Manyetik Tekkutuplar

Elektrik ve manyetizma birbiri ile bağlantılı olgular. Elektriğin kaynağının elektrik yüklü parçacıklar olduğu biliniyor. Elektrik yüklerinin hareketi aynı zamanda manyetizmanın da kaynağı. Ancak noktasal elektrik yüklerinin elektrik alan oluşturmasına benzer biçimde, manyetik alanlar oluşturan noktasal manyetik yüklerin de (manyetik tekkutuplar) olduğuna dair herhangi bir kanıt yok. Fakat pek çok araştırmacı doğada noktasal manyetik yüklerin olduğunu düşünüyor ve varlıklarını belirlemek için çalışmaya devam ediyor. Hatta bazı araştırmacılar sentetik manyetik tekkutuplar üretmeyi başardı.

 Manyetizmanın Tarihi Manyetizma, insanların eski çağlardan beri aşina olduğu bir olgudur. Adını ilk kez gözlendiği yer olan Manisa’nın eski adı Magnesia’dan alır. Önceleri farklı işaretli (artı ve eksi) noktasal elektrik yüklerinin olmasına benzer biçimde farklı işaretli noktasal manyetik yüklerin de olduğu düşünülmüştü. Ancak bugüne kadar gözlemlenebilmiş herhangi bir manyetik tekkutup yoktur. Örneğin bir mıknatısın kuzey ve gü- ney olarak adlandırılan iki kutbu vardır. Ancak mıknatıs ikiye bölündüğü zaman oluşan parçaların birinin manyetik “yükü” kuzey, diğerininki “güney” olmaz. Parçaların her ikisinin de yine bir kuzey kutbu, bir güney kutbu vardır yani parçalar çiftkutupludur. 1819’da Oersted’in elektrik akımlarının çevredeki elektrik yükleri üzerinde manyetik kuvvet oluşturduğunu keşfetmesiyle elektrik ve manyetizmanın birbiri ile ilişkili olduğu anlaşıldı. Bir yıl sonra Ampere manyetizmanı kaynağı ile ilgili, kendi adı ile anı- lan hipotezi ileri sürdü: Manyetizmanın kaynağı elektrik yüklerinin hareketidir. Manyetik tekkutuplar yoktur, fakat elektrik yüklerinin dairesel hareketi sonucunda manyetik çiftkutuplar oluşur. Elektromanyetik kuramın gelişmesindeki en önemli aşamalardan biri Faraday’ın elektrik ve manyetik “alanlar” kavramları- nı öne sürmesi oldu. Faraday değişen manyetik alanların elektrik alanları ürettiğini de (manyetik indüksiyon yasası) keşfetti. Bugün değişen elektrik alanların da manyetik alanlar ürettiğini biliyoruz. Ancak bu etki Faraday’ın 1800’lerin teknolojisiyle laboratuvarda gözlemleyemeyeceği kadar küçüktü. Fakat Maxwell elektromanyetik kuramın tutarlı bir biçimde matematiksel olarak ifade edilebilmesi için bu etkinin de gerekli olduğunu fark etti ve 1873’te tüm elektromanyetik yasalarını matematiksel denklemlerle ifade etti. Bugün Maxwell denklemleri olarak anılan bu denklemlerden çıkarılan en önemli sonuçlardan biri ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğunun anlaşılması oldu. Elektromanyetik kuramın, bugüne kadar geliş- tirilmiş en başarılı kuram olduğu söylenebilir. Klasik mekaniğin aksine 20. yüzyıldaki en önemli bilimsel gelişmeler olan görelilik kuramı ve kuantum mekani- ğinden sonra bile hiçbir değişikliğe uğramadı. Maxwell denklemleri, kendilerinden 30 yıl sonra geliştirilen görelilik kuramı ile tamamen uyumludur ve kuantum elektrodinamiğinde de aynen kullanılırlar. Elektromanyetik kuram hiçbir manyetik tekkutup içermeden de çok başarılı olmasına rağmen, bugün pek çok araştırmacı hâlâ manyetik tekkutupların var olduğunu düşünüyor ve onları bulmak için çalışmaya devam ediyor. Bu durumun önemli iki sebebi var. Birincisi elektromanyetik kuram manyetik tekkutupların var olduğu varsayılarak yeniden kurulduğu zaman, Maxwell denklemleri simetrik hale geliyor ve çözümleri hayli kolaylaşıyor. İkincisi ise manyetik tekkutupların varlığının elektrik yükleri ile ilgili henüz çözülememiş bir problemin cevabı olduğunun düşünülmesi. Bu problem elektrik yüklerinin neden kuantize olduğu ile ilgili. Bilindiği gibi doğada gözlemlenen tüm elektrik yüklerinin değerleri, bir elektron yükün tam