Магніт з одним полюсом
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи дійсно порушує симетрію світу відсутність магнітних зарядів? Так, порушує. Спробуємо розібратися, чому. Нам відомі електричні заряди — особливі точки поля, взаємодія яких між собою визначає всю електричну картину життя атомного світу. Однак подібних магнітних зарядів ми поки не виявили. Ми знаємо тільки полюси магнітних моментів, які іноді, чисто формально, називають магнітними зарядами. Але ніколи не треба забувати, що у них обов’язково є взаємопов’язані з ними антиподи — полюси протилежного знака.
Так, у електричних зарядів теж є свої антиподи: у електрона — позитрон, у протона — антипротон і т. д. Але все-таки ці електричні заряди можуть існувати незалежно один від одного, в той час як полюси магніту завжди пов’язані: як би ми його не ділили, аж до найдрібніших матеріальних частинок, він завжди про два полюси. У наявності явна несиметричність фізичного світу.
Виникає питання: наскільки ця несиметричність може носити фундаментальний характер? Іншими словами, чи можна в ній угледіти порушення якихось законів природи? Дірак дотримувався, як відомо, саме таких поглядів, що і змусило його створити теорію монополя. Але якщо вже бути точним, то слід нагадати, що вперше ідея про існування монополя була висловлена не Діраком, а Эренхафтом ще в 1910 році. Але, тим не менш, коли говорять про несиметричність електрики і магнетизму та моонополя, то згадують, перш за все, тільки одного Дірака. І мені здається, ось чому.
Коли на початку минулого століття фізиками було встановлено, що у електрона, відкритого Томсоном, існує, згідно з ідеєю про симетричність світу, свій антипод — частинка з позитивним зарядом, протон, — філософи сприйняли це відкриття з величезним задоволенням: світ, значить, дійсно симетричний. Однак дуже скоро це відкриття товкнуло поборників симетрії світу в зневіру: з’ясувалося, що протон в 1840 разів важче, ніж його антипод – електрон. Про яку ж симетрію тут можна говорити?
Геніальність Дірака полягає в тому, що він, будучи стійким прихильником симетрії світобудови, знайшов в собі мужність заявити, що у електрона повинен бути інший антипод – частка з тією ж масою. Як відомо, дуже скоро, в 1932 році, така частка була виявлена і отримала назву позитрона. Позитрон, не зайве буде нагадати, Діраком був передбачений в статті, присвяченій теорії монополя. Це била лише приватність, одна з логічних передумов до теорії монополя. Можна собі уявити здивування і захват фізиків, коли з’ясувалося, що міфічний антиелектрон все ж існує!
Що ж було далі? Логічно знову ж міркуючи, у протона теж повинен існувати свій антипод. Дійсно, за допомогою потужних прискорювачів був створений антипротон. Наступний крок у затвердженні симетрії світу – відкриття на Серпуховському синхрофазотроні ядер антигелія, які складаються з двох антипротонів і одного антинейтрона. П’ять ядер антигелія, отриманих в Серпухові — це вже своєрідне “віконце” в дзеркально-симетричний антисвіт! Правда, рівень сьогоднішньої техніки (а треба сказати, що ядра антигелія-3 були отримані за допомогою прискорювача в 70 мільярдів електрон-вольт!) не дозволяє поки отримати навіть антигелій-4, не кажучи вже про антилітій, проте в космосі, як нам відомо, існують потоки енергії, цілком достатні для утворення і антилітія, і інших “анти”.
Чи слідує за цим однозначний висновок, що Всесвіт, як припускають деякі астрофізики, обов’язково, в силу універсальної симетрії, повинен складатися, як з речовини, так і з антиречовини? Дуже важко відповісти на це питання, бо в рівній мірі скільки «за» за цю універсальну симетрію світобудови, стільки ж і «проти». Однак заперечувати категорично, особливо після відкриття антигелію-3, існування в природі антиречовини, було б щонайменше безглуздо. А раз так, хотіли б ми того чи ні, — це зайвий доказ на користь монополя Дірака.
