Die Jagd nach Magneten mit nur einem Pol

In der Schule lernt man: Ein Magnet hat immer zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol. Doch viele Physiker glauben das nicht. Sie suchen nach einzelnen Magnet-Polen – nach Nordpolen ohne Südpol. Lange war diese Suche erfolglos. Nun aber haben sie eine heisse Spur.

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Rätsel Magnetismus

9:37 min, aus Wissenschaftsmagazin vom 03.02.2014

Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einzelnen magnetischen Polen. Bisher ohne Erfolg. Doch immerhin gelingt es ihnen seit kurzem, solche Pole im Labor zu simulieren – zum Beispiel in Kristallen oder kalten Atomwolken.

Ihren Anfang nahm die Geschichte der magnetischen Pole mit dem französischen Gelehrten Petrus Peregrinus. Der fragte sich vor rund 800 Jahren: Kann ich bei einem Magneten einfach den Südpol abschneiden, so dass nur noch der Nordpol übrigbleibt?

Winzige Kompassnadeln

Dazu nahm er einen Magneten, halbiert ihn, halbierte die Hälften wieder und so weiter, bis nur noch ganz kleine Stücke übrig waren. Dann mass er diese Bruchstücke mit kleinen Kompassnadeln aus. Das Resultat: Jedes noch so kleine Bruchstück verfügte immer über einen Nord- und einen Südpol.

Ein Stabmagnet mit Südpol und Nordpol, verbunden mit Feldlinien.

Bildlegende: Untrennbar: Normale Magneten haben immer zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol. Colourbox

Heute wissen die Physiker, dass das bis in die kleinsten Bausteine der Materie hinein gilt. Auch Atomkerne und Elektronen sind eine Art winzige Kompassnadeln, und auch sie haben immer beides: einen Nord- und einen Südpol.

Man kann die beiden magnetischen Pole also offenbar nicht voneinander trennen. Aber muss das eigentlich so sein? Das fragte sich zum Beispiel der Physiker Pierre Curie, der Mann der berühmten Marie Curie. Er kam zum Schluss, dass man sich ohne Probleme einzelne freie magnetische Pole denken kann – sogenannte Monopole.

Curies Vorbild waren dabei die elektrischen Ladungen: Die lassen sich nämlich trennen. Das heisst, man kann negative und positive elektrische Ladungen auseinander nehmen. So erzeugt man elektrischen Strom. Also wäre es plausibel, dass man auch magnetische Pole voneinander trennen kann. Analog liesse sich damit dann ein magnetischer Strom erzeugen, mit allerlei technischen Anwendungen.

Der Traum von Paul Dirac

Ähnlich wie Curie dachte der britische Physiker Paul Dirac. Er konnte 1931 beweisen, dass die Gleichungen der modernen Physik den magnetischen Monopol nicht verbieten. Ausserdem löste er so gleich noch eine Ungereimtheit in der Physik: die Frage nämlich, weshalb elektrische Ladungen nur ganz bestimmte Werte annehmen können.

Theoretisch lässt die Physik magnetische Monopole also zu. Warum sollte die Natur von dieser Möglichkeit dann nicht Gebrauch machen? «Das ist eines der grössten Rätsel der Physik», sagt der Physiker Hans Benjamin Braun vom University College Dublin.

Dirac war so begeistert vom Konzept der magnetischen Monopole, dass einige Kollegen ihn «Monopoleon» nannten. Viele liessen sich von seiner Begeisterung anstecken und machten sich auf die Suche nach magnetischen Monopolen. Sie suchten überall: im Gestein, am Meeresgrund, im Weltall, in Teilchenbeschleunigern. Ohne Erfolg. Zwar gab es einige einzelne Beobachtungen, doch die erwiesen sich stets als Fehlalarm. Bald bekam der magnetischen Monopol deshalb den Spitznamen «Yeti der Physik» verpasst. Weil er genauso schwer aufzuspüren sei wie dieses Fabelwesen.

Erfolg mit Kristallen

Nach zahlreichen Misserfolgen wäre das Konzept des magnetischen Monopols fast in der Versenkung verschwunden. Doch dann gelang es einem Forscherteam im Jahr 2009, magnetische Monopole in speziellen Kristallen zu erzeugen. Es waren zwar keine freien magnetischen Monopole, wie die, von denen Dirac geträumt hatte. Sie existierten nur als kollektives Phänomen innerhalb der Kristalle. Doch immerhin konnte man nun magnetische Monopole erschaffen und studieren.

Wenig später gelang es dem Schweizer Hans Benjamin Braun und seinen Kollegen, die Monopole im Kristall sogar herumzubewegen. Seither arbeiten wieder mehr Forscher an der Idee der magnetischen Monopole. Sie versuchen, solche Monopole in immer neuen Systemen zu erzeugen. Jüngst ist das etwa in einer sehr kalten Atomwolke gelungen. Das berichten Forscher in der neusten Ausgabe des Fachmagazins «Nature».

Das eine Ziel der Forscher ist, mit den magnetischen Monopolen neuartige Computer zu bauen. «Der Traum ist, die magnetischen Monopole genau so manipulieren zu können wie die elektrischen Ladungen in heutigen Computern», sagt Hans Benjamin Braun.

Rosige Aussichten

Das zweite Ziel bleibt, freie magnetische Monopole zu entdecken. Zum Beispiel mit dem Experiment MoEDAL am Teilchenbeschleuniger Cern in Genf. Die Chancen darauf sind gestiegen. Denn wenn physikalische Phänomene in Kristallen oder andern Festkörpern vorkommen, werden sie später oft auch im freien Raum nachgewiesen.

So war es zum Beispiel beim ominösen Higgs-Teilchen, das ebenfalls zuerst aus Festkörpern bekannt war und 2012 schliesslich am Cern nachgewiesen wurde. Gut möglich, dass es auch beim magnetischen Monopol so sein wird. Dann würde Diracs Traum doch noch wahr. Und einige Schulbücher müssten umgeschrieben werden.