katları. Bu durumun sebebi bilinmiyor, ancak Dirac 1931’de manyetik tekkutupların varlığının, elektrik yüklerinin neden kuantize olduğunu (neden herhangi bir değer alamadığını) açıklayabileceğini gösterdi. Dalga fonksiyonlarının fazlarının gözlemlenememesi konusunu ele alan Dirac, manyetik tekkutuplar gibi davranan tekilliklerin kuantum mekaniğine göre mümkün olduğunu buldu. Sonuç- lar elektrik ve manyetik yüklerin değerlerinin çarpı- mının kuantize olması gerektiğini gösteriyordu: g temel manyetik yük, e temel elektrik yükü, h Planck sabiti ve c ışık hızı olmak üzere ge= hc/4π. Bu durum “tüm evrende” tek bir manyetik yükün bile var olmasının, elektrik yüklerinin kuantize olmasını açıklamaya yeteceğini ve temel manyetik yükün g=68,5e olduğunu gösteriyor. Dirac makalesini “doğa bundan yararlanmadıysa şaşarım” diye bitirmişti, ancak uzun çabalar sonucunda hâlâ manyetik tekkutupların gözlemlenememesi üzerine kendisi de manyetik tekkutupların olmadığını düşünmeye başladı. Fakat başka kuramsal ve deneysel fizikçiler manyetik tekkutuplar üzerine çalışmaya devam etti. Schwinger, manyetik tekkutuplar ve dionlar (hem manyetik hem de elektrik yükü olan noktasal parçacıklar) içeren alan kuramları oluşturmaya çalıştıysa da başarısız oldu. 
Manyetik Tekkutup Araştırmaları Maxwell denklemlerine göre tüm elektrik ve manyetik alanların kaynağı, elektrik yükleri ve bu elektrik yüklerinin hareketidir. Özetle: • elektrik yükleri çevrelerinde elektrik alan oluşturur • elektrik yüklerinin hareketi manyetik alan oluşturur • değişen elektrik alanlar manyetik alan üretir • değişen manyetik alanlar elektrik alan üretir Eğer bir manyetik tekkutup varsa, bu Maxwell denklemlerinin iki şekilde değiştirilmesine sebep olacaktır: • manyetik tekkutuplar çevrelerinde manyetik alan oluşturacaktır • manyetik yüklerin hareketi elektrik alan oluşturacaktır Ayrıca en küçük kütleli manyetik yük kararlı olacak ve manyetik yük korunacaktır. Yıllardır pek çok deneyci manyetik tekkutupların varlığını ispatlamaya çalışıyor. Bu araştırmalar doğ- rudan ve dolaylı araştırmalar olarak ikiye ayrılabilir. Doğrudan araştırmalar manyetik tekkutupların varlığının sebep olduğu değişiklikleri, dolaylı araştırmalar ise gerçekleşen fiziksel süreçlerin ara basamakları sırasında oluşabilecek sanal manyetik yüklerin sebep olduğu değişiklikleri gözlemlemeye çalışır. Doğrudan gözlem yöntemlerinden biri ferromanyetik malzemelerin içinde hapsolmuş manyetik tekkutupları bulmaya çalışmak. Ancak bu yöntemin ba- şarılı olma ihtimali düşük. Çünkü bir manyetik tekkutbun kristal yapıdaki bir katıya bağlanması için keV (kilo elektron volt) ölçeğinde enerji gerekli, ancak bir manyetik tekkutbun atom ölçeğinde mesafe kat ederek edineceği enerji ise sadece eV’ler ölçeğinde. Bugüne kadar yüzlerce kilogram malzeme kullanılmasına rağmen manyetik bir tekkutbun varlığına dair herhangi bir veri elde edilemedi. Sonuçlar manyetik bir tekkutup varsa bile (manyetik yük parçacı- ğı)/(çekirdek parçacığı) oranının 10-29’dan küçük olduğunu gösteriyor. Manyetik tekkutup gözlemlemek için kullanılan bir diğer yöntem süperiletken detektörlerin içinden geçen manyetik tekkutupları belirlemek. Eğer bir sü- periletken halkanın içinden manyetik bir tekkutup geçerse, manyetik akıda yaşanacak değişiklik sonucunda bir elektrik alan oluşacak ve süperiletkenden akım geçmeye başlayacaktır. Süperiletkenlerin elektriksel direnci sıfır olduğu için bu akımın şiddeti bü- yük olacaktır. Noktasal manyetik tekkutuplara benzer biçimde manyetik alanlar oluşturan bobinler ile yapılan deneyler, kuramsal hesaplarla büyük bir uyum içinde. Bu durum bugüne kadar hiçbir olumlu veri elde edilememesine rağmen bu yöntemin ba- şarılı olabileceğini gösteriyor.