Μπορεί ένας μαγνήτης να επηρεάσει το μονοπάτι του φωτός;

Η διαδρομή του φωτός δεν επηρεάζεται από την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, καθώς τα φωτόνια (σωματίδια φωτός) δεν έχουν φορτίο.

Πάρτε ένα μαγνήτη ψυγείου και πηγαίνετε στο παράθυρό σας. Βεβαιωθείτε ότι είναι την ώρα της ημέρας που το φως του ήλιου πέφτει με αυτή τη γλυκιά γωνία στο πάτωμα, λούζοντάς το σε μια υπέροχη απόχρωση πορφυρού. Τώρα, πάρτε τον μαγνήτη σας και κρατήστε τον πάνω από το παράθυρο όπου περνάει το φως.

Παρατηρήστε τη διαδρομή του ηλιακού φωτός. Αλλάζει με κάποιο τρόπο λόγω του μαγνήτη; Παρατηρείτε μια μετατόπιση στη γωνία του; Ίσως μια μικρή κλίση; Αν το κάνετε, θα πρέπει να ξορκίσετε το σπίτι σας, γιατί αυτό δεν είναι έργο του μαγνήτη. Στην πραγματικότητα, ένας μαγνήτης δεν επηρεάζει το μονοπάτι του φωτός στο παραμικρό. Κάποιοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν αυτό το σημείο, δηλώνοντας δηλαδή ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Σε αυτή την περίπτωση, δεν θα έπρεπε ένας μαγνήτης να μπορεί να τον προσελκύσει ή να τον απωθήσει; Έτσι δεν πρέπει να λειτουργεί; Βασικά, όχι. Εάν οι νόμοι της φυσικής έχουν κάποια συνέπεια, δεν λειτουργούν έτσι οι μαγνήτες.

Η διαδρομή του φωτός παραμένει ανεπηρέαστη από τους μαγνήτες (Φωτογραφία :Igor Sinkov/Shutterstock)

Πώς λειτουργεί ένας μαγνήτης;

Μαγνήτης είναι βασικά κάθε αντικείμενο ικανό να έλκει ή να απωθεί φορτισμένα αντικείμενα. Η δύναμη του μαγνητισμού είναι άμεση συνέπεια της ατομικής σύνθεσης ενός αντικειμένου. Όλα τα αντικείμενα στο γνωστό σύμπαν αποτελούνται από άτομα, τα οποία αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έχουν αρνητικό και θετικό φορτίο, αντίστοιχα, ενώ τα νετρόνια παραμένουν ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια παραμένουν στο κέντρο του ατόμου και σχηματίζουν τον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια κυκλώνουν αυτόν τον πυρήνα. Το σπιν αυτών των ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα ρεύμα, το οποίο μετατρέπει αυτά τα μικρά παιδιά σε μικροσκοπικούς μαγνήτες.

Το σπιν των ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση μετατρέπει ένα αντικείμενο σε μαγνήτη

Συνήθως, οι περισσότερες ουσίες έχουν ίσο αριθμό ηλεκτρονίων που περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, ακυρώνοντας έτσι το ένα το άλλο, έτσι οι περισσότερες ουσίες δεν παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες. Ωστόσο, σε ουσίες όπως ο σίδηρος, τα περισσότερα ηλεκτρόνια περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση, δίνοντάς του ένα καθαρό φορτίο. Η δύναμη που δημιουργείται από αυτά τα ευθυγραμμισμένα ηλεκτρόνια δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, μια περιοχή γύρω από το μέταλλο όπου ένα μαγνητικό αντικείμενο θα αντιμετωπίσει τη δύναμη έλξης ή απώθησης του μαγνήτη. Αυτό το πεδίο αναγκάζει τα ηλεκτρόνια στο αντικείμενο να ευθυγραμμίσουν την περιστροφική τους κίνηση, προσδίδοντας έτσι στο αντικείμενο μαγνητικές ιδιότητες. Ωστόσο, δεν συμπεριφέρονται όλα τα αντικείμενα με τον ίδιο τρόπο υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.

Κάθε φορτισμένο σωματίδιο που βρίσκεται κοντά σε ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζεται από αυτό (Πιστωτική φωτογραφία :ShutterStockStudio/Shutterstock)

Τύποι μαγνητών

Ο πιο κοινός τύπος μαγνητισμού είναι ο διαμαγνητικός, στον οποίο τα αντικείμενα παρουσιάζουν ασθενή απώθηση ανά πάσα στιγμή. Οι άλλοι τύποι περιλαμβάνουν τον παραμαγνητισμό, όπου τα αντικείμενα μαγνητίζονται μόνο όταν έρθουν σε επαφή με έναν μαγνήτη, αλλά χάνουν τον μαγνητισμό τους μόλις αφαιρεθεί ο μαγνήτης. Υπάρχει επίσης ένα τρίτο είδος αντικειμένου, αυτά που είναι σιδηρομαγνητικά και διαθέτουν τη χαρακτηριστική ικανότητα να παραμένουν μόνιμα μαγνητισμένα. Μόνο τρία στοιχεία από τον περιοδικό πίνακα είναι σιδηρομαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου:ο σίδηρος (Fe), το νικέλιο (Ni) και το κοβάλτιο (Co). Έτσι, όταν μιλάμε για μαγνήτες, μιλάμε γενικά για σιδηρομαγνητικές ουσίες. Αυτές είναι οι ουσίες που δημιουργούν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο και επηρεάζουν τη συμπεριφορά οποιασδήποτε μαγνητικής ουσίας εντός της εμβέλειας του πεδίου σε μεγάλο βαθμό.

