Джинн из луковицы: Магнит об одном полюсе

Гениальный английский физик Поль Дирак, выдвинувший в 1931 году, когда ему было 28 лет, идею существования частицы с магнитным зарядом — монополя, на ней не разбогател. Через пятьдесят лет на конференции, посвященной юбилею его гипотезы, он признался: «Я склоняюсь к тому, что монополя все-таки не существует,. экспериментального подтверждения не получено». Однако целая эпоха надежд и разочарований не смогла подорвать интерес к красивой идее, способной немало прояснить в процессах возникновения Вселенной. Ученые по-прежнему ищут и не могут пока найти рекордсмена массы среди обитателей микромира. Напоминающий «луковицу» с множеством силовых «чешуек», монополь по размерам может сравниться с амебой, а по заключенной в нем энергии — с водородной бомбой.

Поль Дирак, как и многие великие ученые, верил в красоту мироздания, в симметричность природных явлений и в то, что Вселенная никогда и ни к чему не проявляет предпочтения.

Явление же магнетизма всегда было окутано мистической завесой. Первыми письменно упоминали магнитные свойства древние китайцы несколько тысяч лет назад. В Европе сам термин «магнетизм» долго был синонимом оккультных явлений, и загадочные свойства некоторых минералов притягивать металл стали понятны лишь в XIX веке. Тогда Майкл Фарадей установил связь между электричеством и магнетизмом и ввел в теорию понятие магнитного поля — субстанции, передающей магнитные силы.

Джеймс Максвелл окончательно утвердил единство электричества и магнетизма в своей теории. При этом выяснилось, что электрическая сила вела себя в этом единстве вполне пристойно. Она имела несущие заряд частицы, величину и массу которых можно было измерить. Зато источник магнитного поля — магнитные заряды — найти не удавалось.

Не удалось и до сих пор. И эта асимметрия, неодинаковое поведение единых по сути сил, неприятна для физиков. Примерно так, как если бы мы слышали аплодисменты, но видели только одну хлопающую ладонь.

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 при этом в двух из четырех уравнений Максвелла симметрия нарушается: электрические заряды существуют, а магнитных — нет; линии электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, а линии магнитного поля — замкнутые окружности.

Поль Дирак был человеком, для которого красота теории играла решающую роль, и вера в эту красоту не раз приводила к удивительным открытиям. Гипотеза Дирака о существовании монополя звучала бы почти крамольно, если бы за несколько лет до того он, исходя из соображений, что везде должна править симметрия, не предположил, что существует положительно заряженный электрон — позитрон. И в 1932 году позитрон был обнаружен экспериментально.

С монополем повезло меньше. По расчетам Дирака, магнитный заряд монополя должен иметь большую массу и, следовательно, большую ионизирующую способность. Благодаря этому, двигаясь через вещество, монополь должен был бы с огромной силой срывать электроны с орбит атомов. След таких «ободранных» атомов был бы гораздо толще, чем у обычных элементарных частиц.

Следы искали усердно и всюду: в космических лучах, в метеоритах, в земном и лунном грунте, в экспериментах на ускорителях. И практически все эксперименты, за исключением одного или двух, о которых речь впереди, окончились полной неудачей. Тем не менее ни один отрицательный результат, ни все вместе «закрыть» монополь не могут. Они лишь обозначают поле поисков.

Если за год на площади в сто квадратных метров за пределами атмосферы даже с помощью особо чутких приборов не удалось обнаружить в космических лучах следов частиц с очень высокой ионизирующей способностью, приходится смириться с тем, что их поток меньше, чем один на сто квадратных метров в год. А если исследования 100 кв. м слюды и обсидиана, пролежавших в недрах Земли около ста миллионов лет, также не принесли успеха, значит и поток монополей составляет не более одного за сто миллионов лет (или, что то же самое, не более одного монополя через квадратный километр планеты за год).

Что касается физики, то открытие монополя вернуло бы уравнениям Максвелла в веществе симметрию между электричеством и магнетизмом. При этом ни один известный закон физики не запрещает монополю действительно существовать в природе.

Кроме того, ученые стремятся найти монополь, потому что его существование объяснило бы кое-что «происходящее» в другой части уравнений Максвелла — квантование электрического заряда. Другими словами, ответило бы на вопрос, почему электрический заряд не может быть меньше заряда электрона и всегда кратен заряду электрона.

Это соответствие впервые установил английский физик Роберт Милликен, получивший в 1923 году Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Милликен определил, что заряд квантуется, то есть может принимать не любые, а лишь определенные значения. Бывают заряды 2e (где e — заряд электрона), 137е, 123456е, но никогда — 1,5е.

Ничего экстраординарного в этом нет. В квантовой механике многие величины квантуются. Например, энергия (электрону разрешено занимать лишь определенные орбиты вокруг ядра). А вот почему квантуется электрический заряд, непонятно.

В поисках ответа Дирак использовал уравнения из той же квантовой механики. С их помощью он описал систему, в которой электрон вращается вокруг уединенного магнитного заряда. Решение уравнения существовало только при одном условии: если заряд электрона принимал определенные значения, то есть квантовался. Но: если есть в природе магнитный заряд, то понятно, почему квантуется электрический — этот факт следует из уравнения. Тогда это было самое существенное соображение в пользу монополя.

Еще одна гипотеза существования магнитных монополей появилась значительно позднее в работах лауреата Нобелевской премии голландского теоретика Герарда т’Хоофта и советского физика Александра Полякова. Она нашла отражение в так называемой теории Великого объединения.

