Zagadka magnetyzmu

Zjawisko magnetyzmu jest powszechnie znane – chyba każdy widział magnes i wie jak on dział. Może trochę bardziej zagadkowy jest elektromagnetyzm, ale uczą o tym na lekcjach fizyki w szkole podstawowej. Ot, po prostu specyficzne metale (ale nie tylko), a także płynący w przewodniku prąd elektryczny, potrafią zdalnie oddziaływać na inne metale (też nie tylko), - przyciągać je, odpychać, albo wywoływać w nich przepływ prądu. Wyjaśnienie tych zjawisk jest takie, że te materiały i płynący prąd wytwarzają wokół siebie pole elektromagnetyczne. Wszelkie prawa związane z tym zjawiskiem są dawno odkryte, reguły ustalone, a wzory zapisane. Wszystko jest jasne poza jednym pytaniem: dlaczego tak się dzieje? 

Dylemat jest analogiczny jak z grawitacją – zjawisko od dawna jest dokładnie opisane, ale do dziś uczeni nie wiedzą, dlaczego ona zachodzi i rozpaczliwie poszukują chociażby bozonu Higgsa. Aby załatwić problem przyjmuje się, że zjawisko grawitacji tłumaczy ogólna teoria względności Einsteina (hipotetyczna czasoprzestrzeń i jej ugięcie ma rzekomo powodować realne efekty). Natomiast analogicznie wyjaśnienie magnetyzmu ma być zawarte w szczególnej teorii względności. Nie będę powtarzał tu argumentów, które przytaczałem we wcześniejszych wpisach (polecam m. in. post Grawitacja – rozwiązanie zagadki), ani rozważał słabości dzisiejszych koncepcji dotyczących magnetyzmu i elektromagnetyzmu, a postaram się jedynie w sposób możliwie najprostszy zaprezentować, jak zjawiska te można wyjaśnić w świetle Teorii Kwantowej Przestrzeni.

Trzeba przypomnieć w dużym skrócie, że zgodnie TKP w naturze występują następujące byty:

1. krystaliczna przestrzeń, zbudowana z czworościennych kwantów przestrzeni,
2. cząstki materii, które są skondensowanymi (dwoma lub więcej) kwantami przestrzeni, odwzorowującymi kształt i wielkość kwantu przestrzeni,
3. elektrony, które są miejscami w krystalicznej przestrzeni pozbawionymi tej przestrzeni. One również odwzorowują kształt i wielkość kwantu przestrzeni, ale są puste w sensie absolutnym. Mimo pozorów (przypisuje się im znak „minus”) nie są one przeciwieństwem energii (której przypisuje się znak „plus”)
4. energia, która przepływa zarówno pomiędzy kwantami przestrzeni jak i cząstkami materii, na prostej zasadzie wyrównywania potencjałów (elektrony są absolutną przeszkodą w jej rozprzestrzenianiu się),

Przestrzeń jest całkowicie nieruchoma, natomiast cząstki materii, elektrony oraz energia mogą się w niej przemieszczać.

Przy omawianym temacie bardzo ważna jest jeszcze uwaga, że na objętości każdej dostępnej nam substancji składa się w ogromnej większość przestrzeń, zaś jądra atomów i elektrony tworzące dane ciało, wypełniają zaledwie niewielki ułamek całej jej kubatury. W dalszych rozważaniach pominę kwestie podziału ciał istotnych dla magnetyzmu na diamagnetyki, paramagnetyki, ferromagnetyki i inne, a postaram się jedynie zaprezentować sam mechanizm funkcjonowania tego zjawiska i wyjaśnić czym jest pole magnetyczne.

Wszystkie ciała, które w różnych sytuacjach wykazują właściwości magnetyczne mają jedną wspólną cechę - jest nią  ich uporządkowana budowa molekularna (krystaliczna lub do niej zbliżona). Chodzi dokładnie o taką budowę strukturalną układu jąder atomowych i krążących wokół nich elektronów, że tworzą one pomiędzy sobą swoiste ciągi przestrzeni, które można porównać do kanałów przenikających przez całą daną substancję. „Ściany” tych „kanałów” tworzą elektrony i chociaż nie są one całkowicie „szczelne”, to ciągi te są jednoznacznie wytyczone. Nie muszą one być prostoliniowe, ale z uwagi na krystaliczność zawsze są regularne (np. spiralne, czy też regularnie łamane)

