Pourquoi ne pouvons-nous pas trouver le mystérieux « monopôle magnétique » ?

  • FrançaisFrançais



  • Vous avez probablement entendu parler du le boson de Higgs. Cette particule insaisissable devait exister il y a longtemps et a aidé à expliquer pourquoi l’univers fonctionne comme il le fait, mais il nous a fallu des décennies pour la détecter.

    Eh bien, il y a une autre particule insaisissable qui a également été prédite par la physique quantique, et elle a disparu depuis encore plus longtemps. En fait, nous n’en avons toujours pas repéré, et ce n’est pas faute d’avoir essayé.

    C’est ce qu’on appelle le monopôle magnétique, et il possède quelques propriétés uniques qui le rendent assez spécial.

    Parallèles

    Ceux qui s’intéressent à la physique connaissent probablement déjà un électrique monopôle, bien que vous le connaissiez peut-être par son nom plus courant : charge électrique.

    Les charges électriques opposées s’attirent et les charges similaires se repoussent par l’interaction des champs électriques, qui sont définis comme allant du positif au négatif. Ce sont les étiquettes quelque peu arbitraires des deux charges électriques opposées.

    Les monopôles électriques existent sous la forme de particules ayant une charge électrique positive ou négative, comme des protons ou des électrons.

    À première vue, le magnétisme semble quelque peu analogue à l’électricité, car il existe un champ magnétique dont la direction est définie comme allant du nord au sud.

    Cependant, l’analogie s’effondre lorsque nous essayons de trouver la contrepartie magnétique de la charge électrique. Alors que nous pouvons trouver des monopôles électriques sous forme de particules chargées, nous n’avons jamais observé de monopôles magnétiques.

    Au lieu de cela, les aimants n’existent que sous la forme de dipôles avec une extrémité nord et une extrémité sud. Lorsqu’une barre aimantée est divisée en deux parties, vous n’obtenez pas une partie nord et une partie sud séparées. Au lieu de cela, vous obtenez deux nouveaux aimants plus petits, chacun avec une extrémité nord et sud.

    Même si vous divisez cet aimant en particules individuelles, vous obtenez toujours un dipôle magnétique.

    Quand nous regardons le magnétisme dans le monde, ce que nous voyons est tout à fait cohérent avec les équations de Maxwell, qui décrivent l’unification de la théorie des champs électriques et magnétiques dans l’électromagnétisme classique.

    Ils ont été publiés pour la première fois par James Maxwell en 1861 et 1862 et sont toujours utilisés quotidiennement à un niveau pratique dans l’ingénierie, les télécommunications et les applications médicales, pour n’en nommer que quelques-uns.

    Mais l’une de ces équations – la loi de Gauss pour le magnétisme – stipule qu’il n’y a pas de monopôles magnétiques.

    Le magnétisme que nous observons au quotidien peut être attribué au mouvement des charges électriques. Lorsqu’une particule chargée électriquement se déplace le long d’un chemin, comme un électron descendant un fil, il s’agit d’un courant électrique. Cela induit un champ magnétique qui s’enroule autour de la direction du courant.

    La deuxième cause du magnétisme implique une propriété de la mécanique quantique appelée « spin ». Cela peut être considéré comme une particule chargée électriquement tournant sur un axe plutôt que de se déplacer dans une direction particulière.

    Cela génère un moment angulaire dans la particule, ce qui fait que l’électron agit comme un dipôle magnétique (c’est-à-dire un minuscule barreau magnétique). Cela signifie que nous pouvons décrire des phénomènes magnétiques sans avoir besoin de monopôles magnétiques.

    Mais juste parce que nos théories électromagnétiques classiques sont cohérentes avec nos observations, cela n’implique pas qu’il n’y a pas de monopôles magnétiques. Au contraire, cela signifie simplement qu’il n’y a aucun monopôle magnétique où que nous ayons observé.

    Une fois que nous commençons à plonger dans les profondeurs obscures de la théorie, nous commençons à trouver des arguments tentants pour leur présence dans l’univers.

    L’attrait de la dualité

    En 1894, lauréat du prix Nobel Pierre Curie discuté de la possibilité d’une telle particule non découverte et n’a pu trouver aucune raison d’écarter son existence.

    Plus tard, en 1931, le lauréat du prix Nobel Paul Dirac ont montré que lorsque les équations de Maxwell sont étendues pour inclure un monopôle magnétique, la charge électrique ne peut exister que dans des valeurs discrètes.

    Cette « quantification » de la charge électrique est l’une des exigences de la mécanique quantique. Les travaux de Dirac ont donc permis de montrer que l’électromagnétisme classique et l’électrodynamique quantique étaient des théories compatibles en ce sens.

    Enfin, il y a peu de physiciens qui peuvent résister à la beauté de la symétrie dans la nature. Et parce que l’existence d’un monopôle magnétique impliquerait une dualité entre l’électricité et le magnétisme, la théorie suggérant des monopôles magnétiques devient presque enivrante.

    La dualité, au sens physique, se produit lorsque deux théories différentes peuvent être liées de telle manière qu’un système est analogue à l’autre.

    S’il était vrai que la force électrique était complètement analogue à la force magnétique, alors peut-être que d’autres forces seraient également analogues les unes aux autres. Peut-être qu’alors il y aurait un moyen de relier la force nucléaire forte à la force nucléaire faible, ouvrant la voie à une grande unification de toutes les forces physiques.

    Bien sûr, ce n’est pas parce qu’une théorie a une symétrie attrayante qu’elle est correcte.