Загадка магнитных монополей: почему физики их ищут почти столетие? 0:00
Физики на протяжении десятилетий ведут охоту за одной из самых неуловимых частиц — магнитным монополем, который, по мнению ученых, является одним из наиболее вероятных кандидатов на существование среди всех экзотических объектов микромира. Несмотря на то что классическая электродинамика отрицает возможность существования таких частиц, современные теоретические модели, включая теории Великого объединения, делают их наличие математически неизбежным.
Магнитная дилемма: почему нельзя разрезать магнит 0:27
Если взять металлический стержень и сосредоточить все электроны на одном конце, возникнет электрический диполь. При разрезании такого стержня пополам образуются два отдельных электрических заряда — положительный и отрицательный, каждый из которых создает собственное радиальное поле. Однако с магнитами дело обстоит иначе:
- Магнит создает дипольное поле, где силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.
- При разрезании магнита пополам не происходит разделения зарядов.
- Вместо этого получается два новых магнита, каждый из которых снова обладает северным и южным полюсами.
Впервые этот эксперимент провел французский ученый Петрус Перегрин в 1269 году. Сегодня физики знают, что магнетизм обусловлен движением зарядов: либо упорядоченным спином электронов в атомах ферромагнетика, либо циркулярным электрическим током в электромагнитах. Согласно классической теории, магнитное поле — это всегда результат движения электрического заряда, что делает концепцию изолированного магнитного заряда, или монополя, математически «запрещенной» законом Гаусса для магнетизма.
Математическая симметрия и предсказание Поля Дирака 3:20
Уравнения Максвелла демонстрируют почти идеальную симметрию между электричеством и магнетизмом, которая нарушается лишь отсутствием в них члена, описывающего магнитный заряд. Как отмечал физик Мюррей Гелл-Ман, «все, что не запрещено, является обязательным». Это означает, что если математический аппарат теории позволяет существование чего-либо, то оно должно существовать в реальности.
В 1931 году знаменитый физик Поль Дирак предложил теоретическое обоснование для монополей. Его аргументация опиралась на концепцию так называемой «струны Дирака»:
- Представьте соленоид — длинную катушку с током, у которой магнитные поля внутри крайне сжаты.
- Если такая катушка бесконечно узкая, она будет выглядеть как два изолированных магнитных заряда на концах.
- Дирак постулировал, что если эта «струна» принципиально необнаружима, то сами монополи могут существовать.
- Анализ фазового сдвига волновой функции электрона, проходящего мимо такой струны, привел Дирака к выводу: монополи могут существовать только в том случае, если электрический заряд квантован (то есть кратен определенной величине).
Поскольку мы знаем, что электрический заряд действительно квантован, квантовая механика не запрещает существование магнитных монополей, а скорее предсказывает их через эту взаимосвязь.
Топологические узлы и теории Великого объединения 8:52
В начале 1970-х годов, с развитием теорий Великого объединения (GUT), предсказывающих объединение сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, вопрос о монополях вышел на новый уровень. В этих теориях монополи возникают как топологические дефекты в поле Хиггса.
В простых теориях поле Хиггса может принимать «ежоподобную» конфигурацию — своеобразный узел, где значения поля меняются плавно, но образуют неустранимую особенность в пространстве. Эти «узлы» в поле Хиггса ведут себя как массивные частицы с магнитным зарядом. Данное решение было независимо предложено Жераром ’т Хоофтом и Александром Поляковым в 1974 году.
Проблема в том, что эти теории предсказывают появление огромного количества монополей в ранней Вселенной. Однако их отсутствие сегодня иногда объясняют теорией космической инфляции: экспоненциальное расширение Вселенной могло разнести эти частицы так далеко друг от друга, что плотность их распределения стала ничтожно малой.
Попытки обнаружения 12:36
Несмотря на все сложности, поиск монополей продолжается десятилетиями:
- В 1982 году физик Блас Кабрера Наварро, используя сверхпроводящую катушку в Стэнфорде, зафиксировал сигнал, который мог быть монополем, но повторить этот результат не удалось.
- Эксперименты на Большом адронном коллайдере (LHC) также пока не принесли успехов, что, впрочем, ожидаемо, так как энергии коллайдера на много порядков ниже необходимых для рождения предсказанных GUT-монополей.
- Ученые продолжают сканировать космические лучи и анализировать влияние возможных монополей на магнитное поле Земли.
Ведущий канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд отмечает, что открытие магнитных монополей стало бы ключом к проверке теорий Великого объединения и позволило бы человечеству заглянуть в фундаментальную структуру пространства-времени.