Jeżeli do jednego miejsca takiej substancji dostarczymy energię (np. przez tarcie), to zgodnie z regułą wyrównywania potencjałów zacznie ona przemieszczać się wzdłuż wyżej omówionych ciągów przestrzeni. Można dodać, że dostarczona energia wpłynie także na drgania atomów, dzięki czemu podniesie się temperatura ciała, ale w omawianym procesie ma znaczenie tylko energia, która zostanie przekazana wypełniającej to ciało przestrzeni (mówimy tu o energii poszczególnych kwantów przestrzeni, zwanej w dzisiejszej fizyce energią próżni, lub energią punktu zerowego). Nie wpłynie ona na temperaturę przestrzeni, bowiem jej kwanty są zawsze nieruchome (więc nie drgają), ale zwiększa ich potencjał energetyczny. Nadmiar energii w danym kwancie przestrzeni zostanie przekazany sąsiednim kwantom, mającym jej dotychczas mniej, (zjawisko promieniowania, odbywające się z prędkością światła). Jak wyżej wskazałem odbywa to się głównie wzdłuż opisanych wyżej ciągów, - wytyczające je elektrony nie pozwalają na rozpraszanie się energii w innych kierunkach. Po dotarciu do przeciwległej ściany danego ciała energia ta przejdzie dalej do kwantów przestrzeni otaczających tę ścianę z zewnątrz i również zwiększy ich potencjał energetyczny. Od tego momentu powinna ona rozprzestrzeniać się sferycznie (we wszystkich kierunkach), jednak ponieważ "niedaleko", z drugiej strony magnesu, odbywa się proces pochłaniania energii, to część wyrzuconej energii „zawraca”, przechodząc poprzez zewnętrzne wobec magnesu kwanty przestrzeni aż do miejsca wlotu i ponownie odbywa drogę w jego wnętrzu. Powstaje swego rodzaju energetyczne perpetuum mobile (możliwe, gdyż przepływ energii w przestrzeni nie jest ograniczony tarciem).

Trzeba przypomnieć, że mówimy wyłącznie o przemieszczaniu się energii w przestrzeni (pomiędzy kwantami przestrzeni) i atmosfera ziemska (składająca się na nią materia) nie ma praktycznego znaczenia dla zjawiska magnetyzmu, aczkolwiek w próżni, np. w kosmosie, magnes działałby odrobinę wydajniej.

W efekcie część energii wyrzucanej z jednej strony magnesu przemierza kolistą drogę i dociera do niego z drugiej strony, tworząc w ten sposób pole, zwane magnetycznym. Jeżeli proces ten jest rozpoczęty, to przecięcie magnesu nie wpłynie na jego funkcjonowanie i oba kawałki będą nadal „przepompowywały” energię w zapoczątkowany wcześniej sposób. Wpływ na to zjawisko może mieć natomiast obniżenie lub zwiększenie poza pewne granice temperatury magnesu lub jego otoczenia, co znacząco zakłóci porządek w procesie przekazywania energii pomiędzy kwantami przestrzeni. Właściwości magnetyczne straci też dana substancja gdy zmienimy jej uporządkowaną budowę molekularna np. poprzez roztopienie, a więc zniszczenie istniejących w niej uporządkowanych ciągów przestrzeni.

Współczesna fizyka kwantowa trafnie podejrzewa, że w polu magnetycznym działają jakieś kwanty energii, ale ponieważ nie zdołano ich dotychczas „złapać”, nazywa się je „fotonami wirtualnymi”. W rzeczywistości nie są one wcale wirtualne, lecz realne, ale realizują się na najniższym z możliwych poziomów, na poziomie energii kwantu przestrzeni (wspomnianej energii próżni albo punktu zerowego) i ich uchwycenie będzie niezmiernie trudne.

Pole elektromagnetyczne jakie wytwarza płynący w przewodniku prąd elektryczny jest podobne do pola magnetycznego, ale mechanizm powstania jest inny. Nie jest do tego potrzebna materia o specyficznej, krystalicznej strukturze, jak w magnesach, ale substancja będąca przewodnikiem prądu elektrycznego, czyli posiadająca w sobie stosunkowo dużo wolnych elektronów. Trzeba znów przypomnieć, że na kubaturę przewodników składa się w ogromnej większości przestrzeń. Znajdujące się w niej kwanty przestrzeni (jak i wszystkie poza nią) nieustanie przekazują sobie porcje energii, ale nie odbywa to się w sposób uporządkowany, a dosyć chaotycznie, gdyż docierają do nich nieustannie śladowe ilości promieniowania z całego wszechświata, ze wszystkich kierunków, ze wszystkich źródeł, gdzie rozpoczęła się jakakolwiek emisja fal elektromagnetycznych (o ile jeszcze nie dotarły, to w końcu dotrą). 

