Магнитные монополи

В предыдущих главах мы часто упоминали о легендарной симметрии и красоте уравнений в теории электромагнетизма Максвелла. Однако существует один “недостаток”, нарушающий в остальном безупречное изящество теории Максвелла. Электричество и магнетизм представлены в уравнениях Максвелла не равнозначно. Хотя электрическая и магнитная силы тесно взаимосвязаны, они входят в теорию не вполне симметрично. Электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, в то время как магнитные поля создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями. Казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не могли создаваться магнитными зарядами (а электрические поля – магнитными токами).

У любого обычного стержневого магнита есть северный и южный полюса, но более глубокий анализ показывает, что магнетизм в действительности обусловлен электрическими токами, циркулирующими в атомах. Так как виток с током эквивалентен паре магнитных полюсов – северному с одной стороны витка и южному – с другой, магнит представляет собой “диполь”, т.е. имеет одновременно и северный, и южный полюса. Виток с током не может иметь только один полюс, подобно тому, как монета не может иметь лишь одну сторону. От магнита нельзя отделить один полюс, т.е. создать монополь.

Исследования показывают, что все магниты представляют собой диполи. Магнитные монополи, если они существуют, должны быть крайне неуловимы. Систематическое изучение горных пород, в том числе и лунного грунта и проб, взятых со дна океана, не обнаружило ни одного отдельного магнитного заряда. Многие физики склонны думать, что магнитных монополей не существует. Если это действительно так, то магнетизм – всего лишь вторичный продукт электричества. Принять такую гипотезу это значит признать, что в природе не существует симметрии между электричеством и магнетизмом.

В 1931 г. английский физик‑теоретик Поль Дирак обнаружил, что в квантовой физике определенно есть место магнитным монополям, хотя в природе такая возможность не используется. Связав существование магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил весьма любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь действительно существует, утверждал Дирак, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая в свою очередь определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь вдруг заявит о себе, мы по крайней мере знаем, какой величины должен быть магнитный заряд.

Хотя проведенный Дираком анализ выявил место магнитного монополя в физике, из теории Дирака отнюдь не следовало, что магнитные монополи непременно существуют. Почти за полвека на эту тему было написано не так уж много. И вдруг в 1975 г. физики были потрясены сообщением о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Сообщение оказалось ложной тревогой, но послужило стимулом к возрождению интереса к проблеме. Этому немало способствовали новые теоретические идеи, благодаря которым новая концепция монополя оставила далеко позади работу Дирака. По существу теоретики установили, что существование магнитных диполей с той или иной степенью неизбежности вытекает из ТВО.

Монополь Великого объединения (МВО) “придумали” Хоофт и советский физик из Москвы Александр Поляков. В их теоретических работах было показано, что МВО, если они существуют, должны обладать довольно странными свойствами. Прежде всего масса монополя должна несколько превышать массу, характерную для объединения, т.е. составлять почти 10^16 масс протона, иначе говоря, достигать массы амебы. Магнитные монополи не являются точечными частицами. Они должны обладать сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из силовых зон.

Поскольку о прямом рождении столь массивных частиц не может быть и речи, сторонники концепции магнитного монополя обратились к космологии. А что если МВО образовались вместе с обычным веществом в процессе Большого взрыва и сохранились как реликты до наших дней? Срочно были произведены вычисления, чтобы выяснить, сколько монополей могло сохраниться в таком случае. К великому удивлению теоретиков оказалось, что Вселенная должна буквально кишеть МВО. Согласно одной из оценок, магнитных монополей должно быть не менее чем атомов. Ясно, что в вычислениях что‑то не так. Жесткие пределы распространенности монополей вытекают из величины магнитного поля Галактики. В лучшем случае монополи уступают по численности атомам в 10^16 раз.