Питається тоді, чому ж його ніхто досі не виявив? Це питання тісно пов’язане з іншим, що є, по суті справи, відповіддю на перше: а чи там його шукають – цей монополь? Власне, шукають монополь з магнітним зарядом, рівним 68,5. Однак згадаймо: той же Швінгер, який мало не все життя присвятив пошукам монополя, розробив, а вірніше, модернізував діраківську теорію монополя, в результаті чого його заряд за Швінгером став у два рази більше. З іншого боку, по Еренхафту величина магнітного заряду повинна бути у багато разів менше передбаченої Діраком!
Але все ж, віддаючи належне Діраку, слід визнати, що його теорія, а отже, і його передбачення величини заряду монополя, найбільш логічна, найбільш строго доведена.
Хотіли б ми того чи ні, але найкращим доказом «квантування» магнітних зарядів в електриці є логічний ланцюг самого Дірака. І знову ми повернулися «на круги своя…»
Так де ж він тоді сховався, цей невловимий монополь Дірака? Наведу дві аналогії, які, можливо, прояснять ситуацію з пошуками монополя.
Уявіть анекдотичну ситуацію — ми не знаємо, що таке нейтрон. Уявіть собі, що не було в історії науки знаменитого досліду Чадвіка, який в 1932 році виявив цей самий нейтрон, можна сказати, випадково. Майже випадково. А «майже» тому, що деякі теоретичні міркування про його існування, як і в історії з монополем, все ж були. Однак ніхто ж не знав, що нейтрон сидить в самому ядрі атома! Логічно вірніше було вважати, що ядро складається з позитивно заряджених протонів, які врівноважуються електронами, які перебувають також у складі самого ядра — ясна, проста, дуже логічна модель атомного ядра. Але з деякими вадами, які не давали спокою фізикам-теоретикам до такої міри, що Паулі змушений був зізнатися: «Фізика тепер знову зайшла у глухий кут, у всякому разі для мене вона занадто важка, і я волів би бути коміком в кіно або ким-небудь на зразок цього і не чути нічого про фізику!”.
У цей глухий кут фізика зайшла в середині двадцятих років з двох причин: з одного боку, фізики не могли відповісти на питання, чому електрони не падають на ядра атома, іншими словами, не могли пояснити стійкості ядерної моделі атома. З іншого боку, з’явилися непереборні труднощі в електронно-протонній моделі ядра. Квантування електрона пояснила квантова механіка. А труднощі з моделлю ядра вирішив відкритий Чадвіком нейтрон, який зараз приводить в дію всі ядерні установки.
Питається, а якби на цю “міфічну” частку з нульовим зарядом фізики махнули рукою? Подумаєш, порушує якусь стрункість логічних умовиводів… Друге порівняння більш сучасно. Я маю на увазі знамениті кварки.
Вважалося, принаймні, до 1964 року, що найменшим електричним зарядом володіє електрон. Однак, як і у випадку з відкриттям Чадвіка і теорією Гейзенберга, була (втім, вона є, є і по сей день) у цій теорії будови елементарних частинок одна «невелика» вада: кожен член цього елементарного «сімейства», а вже тоді частинок було відкрито близько сотні, жив як би самостійно, незалежно один від одного. І ось в 1964 році в пошуках єдності між різнорідними елементарними частинками фізики прийшли до висновку про те, що повинні існувати ще якісь надмалі частинки вже не з цілим, а з дробовим числом заряду. Назву цим часткам запропонував американський фізик Гелл-Манн: кварки.
Щоб стати універсальними «цеглинками» світобудови, кварки повинні володіти зарядом, рівним, одній третині або двом третинам заряду електрона. Тоді вони, утворюючи різні поєднання, зможуть “складатися” в будь-яку елементарну частку.
