (dipole)، الذي يتكون من قطبين مغناطيسيين اثنين.
حتى الآن لا يوجد دليل على وجود أحادي القطب المغناطيسي، لكنّه مثير للاهتمام من الناحية النظرية. في عام (1931م)، قام الفيزيائي الإنجليزي “ديراك” باقتراح أنّ وجود حتى أحادي القطب المغناطيسي في الكون من شأنه أن يفسر لماذا تأتي الشحنة الكهربائية فقط في مضاعفات شحنة الإلكترون.
نظرًا لأنّ تكميم الشحنة الكهربائية لا يزال لغزاً نظرياً كبيراً، فقد جدد الفيزيائيون مراراً وتكراراً بحثهم عن أحادي القطب كلما وصلت مسرعات الجسيمات إلى مستوى طاقة جديد أو عند اكتشاف مصدر جديد للمادة.
فعينات الصخور القمرية التي أحضرها رواد الفضاء الأمريكيون في عام 1969م، على سبيل المثال، تمت دراستها على نطاق واسع لأنّه كان يعتقد أنّ أحادي القطب قد يكون محاصراً في المواد السطحية للقمر. أظهرت الأبحاث، مع ذلك، أنّ الأمر لم يكن كذلك.
تاريخ أحادي القطب المغناطيسي:
خلال القرون الماضية، تم اكتشاف العديد من جوانب المغناطيسية وارتباطها بالكهرباء، وأصبحت النظريات التي تصفها أكثر تحديداً وكمية. ومع ذلك، كان يُعتقد على نطاق واسع أنّ المغناطيسية ناتجة عن سائلين مغنطيسين متعارضين الشحنة، ويتكونان من جزيئات مغناطيسية، أو أحادي القطب المغناطيسي كما نسميهما.
حيث استمرت هذه الفكرة حتى القرن التاسع عشر، حتى أظهر “أندريه ماري أمبير” أنّ المجالات المغناطيسية تتولد عن التيارات الكهربائية، وفي النهاية أظهر “مايكل فاراداي” أنّ السوائل المغناطيسية غير موجودة.
عندما تم تطوير ميكانيكا الكم في بداية القرن العشرين، بدا لأول مرة أنّها تمنع الشحنات المغناطيسية المعزولة. ومع ذلك، في عام 1931م، أظهر “بول ديراك” أنّ ميكانيكا الكم تسمح في الواقع بشحنات مغناطيسية محددة كمية. علاوة على ذلك، فإنّ وجود الشحنات المغناطيسية من شأنه أن يفسر التكميم المرصود للشحنة الكهربائية، والذي كان حتى ذلك الحين لغزاً.
أخيراً، في عام 1974م، أظهر “جيرارد هوفت” و”ألكسندر بولياكوف” أنّ أحاديات القطب المغناطيسية تنبأ بها العديد من نماذج فيزياء الجسيمات، ولا سيما من قبل جميع النظريات الموحدة الكبرى (GUTs)، والتي تهدف إلى وصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة و قوى نووية قوية بنظرية واحدة موحدة.
أحادي القطب في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية:
يتم وصف الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية من خلال معادلات ماكسويل الأربعة. في حالة عدم وجود أي شحنات كهربائية ومغناطيسية:
∇ . E = 0
∇ × E = – ∂B / ∂t
∇ . B = 0
∇ × B = ∂E / ∂t
حيث تمثل المتجهات (E) و(B) المجالين الكهربائي والمغناطيسي، على التوالي. في هذه المعادلات، يُعرف الرمز (∇)، بتباعد مجال المتجه، ويُعرف (∇ ×) باسم اللفة. إذا كان أحدهم يمثل المجالين الكهربائي والمغناطيسي بواسطة خطوط المجال، فإنّ الاختلاف غير الصفري يشير إلى أنّ خطوط المجال تنتهي، بينما تصف اللفة انحناءها.
لذلك، تُظهر المعادلتان (1) و(3) أنّه لا يوجد لخطوط المجال الكهربائي أو المغناطيسي نقاط بداية أو نهاية، أو بمعنى آخر، أنّها مغلقة. توضح المعادلتان (2) و(4) أنّ الحقول المغناطيسية المعتمدة على الوقت تولد مجالات كهربائية، والعكس صحيح. هذه المعادلات لها تناظر جميل يُعرف بالازدواجية المغناطيسية الكهربائية: إذا استبدلنا المجالين الكهربائي والمغناطيسي:
B → E and E → B
تبقى المعادلات دون تغيير. هذا يعني أنّ المجالين الكهربائي والمغناطيسي يتصرفان بنفس الطريقة تماماً. بالطبع، الشحنات الكهربائية موجودة، ويمكن أن تبدأ خطوط المجال الكهربائي وتنتهي عند الشحنات الكهربائية. بتعبير أدق، فإنّ المجال الكهربائي حول الشحنة الكهربائية (q) له الشكل:
E(r) = (q / 4πr3) × r
والشحنة التي تتحرك في مجال كهرومغناطيسي بسرعة تواجه “قوة لورنتز“:
F = q ( E + v × B)
ومع ذلك، نظراً لعدم العثور على شحنات مغناطيسية، يبدو أنّ تناظر الازدواجية مكسور. هذا يعني، في الواقع، أنّ الاختلاف الأساسي بين الكهرباء والمغناطيسية هو أنّ الشحنات الكهربائية موجودة ولكن الشحنات المغناطيسية غير موجودة.
من وجهة نظر الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، لا يوجد سبب لعدم وجود شحنات مغناطيسية، وإذا حدث ذلك، فسيظل تناظر الازدواجية سليماً. بعبارة أخرى، تتوافق الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية تماماً مع فكرة الأقطاب الأحادية المغناطيسية، وأيضاً من الغريب ألا يبدو هناك وجود لأحادي القطب المغناطيسي، لأنّ وجودها سيجعل النظرية أكثر تناسقاً.
