miniatura|És impossible fer monopols magnètics a partir d'una barra d'imant. Si es divideix una barra d'imant, no passa que una de les parts tingui el pol nord i l'altra el pol sud. En canvi, cada peça té els seus propis pols nord i sud.Un monopol magnètic no es pot crear a partir de matèria normal com àtoms i electrons, sinó que seria una nova partícula elemental. En física de partícules, un monopol magnètic és una partícula elemental hipotètica que és un imant aïllat amb només un pol magnètic (un pol nord sense pol sud o viceversa). Un monopol magnètic tindria una «càrrega magnètica» neta. L'interès modern pel concepte prové de les teories de les partícules, sobretot la gran teoria unificada i les supercordes, que prediuen la seva existència.
El magnetisme en barres d'imants i electroimants no és causat per monopols magnètics i, de fet, no hi ha proves experimentals o observacionals conegudes que demostrin que existeixen monopols magnètics.
Alguns sistemes de matèria condensada contenen quasipartícules magnètiques monopolars efectives (no aïllades), o contenen fenòmens que són matemàticament anàlegs als monopols magnètics.
Antecedents històrics Ciències primerenques i física clàssica Molts primers científics van atribuir el magnetisme de les pedres imant a dos «fluids magnètics» diferents («efluvis»), un fluid que surt del pol nord en un extrem i un fluid surt del pol sud en l'altre, que s'atreuen i es repel·leixen mútuament per analogia a càrrega elèctrica negativa. Tanmateix, una comprensió millorada de l'electromagnetisme al va demostrar que el magnetisme de les pedres imant no s'explicava adequadament pels fluids monopols magnètics, sinó per una combinació de corrents elèctrics, el moment magnètic dels electrons i els moments magnètics d'altres partícules. La llei de Gauss per al magnetisme, una de les equacions de Maxwell, és la afirmació matemàtica que no existeixen monopols magnètics. No obstant això, Pierre Curie va assenyalar el 1894 que els monopols magnètics podrien existir concebiblement, tot i no haver-se vist fins ara.
Mecànica quàntica La teoria quàntica de la càrrega magnètica va començar amb un article del físic Paul Dirac el 1931. En aquest article, Dirac va demostrar que si existeixen monopols magnètics a l'Univers, llavors s'ha de quantificar tota la càrrega elèctrica de l'Univers (condició de quantificació de Dirac). De fet, la càrrega elèctrica es quantifica, la qual cosa és coherent, però no demostra l'existència de monopols.
Des de l'article de Dirac, s'han realitzat diverses recerques sistemàtiques dels monopols. Els experiments del 1975 i del 1982 van produir esdeveniments candidats que inicialment van ser interpretats com a monopols, però que ara es consideren poc concloents. Per tant, continua sent una pregunta oberta si existeixen monopols. Altres avenços en la física teòrica de partícules, en particular els desenvolupament de la teoria de la gran unificació i la teoria de la gravetat quàntica, han conduït a arguments més convincents (que es detallen a continuació) sobre els monopols. Joseph Polchinski, teòric de cordes, va descriure l'existència de monopols com «una de les apostes més segures que es poden fer sobre la física que encara no s'ha vist». Aquestes teories no són necessàriament incompatibles amb l'evidència experimental. En alguns models teòrics, és poc probable que s'observin monopols magnètics, ja que són massa massius per crear-los en acceleradors de partícules (vegeu Cerques de monopols magnètics a continuació) i també són massa rars a l’Univers per entrar en un detector de partícules amb molta probabilitat.
