Охота за монополем — этой неуловимой частицей — ведется вот уже без малого 80 лет. А точнее, с 1931 года, когда знаменитый английский физик Поль Дирак высказал предположение о существовании магнита с одним полюсом.
Зачем он понадобился? В чем трудность охоты? Как именно было сделано открытие? Что оно сулит?.. Давайте попробуем разобраться…
Мистика магнетизма
Казалось бы, получить магнит с одним полюсом проще простого. Надо взять обычный подковообразный магнит и распилить его ровно пополам. На самом деле ничего из этой затеи не получится. Обе половинки будут иметь опять-таки по два полюса — северный и южный. И четвертинки, и осьмушки тоже…
Поль Дирак — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики и основоположник квантовой электродинамики — задумался в свое время: «А до каких пор такое деление будет приводить к образованию мини-магнитов с двумя полюсами?..» Он предположил, что теоретически возможен такой предел деления, когда будут выявлены носители как положительного, так и отрицательного магнитного зарядов по отдельности.
Опыт, проведенный немецкими исследователями, подтвердил наличие монополей внутри кристалла.
Дирак в какой-то мере имел основания для такого суждения. Ведь несколькими годами ранее, опираясь на уравнения Максвелла и тот факт, что в природе реально существует носитель отрицательного электрического заряда — электрон, — он предсказал и существование аналогичной частицы с положительным зарядом — позитрона. И тот в самом деле был открыт в 1932 году.
Явление же магнетизма всегда было окутано мистической завесой. Первыми о свойствах магнита упоминают древние китайцы около 5000 лет назад. В Европе сам термин «магнетизм» долгое время был синонимом оккультных явлений. Загадочные же свойства некоторых минералов притягивать металл стали понятны лишь в XIX веке, когда английский физик-самоучка Майкл Фарадей установил связь между электричеством и магнетизмом и ввел в теорию понятие магнитного поля — субстанции, передающей магнитные силы.
Английский теоретик Джеймс Максвелл в 60-е годы XIX века окончательно утвердил единство электричества и магнетизма, выведя ряд уравнений, которые описывали свойства как электрических, так и магнитных полей примерно в одинаковых математических выражениях. Но при этом вскоре выяснилось, что лишь электрическая сила вела себя вполне предсказуемо. Она имела несущие заряд частицы, величину и массу которых можно было измерить. Зато источник магнитного поля — магнитные заряды, или монополи — найти так и не удалось.
Схема опыта по обнаружению монополя:
1 — нейтроны; 2 — струны и монополи Дирака; 3 — магнитное поле; 4 — результаты рассеяния.
И такая асимметрия — неодинаковое поведение единых по сути сил — по сей день не дает покоя физикам.
Как сказал один из них: «Это все равно, как если бы мы слышали аплодисменты, но видели при этом только одну хлопающую ладонь»…
В самом деле, в уравнениях Максвелла для полей сразу же бросается в глаза их симметричность. Оба поля — и магнитное, и электрическое — равноправны. Более того, они взаимосвязаны: изменяется электрическое поле — возникает магнитное, изменяется магнитное — возникает электрическое. Однако на практике в двух из четырех уравнений Максвелла симметрия нарушается: электрические заряды существуют, а магнитных не нашли; линии электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, а линии магнитного поля представляют собой замкнутые окружности.
Вот потому-то Поль Дирак и предположил, что в природе, по аналогии с электрическим, должен существовать и единичный магнитный заряд — монополь. Он даже рассчитал, каким этот монополь должен быть.
По расчетам получалось, что магнитный заряд монополя должен иметь довольно большую для элементарной частицы массу и, следовательно, значительную ионизирующую способность. Благодаря этому, двигаясь сквозь вещество, монополь должен, по идее, «сдирать» по дороге электроны с орбит атомов. И след таких «ободранных» атомов можно, в принципе, засечь в экспериментах на ускорителях или при наблюдениях в природе.
Структура, в которой три иона «указывают» внутрь (с голубым шаром внутри), представляет собой «северный монополь».
Структура с одним ионом есть не что иное, как «южный монополь». Следы монополя усердно искали и в космических лучах, и в метеоритах, в земном и лунном грунте, в экспериментах на ускорителях. Но практически все эксперименты, за исключением некоторых (о них речь впереди), закончились неудачей.