І тут мова йде про кратність заряду монополя електричним зарядам! Іншими словами, в обох випадках і монополь, і кварки народжені теорією для того, щоб пояснити квантування електричного заряду, його здібності. Переходити з одного стана в інший. І монополь, і кварки – це частинки, які повинні собою заповнити якісь теоретичні “проломи” в єдиній, стрункій, симетричній картині світобудови.
Ось ми і знову повернулися до симетрії… Виникає питання: але якщо допустити, що існують кварки електричні, то чому б це саме допущення не поширити і на кварки магнітні?!
Зла ця річ — симетрія світу. Варто зробити одне допущення, як за нього чіпляється інше. Дірак був, очевидно, дещо збентежений в перший момент, коли виявив негативний результат у рішеннях рівнянь електрона. Але допустив: повинна бути така частка. І незабаром був відкритий позитрон, частка з негативним зарядом. Англійський фізик Гарднер опублікував статтю, присвячену проблемі негативної маси. Виходило, що вона повинна вести себе навпаки по відношенню до нормальної, позитивної маси: кулька з негативної маси буде до Землі не притягуватися, а прагнути полетіти від неї геть. І чим сильніше ми будемо по ній бити, тим сильніше вона буде прагнути відплатити нам ударом!
А тахіони – частинки, які повинні існувати по “ту сторону” швидкості світла? Адже вони теж народилися завдяки дзеркальній симетрії! Згідно з уявленнями деяких фізиків, тахіони можуть існувати тільки зі швидкостями не нижче швидкості світла. Якщо для звичайних частинок, відомих нам, граничний поріг – швидкість світла, то і для тахіонів теж, проте як найменший!
Або негативні температури — щось подібне негативним масам і тахіонам. Як тахіони можуть існувати тільки «по той бік» швидкості світла, так і негативні температури – явище «за порогом» абсолютного нуля…
Однак симетрія світу занадто відвела нас від монополя. Що можна було б очікувати, якби монополь був все ж виявлений? Без сумніву, це була б справжня революція у всій фізиці, подібна до тієї, яку скоїв у свій час Томсон, відкривши електрон. Відкриття монополя в корені перевернуло б всі наші погляди і уявлення про структуру елементарних частинок. Та й сам практичний, утилітарний результат цього відкриття був би надзвичайно великий. Справа не в тому, що, «напхавши» монополями яке-небудь тіло, можна буде, нарешті, отримати легендарний однополюсний магніт — це все лабораторна екзотика. Набагато важливіше, що монополь можна буде використовувати в прискорювачах, і такі прискорювачі, “стріляючі” монополями, будуть в тисячі разів дешевше, ніж нині існуючі.
Важко уявити, яке застосування в техніці можуть знайти монополя якщо вони будуть відкриті, але абсолютно очевидно, що і там вони зроблять не меншу революцію, ніж в науці.
Однак адже не всі фізики поділяють ідеї Дірака. Дуже багато хто вважає монополь найчистішою фантастикою. Втім, як і кварки. Але ж поки ніхто з них і не зумів довести своєї правоти!.. Нікому не вдалося спростувати Дірака, хоча намагалися дуже багато. В даному випадку негативний результат і його переконливий доказ коштують не менше експериментального підтвердження теорії. Адже відмовилися ж врешті-решт від пошуків перпетуум мобіле – вічного двигуна. Шукали вічний двигун, як відомо, багато століть, а коли відкрили закон збереження енергії. — «закрили» ідею перпетуум мобіле. Так може статися і з монополем: буде створена теорія, яка дозволить сформулювати закон, що «закриває» існування в природі монополя, і все встане на свої місця.
Важко бути пророком у питанні, на яке з однаковим успіхом можна відповісти як «так», так і «ні». Поки що, повторюючи Дірака, доводиться визнати, що природа і справді виглядала б дещо ущербною, якщо б не використовувала цю блискучу можливість — створити магніт з одиночним полюсом.
Автор: С. В. Вонсовський.