Alguns sistemes de matèria condensada proposen una estructura superficialment similar a un monopol magnètic, conegut com a tub de flux. Els extrems d'un tub de flux formen un dipol magnètic, però, ja que es mouen de forma independent, es poden tractar per a molts propòsits com a quasipartícules de monopols magnètics independents. Des del 2009, nombrosos informes de premsa popular han descrit incorrectament aquests sistemes com l'esperat descobriment dels monopols magnètics, però els dos fenòmens només es relacionen superficialment. «Oleg Tchernyshyov de la Universitat Johns Hopkins (un investigador en aquest camp) adverteix que la teoria i els experiments són específics dels gels de spin, i que no és probable que aportin llum sobre els monopols magnètics tal com va predir Dirac.» «No és la primera vegada que els físics creen monopols anàlegs. El 2009, els físics van observar monopols magnètics en un material cristal·lí anomenat gel de spin, que, quan es refreda al voltant del zero absolut, sembla omplir-se de monopols clàssics de mida d'un àtom. Aquests són magnètics en un sentit real, però no es poden estudiar individualment. Anàlegs similars també s'han vist en altres materials, com en l'heli superfluid .... Steven Bramwell, físic del University College de Londres qui va ser pioner en el treball sobre monopols en els gels de spint, diu que l'experiment (2014 dirigit per David Hall) va ser imprès, però que el que va observar no és un monopol de Dirac en la forma en què molta gent ho pot entendre. "Aquí hi ha una analogia matemàtica, bonica i ordenada. Però no són monopols magnètics.» Aquests sistemes de matèria condensada continuen sent una àrea d'investigació activa. (Vegeu «Monopols» en sistemes de matèria condensada a continuació.)
Pols i magnetisme en matèria ordinària
Tota la matèria aïllada fins ara, inclosos tots els àtoms de la taula periòdica i totes les partícules del model estàndard, té una càrrega monopòlica magnètica nul·la. Per tant, els fenòmens ordinaris de magnetisme i imants no deriven de monopols magnètics.
En canvi, el magnetisme en matèria ordinària es deu a dues fonts. En primer lloc, els corrents elèctrics creen camps magnètics segons la llei d'Ampère. En segon lloc, moltes partícules elementals tenen un moment magnètic intrínsec, el més important del qual és el moment dipolar elèctric de l'electró, que està relacionat amb el seu espín mecànic quàntic.
Matemàticament, el camp magnètic d'un objecte es descriu sovint en termes d'un desenvolupament multipolar. Aquesta és una expressió del camp com la suma de camps components amb formes matemàtiques específiques. El primer terme del desenvolupament s'anomena «terme monopolar», el segon es diu «dipol», després «quadrupol», després «octupol», etc. Qualsevol d'aquests termes pot estar present en el desenvolupament multipolar d'un camp elèctric, per exemple. No obstant això, en el desenvolupament multipolar d'un camp magnètic, el terme «monopol» sempre és exactament zero (per a matèria ordinària). Un monopol magnètic, si existeix, tindria la propietat definidora de produir un camp magnètic el terme de «monopol» del qual és diferent de zero.
Un dipol magnètic és una cosa el camp magnètic del qual és descrit predominantment o exactament pel terme «dipol magnètic» del desenvolupament multipolar. El terme «dipol» significa «dos pols», que corresponen al fet que un imant dipolar normalment conté un pol nord per un costat i un pol sud per l'altre costat. Això és anàleg a un dipol elèctric, que té càrrega positiva per un costat i càrrega negativa per l'altre. No obstant això, un dipol elèctric i un dipol magnètic són fonamentalment força diferents. En un dipol elèctric fet amb matèria ordinària, la càrrega positiva està formada per protons i la càrrega negativa està formada per electrons, però un dipol magnètic no té diferents tipus de matèria creant el pol nord i el pol sud. En canvi, els dos pols magnètics sorgeixen simultàniament de l'efecte agregat de tots els corrents i moments intrínsecs a tot l'imant. A causa d'això, els dos pols d'un dipol magnètic han de tenir sempre força igual i oposada, i els dos pols no es poden separar els uns dels altres.