Неужели поймали?!
Зимой 1982 года пришла долгожданная весть: исследователь Блез Кабрера из Стэнфордского университета, США, наконец-таки зарегистрировал сигнал, весьма похожий на след монополя! Почти полгода ученый караулил монополь с помощью электроники. Она и зарегистрировала сигнал, который мог породить монополь, пришедший на Землю из космоса.
Обрадованный Кабрера оповестил о своем успехе коллег. Его опыт попытались повторить в нескольких лабораториях. Но… безуспешно.
Тогда Иошинори Токура из японского Национального института передовых технологий и прикладной науки решил поискать следы магнитных монополей иначе, чем Кабрера. По его мнению, поведение магнитных монополей могло бы влиять на так называемый аномальный эффект Холла.
Суть эффекта, открытого англичанином Эдвином Холлом в 1879 году, такова: если пропустить ток по металлической пластинке, помещенной в магнитное поле, в ней появится электрическое поле, перпендикулярное как направлению магнитного поля, так и направлению тока. Это объясняется поведением электронов, смещающихся под воздействием магнитного поля к одной из граней пластинки.
В 40-е годы прошлого века российский академик Исаак Кикоин исследовал эффект Холла и показал, что в ферромагнетиках, наряду с обычным эффектом Холла, связанным с магнитным полем, существует и некий аномальный эффект: некоторые материалы генерируют электрическое поле, если даже через них не пропускать ток. Этим отличаются, например, висмут, мышьяк и сурьма.
Этот-то эффект и использовал Иошинори Токура. Он поместил изготовленный из стронция, рутения и кислорода высококачественный кристалл в магнитное поле, пропустил через кристалл ток и изменял в ходе эксперимента температуру среды. Выяснилось, что с увеличением температуры удельное сопротивление кристалла меняется не линейно, как следовало ожидать, а скачками. Участники японского эксперимента полагают, что это вызвано каким-то влиянием монополей.
Проверять результаты японцев взялись сразу несколько групп исследователей. И вот в 2009 году авторитетный научный журнал Science сообщил, что сразу два коллектива физиков независимо друг от друга сумели обнаружить монополь.
Французы из Гренобля и немцы из Берлина разными способами получили свои монополи, работая с охлажденным почти до абсолютного нуля кристаллом титаната диспрозия — материала с очень необычной кристаллической структурой. Однако сами исследователи не утверждали, что ими зафиксированы следы той самой неуловимой частицы. Просто им удалось добиться того, чтобы в кристаллической решетке материала возник некий дефект, который может перемещаться по кристаллу и вести себя, как реальная частица. И этот дефект вел себя так же, как частица с одним магнитным полюсом…
Далеко не все специалисты соглашаются с этими выводами, тем не менее, исследователи не успокаиваются.
Зачем он нужен?
Действительно ли в сети ученых попался неуловимый монополь или это просто очередная ошибка исследователей, должны показать будущие исследования. А пока давайте прикинем, что даст нам открытие монополя?
Во-первых, подтверждение существования монополя вернуло бы уравнениям Максвелла долгожданную симметрию. Кроме того, ученые стремятся найти монополь, потому что его существование объяснило бы квантование электрического заряда. Другими словами, ответило бы на вопрос, почему электрический заряд не может быть меньше заряда электрона и всегда кратен ему.
Кроме того, расчеты физиков показывают, что монопол и могут обладать гигантской энергией, и эту энергию можно использовать.
Не случайно сотрудники Крымской астрофизической обсерватории В. А. Котова, В. И. Ханейчук, Т. Т. Цапа недавно опубликовали гипотезу, что наше светило — не что иное, как склад магнитных монополей, с помощью которого и вырабатывается энергия светила.
Некоторые геофизики также допускают, что долетающие с солнечным ветром от светила до Земли монополи замедляются в ее коре и, попав в ядро нашей планеты, накапливаются там; когда геомагнитное поле меняется, монополи могут мигрировать и даже сталкиваться, что и обеспечивает теплом недра Земли.
Но все это пока чистой воды научные фантазии. И как пойдет охота за монополем дальше, какие прикладные задачи удастся при этом решить, мы вам еще расскажем.
С. ЗИГУНЕНКО , научный обозреватель «ЮТ»