Der Vater der amerikanischen Wasserstoffbombe, Edward Teller, dachte ständig darüber nach, superstarke Waffen zu entwickeln. Einmal aß er mit dem berühmten theoretischen Physiker und Kosmologen Neil Turok zu Mittag und er erzählte mir, dass er an magnetischen Monopolen arbeite – hypothetischen Teilchen, die keine elektrische, sondern eine magnetische Ladung haben. Zum Entsetzen des Gesprächspartners begann Teller sofort herauszufinden, wie man die Monopole als Füllung für eine Superbombe verwenden könnte.
Was ist dieses Teilchen? Gemäß der klassischen Elektrodynamik und der Quantenelektrodynamik sind elektrische Ladungen und elektrische Ströme die Quelle des elektromagnetischen Felds. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass es auch magnetische Ladungen gibt, die eine besondere Art von Teilchen tragen, die sich als einzelne magnetische Pole äußern. Der Fluss solcher magnetischen Monopole kann einen bestimmten Strom bilden – wiederum nicht elektrisch, sondern magnetisch. Magnetische Ladungen und magnetische Ströme lassen sich leicht in Maxwells Gleichungen einführen, was sie nur symmetrischer macht. Diese Idee kam 1894 Pierre Curie, der sich nicht nur mit radioaktiven Elementen beschäftigte, sondern sich auch viel mit magnetischen Phänomenen beschäftigte. Curie beschränkte sich darauf, es in einer kurzen Notiz darzustellen, da noch nie jemand solche Ladungen und Strömungen beobachtet hatte.
Eingefrorene Monopole
Im Herbst 2009 veröffentlichte die Zeitschrift Science die Arbeit zweier wissenschaftlicher Gruppen - einer deutsch-britischen Gruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern des Deutschen Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und einer französisch-britischen Gruppe unter Leitung von Forschern des Laue-Langevin-Instituts in Grenoble – die Festkörpermodelle magnetischer Monopole auf der Basis von Dysprosiumtitanat (Dy2Ti2O7) demonstrierten. Dieses Material hat an jeder Stelle des Kristallgitters vier freie magnetische Spins, die unterschiedliche Orientierungen ermöglichen. Dies ähnelt der Konfiguration von Wassermolekülen in Eis, weshalb solche Materialien zusammenfassend als "Spin-Eis" bezeichnet werden. Mittels Neutronenstreuung konnten Wissenschaftler zeigen, dass im Spin-Eis bei niedrigen Temperaturen in einem Magnetfeld ein Netzwerk aus ineinander verschlungenen Spinketten entsteht (die Autoren nannten es „Spin-Spaghetti“), die „von der Seite“(in weitem Abstand) blicken mehr als atomar) wie Dirac-Strings – hypothetische eindimensionale Objekte, an deren Enden sich Monopole mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens befinden, also Monopole und Antimonopole (außerdem sind die Strings selbst im ursprünglichen Dirac-Modell nicht beobachtbar, bedingt deren Enden als unabhängige Teilchen angesehen werden können). Dabei handelt es sich natürlich nicht um echte Monopole, sondern um spezifische Quasiteilchen-Sammelanregungen in Medien mit besonderen magnetischen Eigenschaften, die sich beim Neutronenscannen als magnetische Monopole manifestieren. Auf kleineren Maßstäben verschwindet diese Ähnlichkeit. Beispielsweise bildet das mikroskopische Magnetfeld von Spin-Spaghetti selbst an ihren Enden keine Merkmale, während das Feld eines echten Monopols in der Nähe gegen unendlich geht.
Gleiche des Universums
Der nächste Schritt wurde 1931 von Paul Dirac unternommen. Er fand heraus, dass die magnetische Monopol-Hypothese nicht nur nicht den Prinzipien der Quantenphysik widerspricht, sondern sogar zu sehr interessanten Konsequenzen führt. Seine Berechnungen zeigten, dass das Produkt aus jeder elektrischen Ladung und der Ladung eines Monopols gleich der Hälfte des Produkts aus der Planckschen Konstante und der Lichtgeschwindigkeit ist, multipliziert mit einer ganzen Zahl oder Null (letzteres bedeutet, dass es in der Natur keine Monopole gibt, da elektrische Ladungen sind sicherlich vorhanden). Aus der Dirac-Formel folgt, dass im CGS-System die Mindestladung des Monopols fast das 70-fache der Ladung des Elektrons beträgt. Daher wird der Monopol durch Magnetfelder sehr stark abgelenkt und lässt sich leicht nachweisen – auf einer fotografischen Emulsion oder in einer Nebelkammer. Seit 1951 wird in der kosmischen Strahlung und später in Beschleunigern nach diesen Teilchen gesucht, jedoch immer ohne Erfolg. Alles sprach dafür, dass Monopole entweder gar nicht existieren oder in der Nähe des Sonnensystems nicht vorkommen.
Dirac-Saiten und magnetische Monopole
In seinem Artikel über Monopole merkte Dirac an, dass es, da sie von der Quantenmechanik zugelassen werden, „überraschend wäre, wenn die Natur diese Gelegenheit nicht nutzen würde“. Und 1974 zeigten Alexander Polyakov und Gerard Hooft, dass unter bestimmten Bedingungen im jungen Universum Monopole einfach geboren werden mussten. Diese Schlussfolgerung folgt aus einer ganzen Klasse von Theorien, die die Beziehungen zwischen fundamentalen Kräften kurz nach dem Urknall beschreiben. Als das Alter des Universums 10−36 Sekunden betrug, trennte sich die starke Wechselwirkung von der elektroschwachen und erhielt eine unabhängige Existenz. Gleichzeitig bildeten sich im Vakuum punktförmige topologische Defekte, eine Art Knoten, die in ihren zentralen Kernen gigantische Energie tragen und daher eine riesige Masse haben, mindestens 1015 Mal größer als die Masse eines Protons. Dies waren die magnetischen Monopole – oder vielmehr ihre Embryonen. Sie wurden zu Monopolen, nachdem sich auch die elektroschwache Wechselwirkung in zwei Teile gesp alten hatte und echter Elektromagnetismus auftrat. Und dann erschien Protomonomoly in der fertigen Form von Teilchen mit einzelnen Magnetpolen.
Imitation magnetischer Monopole im Spineis
Schwer fassbar und gefährlich
Wenn diese Theorie stimmt, warum können dann keine Monopole erkannt werden? Teilchen mit solch einer gigantischen Masse können an keinem Beschleuniger erzeugt werden, aber sie werden auch nicht in der kosmischen Strahlung gefunden. Nach der gängigen kosmologischen Theorie entstanden vor Beginn der inflationären Expansion des Universums Monopole, die den Raum so weit ausdehnten, dass ihre Dichte auf unbeobachtbare Werte abnahm. Glaubt man der zyklischen Kosmologie, über die „PM“in der letzten Ausgabe gesprochen hat, hat sich das Universum nie auf Temperaturen erwärmt, bei denen die Geburt von Monopolen möglich ist. Entweder ist die Dichte dieser Partikel zu gering oder sie existieren einfach nicht.
Was ist mit einer Monopolbombe? Es stellt sich heraus, dass Teller Grund hatte, auf sie zu hoffen. Der Fall ist klein - wo bekommt man Monopole her?