Ένας τυπικός μόνιμος μαγνήτης από σίδηρο (Photo Credit :maradon 333/Shutterstock)

Το μαγνητικό πεδίο

Τι ακριβώς είναι λοιπόν το μαγνητικό πεδίο; Υπάρχουν δύο σχολές σκέψης που εξηγούν την έννοια. Η κλασική επιστημονική θεωρία προτείνει ότι ένα μαγνητικό πεδίο είναι ουσιαστικά ένα νέφος ενέργειας γύρω από μαγνητικά αντικείμενα που προσελκύουν ή απωθούν άλλα μαγνητικά αντικείμενα. Ωστόσο, σύμφωνα με την πιο περίπλοκη και δυσνόητη θεωρία της κβαντικής μηχανικής, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν μη ανιχνεύσιμα, εικονικά σωματίδια που δίνουν σήμα σε άλλα αντικείμενα να έρθουν πιο κοντά ή να απομακρυνθούν από αυτά. Εξακολουθούμε να μην έχουμε συγκεκριμένη θεωρία για το γιατί τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται όπως συμπεριφέρονται, αλλά εμπειρικά στοιχεία αναφέρουν ότι είναι απλώς ένα χαρακτηριστικό του σύμπαντος στο οποίο ζούμε.

Τα ηλεκτρόνια σε μαγνήτες εκπέμπουν μη ανιχνεύσιμα, εικονικά σωματίδια που δίνουν σήμα σε αντικείμενα να έρθουν πιο κοντά ή να απομακρυνθούν (Προστασία φωτογραφίας:Kim Christensen/Shutterstock)

Τώρα που ξέρουμε πώς λειτουργεί ένας μαγνήτης, ήρθε η ώρα να αντιμετωπίσουμε το ερώτημα. Γιατί η διαδρομή του φωτός, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, δεν επηρεάζεται από τη μαγνητική επίδραση ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου;

Γιατί ένας μαγνήτης δεν μπορεί να λυγίσει το φως;

Όπως καταλάβαμε, ένα μαγνητικό πεδίο είναι η συνέπεια των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται προς μία κατεύθυνση. Αυτά με τη σειρά τους επηρεάζουν το σπιν άλλων ηλεκτρονίων στην περιοχή και τα αναγκάζουν να μαγνητιστούν. Βασικά, τα ηλεκτρόνια επηρεάζουν άλλα ηλεκτρόνια, οδηγώντας σε αυτό που παρατηρούμε ως έλξη ή απώθηση μαγνητών. Στην περίπτωση μιας ακτίνας φωτός, το μόνο που έχουμε να δουλέψουμε είναι φωτόνια. Τα φωτόνια είναι σωματίδια χωρίς φορτίο και επομένως παραμένουν ανεπηρέαστα από την επίδραση των ηλεκτρονίων και επομένως αδιατάρακτα από τους μαγνήτες.

Τα φωτόνια στο φως δεν κρατούν φορτίο και παραμένουν ανεπηρέαστα από τα ηλεκτρόνια (Φωτογραφία :Vladimir Nenezic/Shutterstock)

Περίμενε λίγο, το φως δεν είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα; Ναι, το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό, αλλά αυτό σημαίνει απλώς ότι διαθέτει ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, το οποίο δεν παραμορφώνει απαραίτητα άλλα πεδία. Μαθηματικά, αν υπάρχουν πολλαπλά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία σε μια περιοχή, απλά αθροίζονται όλα μαζί. Για παράδειγμα, ένα μήλο στο τραπέζι σας δεν επηρεάζεται από την εισαγωγή ενός πορτοκαλιού στο ίδιο τραπέζι. Απλώς έχετε δύο φρούτα στο τραπέζι. Η ίδια αρχή ισχύει ουσιαστικά για τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Αλλά περιμένετε… υπάρχουν περισσότερα!

Διασπορά Delbrück

Ενώ η παραπάνω εξήγηση λειτουργεί καλά στην κλασική θεωρία της φυσικής, καθώς βουτάμε στο κβαντικό βασίλειο, βλέπουμε κάτι πολύ πιο περίεργο και φανταστικό. Η κβαντική θεωρία προτείνει ότι, στην πραγματικότητα, υπάρχει μια σχεδόν μη ανιχνεύσιμη επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου στα φωτόνια του φωτός. Κάτω από ορισμένες πολύ συγκεκριμένες συνθήκες, ένα φωτόνιο μπορεί να διασπαστεί σε ζεύγος ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Αυτό το φαινόμενο, που πήρε το όνομά του από τον άνθρωπο που το θεώρησε, ονομάζεται διασπορά Delbrück. Αυτά τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν τεχνικά να επηρεαστούν από το πεδίο, αλλά αυτό το φαινόμενο δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ εμπειρικά και υπάρχει μόνο ως μαθηματική απόδειξη.

Ένα φωτόνιο μπορεί να διασπαστεί σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (Photo Credit :general-fmv/Shutterstock)

Έτσι, ενώ μπορεί να υπάρχουν κάποιες πολύ συγκεκριμένες συνθήκες κάτω από τις οποίες ένας μαγνήτης μπορεί ελαφρώς επηρεάζουν το φως, στην καθημερινή ζωή και τις πραγματικές συνθήκες, το φως παραμένει ανεπηρέαστο από την επίδραση ενός μαγνήτη!