Räkna på magneten, och den försvinner
Ta en magnet, ett par ekvationer och den klassiska fysik du lärde dig i skolan. Räkna sedan noga ut hur stark magneten borde vara. Svaret blir noll.
Det är inte ett räknefel. År 1911 bevisade den danske fysikern Niels Bohr precis det i sin doktorsavhandling. Åtta år senare kom den nederländska fysikern Hendrika Johanna van Leeuwen fram till samma sak, helt oberoende av honom. Deras slutsats, i dag kallad Bohr–van Leeuwens teorem, säger att en värld som bara lyder klassisk fysik inte kan ha några magneter alls.
Ändå sitter din kylskåpsmagnet kvar där du satte den. Något annat än den klassiska fysiken håller alltså uppe den.
Elektronen är en liten magnet, av fel skäl
Grunden till all magnetism är elektronen. Varje elektron beter sig som en pytteliten stavmagnet, med en nordände och en sydände. Egenskapen kallas spinn.
Namnet lurar dig. Det låter som att elektronen snurrar likt en snurra, men det gör den inte. Spinn är en rent kvantmekanisk egenskap utan motsvarighet i din vardagsvärld. Elektronen är magnetisk för att den råkar vara magnetisk. Det finns ingen liten rörelse du kan peka på som förklaring.
Redan här spricker den klassiska bilden. En snurrande laddning skulle mycket riktigt ge upphov till magnetism. Men elektronens spinn är ingen snurrande laddning, utan en inbyggd egenskap som bara kvantmekaniken kan beskriva.
Varför fastnar järn men inte koppar?
Alla ämnen är fyllda av elektroner. Varför är då just järn magnetiskt? I de flesta material pekar elektronernas små magneter åt alla möjliga håll. De tar ut varandra, och materialet blir omagnetiskt.
I järn, kobolt och nickel händer något annat. Där ställer sig enorma mängder elektroner med sina magneter åt exakt samma håll. Miljarder pyttemagneter pekar samstämmigt, och tillsammans blir de starka nog att hålla en lapp mot kylskåpsdörren.
Frågan är vad som får dem att ställa sig i givakt. Här kommer den verkligt märkliga delen.
Kraften som rätar in dem finns inte klassiskt
Din första gissning är nog att elektronernas egna magnetfält drar i varandra och tvingar dem parallella. Rimligt, men fel. Den kraften är alldeles för svag. Om den var hela förklaringen skulle järn bara vara magnetiskt nära den absoluta nollpunkten, inte i ditt kök.
Det som verkligen styr kallas utbytesväxelverkan, och den saknar helt motsvarighet i klassisk fysik. Den vilar på Paulis uteslutningsprincip, en kvantregel som säger att två elektroner aldrig får hamna i exakt samma tillstånd. För att lyda regeln måste elektroner med samma spinnriktning hålla större avstånd till varandra. Då stöter de bort varandra mindre, eftersom de bär samma elektriska laddning. Att ställa spinnen parallellt blir helt enkelt billigare, mätt i energi.
Det var den tyske fysikern Werner Heisenberg som förstod detta 1928. Kraften som håller din kylskåpsmagnet samman är alltså inte magnetisk i grunden. Den är elektrisk repulsion, silad genom en kvantregel om vilka tillstånd elektroner får dela.
Värmen vinner till slut
Ordningen är varken gratis eller evig. Skruvar du upp temperaturen börjar värmerörelsen skaka om elektronerna. Vid en viss punkt, Curietemperaturen, vinner kaoset. För järn ligger den vid 770 grader. Över den rasar den prydliga uppradningen ihop, och järnet slutar vara en magnet.
Det säger något viktigt. Magnetism är en ordning som kvantmekaniken bygger upp och som värmen ständigt sliter på. Så länge kylan håller står elektronerna kvar i sina led.
Det du tar för givet är det djupaste
Här finns en fin ironi. Bohrs upptäckt att klassisk fysik inte klarar magnetism kom flera år innan kvantmekaniken var färdig. Resultatet har kallats en av fysikhistoriens mest nedslående, men just den återvändsgränden blev en av trådarna som drog fysiken in i kvantvärlden.
Nästa gång du fäster en lapp på kylen kan du stanna vid det. Föremålet är så vardagligt att det känns självklart. Ändå går det bara att förstå om verkligheten på sin allra minsta nivå fungerar tvärtemot allt du ser omkring dig. Magnetism är inte ett undantag från det märkliga. Den är märkligheten, uppsatt mitt i ditt kök.
Precis som med gravitationen gäller att en av de mest bekanta krafterna också hör till de djupaste. Och vill du se samma elektronspinn göra något oväntat nyttigt, kan det snart kyla ditt nästa kylskåp.
Källor
- Niels Bohr, Studier over Metallernes Elektrontheori, doktorsavhandling, Köpenhamns universitet (1911) - Hendrika J. van Leeuwen, "Problèmes de la théorie électronique du magnétisme", Journal de Physique et le Radium (1921); doktorsavhandling (1919) - Werner Heisenberg, "Zur Theorie des Ferromagnetismus", Zeitschrift für Physik 49 (1928) - J. H. Van Vleck, The Theory of Electric and Magnetic Susceptibilities, Oxford University Press (1932) - A. Mookerjee m.fl., "The story of magnetism: from Heisenberg, Slater, and Stoner to Van Vleck", översiktsartikel (arXiv:1807.11291)
Vad tyckte du om artikeln?
