Los campos magnéticos juegan un papel importante tanto en escalas sub-atómicas cómo cósmicas, desde el spin de una partícula hasta el giro de una agrupación de galaxias. Aunque los científicos saben cómo crear y manipular campos magnéticos, así como utilizarlos para una gran variedad de aplicaciones, que van desde computadoras, hasta tarjetas de crédito, todavía no existe una teoría universal de cómo se originaron. En un nuevo estudio, dos científicos han propuesto un nuevo mecanismo de generación de campos magnéticos basado en las distorsiones del espacio-tiempo provocadas por la relatividad especial.
Los campos magnéticos son invisibles campos que ejercen una fuerza vectorial, que se caracteriza por su fuerza y dirección, y son producidas por objetos magnéticos o cambios en los campos eléctricos. Cuando se describe la dinámica ideal, los campos magnéticos son matemática y físicamente el equivalente de un vórtice, lo que significa que tienen tendencia a girar. Esto es lo que hace que sea difícil determinar el origen de los campos magnéticos, ya que significa que los campos magnéticos tienen helicidad, que es una especie de “carga topológica.” Sin embargo, la helicidad no puede cambiar bajo la influencia de una fuerza ideal, prohibiendo la aparición de cualquier vorticidad de un valor inicial cero.
Para sortear este obstáculo, los científicos disponen de la más reciente dinámica no-ideal. Los investigadores han analizado los mecanismos no-ideal, desde algo llamado el efecto baroclínico, hasta los procesos derivados de la inflación, la cromodinámica cuántica transiciones de fase, y los efectos de la radiación. Sin embargo, aunque estos mecanismos puedan desempeñar un papel importante para generar un campo magnético en ciertas escalas, ninguno de estos efectos puede ser considerado como un mecanismo universal que opere en todas las escalas.
En su nuevo estudio, Swadesh Mahajan, de la Universidad de Texas en Austin y Yoshida Zensho, de la Universidad de Tokio han propuesto algo totalmente diferente. Dado que todos los mecanismos no-ideal son demasiado débiles y no lo suficientemente generales como para explicar el origen de los campos magnéticos, decidieron volver a examinar la dinámica ideal. Encontraron que la vorticidad de los campos magnéticos puede ser generada en una dinámica estrictamente ideal, siempre y cuando la dinámica se incruste en el espacio-tiempo curvo descrito por la relatividad especial. Su mecanismo puede crear un campo magnético, que puede ser amplificado por el mecanismo de dínamo para crear grandes campos magnéticos.
Como demuestran los físicos, los efectos de la relatividad especial pueden destruir las restricciones topológicas que de otra forma prohíben la creación de campos magnéticos. Básicamente, las distorsiones del espacio-tiempo relativista pueden modificar la forma en que los campos de flujo no homogéneo interactuan con la entropía. Si bien otros mecanismos pueden también desempeñar un papel en la creación de campos magnéticos, la unidad de nueva creación relativista ha surgido como un fuerte mecanismo ideal para el origen universal de los campos magnéticos. El nuevo mecanismo es especialmente dominante para los flujos altamente relativistas, tales como plasmas cósmicos partícula-antipartícula, plasmas en la magnetosfera de estrellas de neutrones, etc Incluso para los plasmas no relativistas, la unidad relativista puede superar fácilmente la amortiguación y siguen siendo dominantes hasta que el campo magnético alcanza valores en el rango de 1 gauss, que es aproximadamente el doble del campo magnético de la Tierra.
“Para generar los campos magnéticos (una vorticidad) en un estado de ausencia de campo magnético, tenemos que romper el invariante topológico”, dice Mahajan. “Para que eso suceda, la fuerza efectiva tiene que ser aquellaque no se pueda expresar como un gradiente perfecto. La salida baroclínica puede hacerlo, y la relatividad especial también (en la dinámica ideal), simplemente con la obligatoriedad del uso de las ecuaciones del movimiento invariable de Lorentz. “
El descubrimiento de que la relatividad especial puede proporcionar un mecanismo universal ideal para generación de vorticidad, podría ayudar a los científicos a entender los orígenes de los campos magnéticos en entornos masivos astrofísicos. Como uno de los problemas no resueltos más desafiantes de la física teórica, la búsqueda de un origen universal de los campos magnéticos, también podría arrojar luz sobre las propiedades de los grandes sistemas físicos, y posiblemente incluso geometrías espacio-tiempo avanzadas.
“Los campos magnéticos se encuentran en todos los niveles de ajustes cósmicos y astrofísicos”, dijo Mahajan. “La mayoría de ellos son, tal vez, son reliquias creadas en algún momento de la evolución del universo. Los campos magnéticos podrían haber desempeñado un papel fundamental en la formación de estructuras. Y a menos que se aísle y se determine cómo y donde se generaron, será difícil escribir una historia satisfactoria del universo.Desentrañar el origen de la generación de los campos magnéticos en los sistemas de laboratorio, especialmente en los sistemas altamente relativista, es de nuevo un determinante fundamental de la evolución ulterior de tales sistemas y debe ser entendido. Estamos muy lejos de la entendimiento completo, pero esperamos haber dado un paso importante hacia la eventual recreación de la historia, que requerirá una gran cantidad de esfuerzo computacional y modelización “
Más información: SM Mahajan y Yoshida Z. Twisting Space-Time: Relativistic Origin of Seed Magnetic Field and Vorticity.” Physical Review Letters 105, 095005 (2010). DOI:10.1103/PhysRevLett.105.095005
Autor: Lisa Zyga.
Enlace original: Origin of magnetic fields may lie in special’s relativity spacetime distorsions.
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