Les equacions de Maxwell Les equacions de Maxwell de l'electromagnetisme relacionen els camps elèctrics i magnètics entre si i amb els moviments de les càrregues elèctriques. Les equacions estàndard proporcionen càrregues elèctriques, però no posseeixen càrregues magnètiques. Excepte aquesta diferència, les equacions són simètriques sota l'intercanvi dels camps elèctrics i magnètics.El fet que els camps elèctrics i magnètics es puguin escriure de manera simètrica és específic del fet que l'espai és tridimensional. Quan les equacions de l'electromagnetisme s'extrapolen a altres dimensions, el camp magnètic es descriu com un tensor antisimètric de rang dos, mentre que el camp elèctric continua sent un veritable vector. En dimensions diferents de tres, aquests dos objectes matemàtics no tenen el mateix nombre de components. Les equacions de Maxwell són simètriques quan la càrrega i la densitat de corrent elèctrica són zero a tot arreu, com és el cas del buit.
Les equacions de Maxwell totalment simètriques també es poden escriure si es permet la possibilitat de «càrregues magnètiques» anàlogues a les càrregues elèctriques. Amb la inclusió d'una variable per a la densitat d'aquestes càrregues magnètiques, per exemple , també hi ha una variable de «densitat de corrent magnètic» a les equacions, .
Si no existeixen càrregues magnètiques (o si existeixen però no estan presents en una regió de l'espai), els nous termes de les equacions de Maxwell són tots zero, i les equacions desenvolupades es redueixen a les equacions convencionals de l'electromagnetisme, com ara (on és divergència i és el camp magnètic ).
En unitats gaussianes Les equacions de Maxwell desenvolupades són, en unitats gaussianes, les següents:
+Equacions de Maxwell i l'equació de la força de Lorentz amb monopols magnètics: unitats gaussianes Nom Sense monopols magnètics Amb monopols magnètics Llei de Gauss Llei del Gauss per al magnetisme Llei de Faraday de la inducció Llei d'Ampère (amb l'ampliació de Maxwel) Llei de la Força de Lorentz
En aquestes equacions, és la densitat de càrrega magnètica, és la densitat de corrent magnètica i és la càrrega magnètica d'una partícula de prova, tot definit de manera anàloga a les quantitats de càrrega i corrent elèctriques relacionades; és la velocitat de la partícula i és la velocitat de la llum. Per a la resta de definicions i detalls, vegeu les equacions de Maxwell. Per a les equacions en forma adimensionalitzada, s'eliminen els factors de .
En Sistema Internacional d'Unitats En les unitats SI, hi ha dues definicions contradictòries en l'ús de la càrrega magnètica , amb unitats diferents: weber (Wb) i ampere-metre (A⋅m). La conversió entre ells és , ja que les unitats són mitjançant anàlisi dimensional (H és el henry, la unitat SI d'inductància).
Les equacions de Maxwell adopten les formes següents (utilitzant la mateixa notació anterior):Per a la convenció on la càrrega magnètica té unitats de weber, vegeu Jackson (1999). En particular, per a les equacions de Maxwell, vegeu la secció 6.11, equació (6.150), pàgina 273, i per a la llei de la força de Lorentz, vegeu la pàgina 290, exercici 6.17 (a). Per a la convenció en què la càrrega magnètica té unitats d'ampere-metre, vegeu , (4), per exemple. + Equacions de Maxwell i l'equació de la força de Lorentz amb monopols magnètics: Sistema Internacional d'Unitats Nom Sense monopols magnètics Amb monopols magnètics Convenció en weber Convenció en ampere-metre Llei de Gauss Llei de Gauss per al magnetisme Llei de Faraday de la inducció Llei d'Ampère (amb l'ampliació de Maxwell) Equació de la Força de Lorentz
Formulació en tensors Les equacions de Maxwell en el llenguatge dels tensors deixen clara l'invariància de Lorentz. Les equacions generalitzades són:
Equacions de Maxwell Unitats gaussianes SI d'unitats (Wb) SI d'unitats (A⋅m) Llei de Faraday-Gauss Llei d'Ampère-Gauss Llei de la Força de Lorentz
on és el tensor electromagnètic, = és el tensor electromagnètic dual, per a una partícula amb càrrega elèctrica i càrrega magnètica ; és la quadrivelocitat i el quadrimoment,