Теоретики все еще расходятся во мнениях относительно того, что тут делать, и называют эту конфликтную ситуацию проблемой монополя. В гл. 12 мы коснемся некоторых свежих идей, которые, по‑видимому, позволяют точно решить проблему монополя. А пока внимание физиков привлекли некоторые возможные следствия того, что распространенность магнитных монополей во Вселенной действительно достигает максимальной величины, допускаемой астрономическими наблюдениями. Как показывают оценки, ежегодно до 200 монополей может попадать на каждый квадратный километр поверхности. Земли из космического пространства. Если бы удалось зарегистрировать хотя бы один из них, то это явилось бы блестящим подтверждением Великого объединения.

Такая перспектива стимулировала ряд попыток обнаружить космические монополи с помощью витков с током. Все эти эксперименты основаны на одном принципе – использовании некоторых материалов, обладающих сверхпроводимостью (при охлаждении до очень низких температур сверхпроводники полностью утрачивают электрическое сопротивление). Сверхпроводимость – по существу квантовый эффект, и одно из важных свойств электрического тока, текущего по сверхпроводящему витку, состоит в том, что магнитное поле этого тока “квантовано”, т.е. величина магнитного потока может быть лишь целым кратным некоторой величины. Если через такой виток пролетит магнитный монополь, то величина магнитного потока через виток скачком изменится на несколько квантовых единиц.

14 февраля 1981 г. Блаз Кабрера из Станфордского университета зарегистрировал такой скачок магнитного потока. Наблюдение Кабреры вызвало в некотором роде сенсацию и приветствовалось экспериментаторами как первое убедительное свидетельство обнаружения магнитного монополя из космического пространства. Другие группы поспешили провести свои эксперименты, надеясь подтвердить результат Кабреры, но пока безуспешно. В то время, когда писались эти строки, росло убеждение, что монополь Кабреры также может оказаться ложной тревогой.

Между тем теоретики вплотную занялись вопросом о том, что уже удалось бы наблюдать, если бы на Землю из космического пространства посыпались монополи. Одна из отличительных особенностей МВО – огромная масса, что делает его гигантским хранилищем энергии, в 10^16 раз большей, чем выделяется при расщеплении ядра урана в ядерном реакторе. Для энергоснабжения среднего дома вполне хватило бы нескольких десятков монополей в день.

Чтобы выделилась такая энергия, должна произойти аннигиляция монополя и антимонополя, т.е. северного и южного полюсов. Возникновение каждого северного полюса сопровождается появлением южного полюса, поэтому в среднем на поверхность Земли должно попадать одинаковое количество северных и южных полюсов. Поскольку магнитные монополи, погружаясь в обычное вещество, сохраняют свою стабильность, их в принципе можно было бы накапливать, сортируя северные и южные и запасая в своего рода электромагнитных “сосудах”. При необходимости, смешав несколько северных полюсов с равным количеством южных полюсов, можно было бы получить поразительное количество энергии. В крупных масштабах подобное устройство могло бы превратиться в бинарное оружие чудовищной силы.

Некоторые геофизики допускают, что нечто подобное может происходить в естественных условиях в недрах Земли. Падающие на Землю монополи замедляются в земной коре, а попав в ядро Земли, накапливаются там. Геомагнитное поле должно отводить северные полюсы к северу, а южные – к югу, препятствуя их перемешиванию. При обращении геомагнитного поля эти две популяции могут меняться местами, и при миграциях во встречных направлениях происходило бы большое число столкновений северных полюсов с южными, сопровождаемых их аннигиляцией. Высказывалось даже предположение, что этот процесс мог бы в основном объяснить внутреннее тепло Земли.

Поиски распада протона и магнитных монополей отражают угасающие надежды обнаружить хотя бы экспериментально проблески физических явлений, характерных для масштаба объединения. Отказаться от намеченных исследований было бы преждевременно, но многие физики приходят к заключению, что инициатива теперь принадлежит теоретикам. Лишь немногие физики‑теоретики считают, что теории великого объединения – последнее слово науки. Но ведь ТВО преуспели в объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Какие новые перспективы могут открыться, если появится единая теория в подлинном смысле слова?

Date: 2015-08-24; view: 379; Нарушение авторских прав