Речь идет о попытке доказать единую природу и слабого взаимодействия, которое проявляется в распаде элементарных частиц, и сильного взаимодействия, примером которого может служить термоядерная реакция внутри звезд и Солнца или взрыв водородной бомбы, и — электромагнетизма. Первые два взаимодействия, открытые уже в XX веке, добавились к ньютоновой гравитации и максвелловскому электромагнетизму, которые Эйнштейн пытался объединить в единой теории 100 лет назад. Теперь нынешние физики хотят свести известные им природные взаимодействия к «единому знаменателю».

Одним из следствий теории т’Хоофта и Полякова является предположение об обязательном существовании в системе Великого объединения магнитных монополей. При этом, согласно теории, так же, как у магнита есть два полюса, в природе должно быть и два типа монополей — «северные» и «южные». И они должны сильно отличаться по структуре от точечных частиц вроде кварков. Монополь скорее напоминает луковицу, слои которой представляют собой силовые зоны.

Расчеты физиков показывают, что основная особенность монополей — это огромная (по меркам микромира) масса: около десяти миллиардных долей грамма. И, согласно последним данным по протон-антипротонным столкновениям на Теватроне Лаборатории им. Э. Ферми, оценочный нижний предел массы магнитного монополя может составлять 10 в 16-й степени миллиардов электронвольт (ГэВ). Последнее объясняет невозможность рождения монополей Великого объединения на ускорителях или проявления их во многих происходящих во Вселенной процессах: для их рождения просто не хватает энергии.

Таким образом, монополи Великого объединения выглядят гигантскими хранилищами энергии, которая в миллиарды миллиардов раз больше выделяемой при расщеплении ядра урана в ядерном реакторе. Но для того, чтобы внутренняя энергия монополя высвободилась, должна произойти аннигиляция монополя и антимонополя, то есть северного и южного полюсов.

Если бы удалось произвести или добыть те и другие монополи и хранить их в неких электромагнитных «сосудах», то, смешав несколько северных полюсов с равным количеством южных, можно было бы получить невероятную энергию для использования как в мирных, так и военных целях.

Некоторые геофизики допускают, что долетающие до Земли монополи замедляются в ее коре, а попав в ядро нашей планеты, накапливаются там: «северные» — у южного полюса, а «южные» — у северного. Когда геомагнитное поле меняется, монополи могут мигрировать и даже сталкиваться. На основании этих предположений некоторые горячие головы даже считают, что их аннигиляция и обеспечивает внутреннее тепло Земли. Но пока это чистой воды научные фантазии.

А тем временем ученые продолжают эксперименты, пытаясь найти хотя бы косвенные признаки существования монополя.

Зимой 1982 года Блез Кабрера из Стэнфордского университета зарегистрировал сигнал, очень похожий на след монополя. На детекторе, в котором по кольцу из сверхпроводника не ослабевая двигался ток (соответственно так же неизменно было и магнитное поле, создаваемое его движением), обнаружили скачок тока, подобный тому, как если бы через кольцо провели магнит. Уровень скачка соответствовал заранее рассчитанному для монополя значению.

Почти полгода Кабрера караулил монополь с помощью электроники. Она и зарегистрировала сигнал, который могла породить только эта частица или... невообразимо ошибшаяся аппаратура.

Конечно, по одному измерению рассчитать поток монополей нельзя. Но из опыта выходило, что вероятность составляла один монополь за полгода через площадь около 100 кв.см. Иначе говоря, если предположить, что по времени монополи встречаются в космических лучах достаточно равномерно, то за миллион лет через эту площадь должно было бы пролететь около двух миллионов монополей. А этот результат в миллионы раз превышал ограничения, полученные при обследовании слюды и обсидиана. Опыт повторяли в нескольких лабораториях, но безуспешно...

Иошинори Токура из японского Национального института передовых технологий и прикладной науки решил поискать следы магнитных монополей иначе. По расчетам, поведение магнитных монополей могло бы влиять на так называемый аномальный эффект Холла.

Суть эффекта, открытого Эдвином Холлом в 1879 году, состоит в том, что если пропустить ток вдоль металлической пластинки, 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.

Так как подвижность электронов зависит от проводимости пластинки, то есть от материала, из которого она сделана, и от ее температуры, происходит и изменение показателей электромагнитного поля.

В 40-е годы прошлого века российский академик Исаак Кикоин исследовал эффект Холла в магнетиках и показал, что в ферромагнетиках, наряду с обычным эффектом Холла, связанным с магнитным полем, существует аномальный эффект, который определяется намагниченностью образца. Резко аномальным эффектом Холла обладает висмут, мышьяк и сурьма.

Эту методику 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 изменялось не линейно, как следовало ожидать, а скачками. Участники эксперимента полагают, что этот и другие аномальные эффекты, обнаруженные в экспериментах, представляют собой «отпечатки пальцев» реальных магнитных монополей. Они планируют изучить теперь материалы, которые показали бы еще большие аномальные эффекты.

Идея магнитного заряда безусловно красива, но пока не подтверждена однозначными опытами. Возможно, ученым не хватает сил и средств для их проведения. Сам Дирак писал в статье, в которой впервые сформулировал идею монополя, что изолированные магнитные полюсы, возможно, не наблюдаются, поскольку «сила притяжения между двумя одиночными полюсами противоположного знака примерно в четыре тысячи семьсот раз больше, чем между электроном и протоном», и именно потому «полюсы противоположного знака никогда не были еще разделены».

Однако никогда не следует забывать, что именно в тех областях знания, где не все концы сходятся с концами, обычно и рождаются новые открытия. В любом случае, монополь остается красивым памятником Полю Дираку, его вере в математику и ее предсказательную силу...