Джинн з цибулини: Магніт про один полюс

Якщо людству вдасться знайти спосіб відтворювати або відловлювати гігантів мікроміру - магнітні монополі, воно стане володарем найбільш руйнівної зброї або джерела енергії, що перевершує термоядерну реакцію.

Кожен з нас з дитинства знає, що у магніту два полюси. Як його не пили, кожен з шматків буде знову магнітом з двома полюсами, а отримати окремо південний і північний полюс неможливо. Є жарт про фізика, який запатентував спосіб виготовлення магніту з одним полюсом - монополя - і став казково багатий, тому що у нього була монополія.

Геніальний англійський фізик Поль Дірак, який висунув 1931 року, коли йому було 28 років, ідею існування частинки з магнітним зарядом - монополія, на ній не розбагатів. Через п'ятдесят років на конференції, присвяченій ювілею його гіпотези, він зізнався: "Я схиляюся до того, що монополія все-таки не існує,. експериментального підтвердження не отримано ". Однак ціла епоха надій і розчарувань не змогла підірвати інтерес до красивої ідеї, здатної чимало прояснити в процесах виникнення Всесвіту. Вчені як і раніше шукають і не можуть поки знайти рекордсмена маси серед мешканців мікроміру. Що нагадує «цибулину» з безліччю силових «лусочок», монополія за розмірами може зрівнятися з амебою, а за ув'язненою в ньому енергії - з водневою бомбою.

Хлопок одною долонею

Поль Дірак, як і багато великих вчених, вірив у красу світобудови, в симетричність природних явищ і в те, що Всесвіт ніколи і ні до чого не виявляє переваги.

Явище ж магнетизму завжди було оповите містичною завісою. Першими письмово згадували магнітні властивості стародавні китайці кілька тисяч років тому. У Європі сам термін «магнетизм» довго був синонімом окультних явищ, і загадкові властивості деяких мінералів притягувати метал стали зрозумілі лише в XIX столітті. Тоді Майкл Фарадей встановив зв'язок між електрикою і магнетизмом і ввів у теорію поняття магнітного поля - субстанції, що передає магнітні сили.

Джеймс Максвелл остаточно затвердив єдність електрики і магнетизму у своїй теорії. При цьому з'ясувалося, що електрична сила поводилася в цій єдності цілком пристойно. Вона мала несучі заряд частинки, величину і масу яких можна було виміряти. Зате джерело магнітного поля - магнітні заряди - знайти не вдавалося.

Не вдалося і досі. І ця асиметрія, неоднакова поведінка єдиних по суті сил, неприємна для фізиків. Приблизно так, як якби ми чули оплески, але бачили тільки одну бавовняну долоню.

У рівняннях Максвелла для полів відразу ж кидається в очі їх симетричність. Обидва поля - і магнітне, і електричне - рівноправні. Більше того - вони взаємопов'язані: змінюється електричне поле - виникає магнітне, змінюється магнітне - виникає електричне. Однак при цьому в двох з чотирьох рівнянь Максвелла симетрія порушується: електричні заряди існують, а магнітних - ні; лінії електричного поля починаються і закінчуються на зарядах, а лінії магнітного поля - замкнуті кола.

Поль Дірак був людиною, для якої краса теорії грала вирішальну роль, і віра в цю красу не раз приводила до дивовижних відкриттів. Гіпотеза Дірака про існування монополя звучала б майже крамольно, якби за кілька років до того він, виходячи з міркувань, що скрізь повинна правити симетрія, не припустив, що існує позитивно заряджений електрон - позитрон. І в 1932 році позитрон був виявлений експериментально.

З монополем пощастило менше. За розрахунками Дірака, магнітний заряд монополя повинен мати велику масу і, отже, велику іонізуючу здатність. Завдяки цьому, рухаючись через речовину, монополь мав би з величезною силою зривати електрони з орбіт атомів. Слід таких «обдертих» атомів був би набагато товщим, ніж у звичайних елементарних частинок.

Сліди шукали старанно і всюди: в космічних променях, в метеоритах, в земному і місячному грунті, в експериментах на прискорювачах. І практично всі експерименти, за винятком одного або двох, про яких мова попереду, закінчилися повною невдачею. Проте жоден негативний результат, ні всі разом «закрити» монополь не можуть. Вони лише позначають поле пошуків.

Якщо за рік на площі в сто квадратних метрів за межами атмосфери навіть за допомогою особливо чуйних приладів не вдалося виявити в космічних променях слідів частинок з дуже високою іонізуючою здатністю, доводиться змиритися з тим, що їх потік менше, ніж один на сто квадратних метрів на рік. А якщо дослідження 100 кв. м слюди і обсидіана, що пролежали в надрах Землі близько ста мільйонів років, також не принесли успіху, значить і потік монополій становить не більше одного за сто мільйонів років (або, що те ж саме, не більше одного монополя через квадратний кілометр планети за рік).

Навіщо нам монополія?

Що стосується фізики, то відкриття монополя повернуло б рівнянням Максвелла в речовині симетрію між електрикою і магнетизмом. При цьому жоден відомий закон фізики не забороняє монополію дійсно існувати в природі.

Крім того, вчені прагнуть знайти монополь, тому що його існування пояснило б дещо «те, що відбувається» в іншій частині рівнянь Максвелла - квантування електричного заряду. Іншими словами, відповіло б на питання, чому електричний заряд не може бути менше заряду електрону і завжди кратний заряду електрону.

Цю відповідність вперше встановив англійський фізик Роберт Міллікен, який отримав у 1923 році Нобелівську премію за проведення досвіду, що підтвердив теорію Ейнштейна. Мільйкен визначив, що заряд квантується, тобто може приймати не будь-які, а лише певні значення. Бувають заряди 2e (де e - заряд електрону), 137е, 123456е, але ніколи - 1,5е.

Нічого екстраординарного в цьому немає. У квантовій механіці багато величин квантуються. Наприклад, енергія (електрону дозволено займати лише певні орбіти навколо ядра). А ось чому квантується електричний заряд, незрозуміло.

У пошуках відповіді Дірак використовував рівняння з тієї ж квантової механіки. З їх допомогою він описав систему, в якій електрон обертається навколо усамітненого магнітного заряду. Рішення рівняння існувало лише за однієї умови: якщо заряд електрона приймав певні значення, тобто квантувався. Але: якщо є в природі магнітний заряд, то зрозуміло, чому квантується електричний - цей факт випливає з рівняння. Тоді це було найсуттєвіше міркування на користь монополя.

Супербомба і диво-паливо

Ще одна гіпотеза існування магнітних монополій з'явилася значно пізніше в роботах лауреата Нобелівської премії голландського теоретика Герарда т'Хоофта і радянського фізика Олександра Полякова. Вона знайшла відображення в так званій теорії Великого об'єднання.

Йдеться про спробу довести єдину природу і слабку взаємодію, яка проявляється в розпаді елементарних частинок, і сильну взаємодію, прикладом якої може служити термоядерна реакція всередині зірок і Сонця або вибух водневої бомби, і - електромагнетизму. Перші дві взаємодії, відкриті вже в XX столітті, додалися до ньютонової граві "