Każdy z nas w dzieciństwie bawił się magnesami. Przyciąganie, odpychanie, fascynujące próby złączenia dwóch takich samych biegunów siłą... A czy zastanawiałeś się kiedyś, co by się stało, gdyby przeciąć magnes na pół? Intuicja podpowiada, że powinniśmy otrzymać jeden biegun północny i jeden południowy. Rzeczywistość okazuje się jednak zupełnie inna – w ten sposób stworzymy po prostu dwa mniejsze magnesy, z których każdy nadal ma dwa bieguny. Dlaczego tak się dzieje i dlaczego w przyrodzie nie spotykamy magnesów z tylko jednym biegunem?

Jak powstaje magnetyzm, czyli fizyka krok po kroku

Aby zrozumieć, dlaczego magnes zawsze musi mieć dwa bieguny, musimy zejść do poziomu atomowego i przyjrzeć się prawom rządzącym fizyką. Oto jak krok po kroku powstaje to zjawisko:

1. Ruch ładunków elektrycznych: Magnetyzm nie istnieje sam z siebie – jest nierozerwalnie związany z elektrycznością. Każde pole magnetyczne powstaje w wyniku ruchu ładunków elektrycznych. W klasycznym magnesie tymi „ruchomymi ładunkami” są elektrony krążące wokół jąder atomowych oraz obracające się wokół własnej osi (jest to tzw. spin).
2. Mikroskopijne pętle prądu: Każdy pojedynczy elektron zachowuje się jak miniaturowy magnes pętlowy. Ponieważ ruch ładunku tworzy zamkniętą pętlę prądu, generowane przez niego pole magnetyczne również musi mieć formę zamkniętych linii. Linia pola musi gdzieś „wyjść” i gdzieś „wejść”. Miejsce, z którego linie pola magnetycznego wychodzą, nazywamy biegunem północnym (N), a miejsce, do którego wracają – biegunem południowym (S).
3. Równania Maxwella i brak monopoli: W fizyce fakt ten opisuje jedno z fundamentalnych równań elektrodynamiki klasycznej – prawo Gaussa dla magnetyzmu. Matematycznie zapisuje się je jako:
   $$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$$
   Oznacza to, że dywergencja indukcji magnetycznej $\mathbf{B}$ jest równa zeru. Przekładając to na prosty język: strumień pola magnetycznego przechodzący przez dowolną powierzchnię zamkniętą wynosi zero. Nie istnieją „źródła” ani „ujścia” pola magnetycznego w postaci pojedynczych punktów (ładunków magnetycznych). Linie pola magnetycznego zawsze tworzą zamknięte pętle.
4. Efekt cięcia magnesu: Kiedy przecinasz magnes na pół, nie rozdzielasz fizycznie jego biegunów. Rozdzielasz jedynie strukturę domen magnetycznych (obszarów, w których spiny elektronów są uporządkowane w tym samym kierunku). W miejscu cięcia elektrony nadal są zorientowane tak samo, więc na nowo powstałych końcach natychmiast indukują się nowe, przeciwne bieguny.

Czy magnetyczny samotnik jest w ogóle możliwy?

W fizyce pojęcie pojedynczego bieguna magnetycznego nazywa się monopolem magnetycznym. Byłby to odpowiednik ładunku elektrycznego – tak jak mamy pojedynczy ładunek dodatni (proton) lub ujemny (elektron), tak monopol magnetyczny byłby po prostu „samotnym” biegunem północnym lub południowym.

W 1931 roku wybitny fizyk Paul Dirac wykazał matematycznie, że istnienie monopoli magnetycznych jest możliwe i doskonale tłumaczyłoby, dlaczego ładunek elektryczny jest skwantowany (czyli występuje tylko w określonych porcjach). Co więcej, wiele współczesnych teorii kosmologicznych i teorii wielkiej unifikacji (GUT) zakłada, że monopole magnetyczne powinny były powstać we wczesnym Wszechświecie.

Mimo to, do dziś – pomimo dekad poszukiwań i zaawansowanych eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (CERN) – nigdy nie zaobserwowano wolnego, izolowanego monopolu magnetycznego w przyrodzie. Choć naukowcom udało się stworzyć w laboratoriach tzw. kwazicząstki zachowujące się jak monopole (np. w specjalnych materiałach zwanych lodami spinowymi), są to jedynie efekty zbiorowe wielu cząstek, a nie pojedyncze, fundamentalne monopole.

Dlaczego Ziemia ma tylko dwa bieguny geograficzne?

Skoro wiemy już, dlaczego magnesy mają dwa bieguny, warto zadać sobie pytanie o bieguny geograficzne naszej planety. Dlaczego Ziemia ma tylko biegun północny i południowy?

Tutaj odpowiedź tkwi w czystej geometrii i ruchu obrotowym:

• Ziemia obraca się wokół własnej osi.
• Oś obrotu to prosta linia przechodząca przez środek kuli.
• Zgodnie z prawami geometrii, każda prosta przechodząca przez środek sfery przetnie jej powierzchnię w dokładnie dwóch punktach.

Te dwa punkty przecięcia osi obrotu z powierzchnią planety to właśnie bieguny geograficzne: północny i południowy. Każda rotująca bryła w trójwymiarowej przestrzeni będzie miała dokładnie dwa takie punkty.

Ciekawostki o biegunach, które warto znać

• Magnetyczna zamiana miejsc: Bieguny magnetyczne Ziemi nie są przypisane na stałe do swoich miejsc. Co kilkaset tysięcy lat dochodzi do tzw. przebiegunowania Ziemi (odwrócenia pola magnetycznego). W historii naszej planety zdarzało się to już setki razy – wówczas igła kompasu wskazująca dziś północ, wskazywałaby południe.
• Geograficzny vs magnetyczny: To, co na kompasie nazywamy „północą”, to z punktu widzenia fizyki... południowy biegun magnetyczny Ziemi. Ponieważ przeciwne bieguny się przyciągają, północny biegun igły kompasu musi być przyciągany przez magnetyczny biegun o przeciwnym znaku (czyli południowy), który znajduje się w okolicach geograficznej północy.
• Wędrówka biegunów: Magnetyczny biegun północny nie pokrywa się idealnie z geograficznym i cały czas się przemieszcza. Obecnie dryfuje z Kanady w stronę Syberii z prędkością około 50-60 kilometrów rocznie.