Do wywołania pola elektromagnetycznego oprócz przewodnika potrzebny jest jeszcze płynący w nim prąd elektryczny, czyli (upraszczając zagadnienie) przemieszczanie się w przewodniku strumienia wolnych elektronów. Nastąpi to, gdy przyłożymy w jakimś punkcie przewodnika wydajne źródło takich elektronów (im ich więcej, tym większe napięcie).

Płynący z jednego kierunku strumień elektronów wywołuje w przewodniku zjawisko podobne do uporządkowanego przepływu energii w magnesach. Skupiona duża ilość elektronów powoduje, że energia zawarta w kwantach przestrzeni ma ograniczone możliwości przenikania w kierunku skąd one nadchodzą i w pewnym sensie zawraca aby przemieszczać się razem ze strumieniem elektronów. Obrazowo można to opisać jako zjawisko, w którym elektrony „pchają” przed sobą pewną ilość energii - każdy elektron czyni to indywidualnie, ale dopiero ich ilość powoduje widoczny efekt. Zwiększony w ten sposób potencjał musi jednak znaleźć ujście i energia częściowo przechodzi do kwantów przestrzeni otaczających przewodnik z zewnątrz. Ponieważ w przewodniku „z tyłu” za elektronami (w tamtych kwantach przestrzeni), obecnie jest niższy potencjał, więc „zasysają” one energie z zewnętrznych kwantów, gdzie właśnie pojawiło się jej więcej. Część energii krąży więc nieustająco wzdłuż całego przewodnika i tworzy pole elektromagnetyczne. Jest ono bardzo podobne jak w magnesach, ale tam możemy wskazać dokładnie miejsce wlotu i wylotu energii (bieguny) natomiast w przewodniku z prądem proces ten odbywa się na całej jego długości.

Należy jeszcze zauważyć, że tak jak elektrony stanowią całkowitą przeszkodę dla rozprzestrzeniającej się energii, tak kwanty przestrzeni z większym potencjałem energetycznym są trudniejsze do przesuwania przez elektrony (o tym jak one poruszają się po łańcuchach kwantów przestrzeni pisałem w poście Elektrony …). Dlatego dostarczenie przewodnikowi elektrycznemu (zawartej w nim przestrzeni) dodatkowej ilości energii, (np. przez podgrzanie), zwiększy także potencjał energetyczny kwantów przestrzeni (chociaż nie ich temperaturę) i spowoduje, że przemieszczanie się w nim elektronów będzie trudniejsze. Znaczy to, że wzrost energii, zauważalny dla nas jako wzrost temperatury, powoduje wzrost oporności przewodnika, ale za to jej obniżenie ułatwia przepływ elektronów (zmniejsza oporność).

Wskazane wzajemne relacje między elektronami i energią zawartą w kwantach przestrzeni (elektrony blokują promieniowanie, a ilość energia jaką napotykają na swej drodze elektrony ułatwia lub utrudnia ich przepływ) powodują zaistnienie jeszcze jednego zjawiska. Energia skupiona w postaci pola elektromagnetycznego może tak oddziaływać na poruszające się w jej obszarze przewodniki, że wewnątrz nich zaczną się przemieszczać w sposób uporządkowany większe ilości elektronów, czyli zacznie w nich płynąć prąd elektryczny – jest zjawisko indukcji elektrycznej.

Powyżej, na kilku stronach, spróbowałem wyjaśnić istotę procesów, którym poświęcono  całe wieki badań i tysiące obszernych prac naukowych. Siłą rzeczy moje wywody są bardzo uproszczone, ale mam jednak nadzieję, że wystarczająco obrazują jak w stosunkowo bardzo prosty sposób, dzięki zastosowaniu Teorii Kwantowej Przestrzeni, można wyjaśnić wciąż tajemnicze dla współczesnej nauki zjawisko magnetyzmu.