velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Category:

Магнит об одном полюсе

Если населению земли получится отыскать метод воспроизводить либо отлавливать гигантов микромира – магнитные монополи, оно станет владельцем самого разрушительного орудия либо источника энергии, превосходящего термоядерную реакцию.





Хоть какой из нас с юношества знает, что у магнита два полюса. Как его ни пили, любой из кусков будет опять магнитом с 2-мя полюсами, а получить раздельно южный и северный полюс нереально. Есть шуточка про физика, который запатентовал метод производства магнита с одним полюсом – монополя – и стал сказочно богат, так как у него была монополия.


Превосходный британский физик Поль Дирак, выдвинувший в 1931 году, когда ему было 28 лет, идею существования частички с магнитным зарядом – монополя, на ней не разбогател. Через 50 лет на конференции, посвященной юбилею его догадки, он признался: «Я склоняюсь к тому, что монополя все-же не существует,.. экспериментального доказательства не получено». Но целая эра надежд и разочарований не смогла подорвать энтузиазм к прекрасной идее, способной много прояснить в процессах появления Вселенной. Ученые как и раньше отыскивают и не могут пока отыскать рекордсмена массы посреди жителей микромира. Напоминающий «луковицу» с обилием силовых «чешуек», монополь по размерам может сравниться с амебой, а по заключенной в нем энергии – с водородной бомбой.


Хлопок одной ладонью


Поль Дирак, как и многие величавые ученые, веровал 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 закутано магической заавесью. Первыми письменно упоминали магнитные характеристики древнейшие китайцы несколько тыщ годов назад. В Европе сам термин «магнетизм» длительно был синонимом оккультных явлений, и таинственные характеристики неких минералов притягивать металл стали понятны только в XIX веке. Тогда Майкл Фарадей установил связь меж электричеством и магнетизмом и ввел в теорию понятие магнитного поля – субстанции, передающей магнитные силы.


Джеймс Максвелл совсем утвердил единство электричества и магнетизма в собственной теории. При всем этом выяснилось, что электронная сила вела себя в этом единстве полностью прилично. Она имела несущие заряд частички, величину и массу которых можно было измерить. Зато источник магнитного поля – магнитные заряды — отыскать не удавалось.


Не удалось и до сего времени. И эта асимметрия, неодинаковое поведение единых на самом деле сил, неприятна для физиков. Приблизительно так, как если б мы слышали рукоплескания, но лицезрели только одну хлопающую ладонь.


В уравнениях Максвелла для полей сразу оказывается на виду их симметричность. Оба поля – и магнитное, и электронное – равноправны. Более того – они взаимосвязаны: меняется электронное поле – появляется магнитное, меняется магнитное – появляется электронное. Но при всем этом в 2-ух из 4 уравнений Максвелла симметрия нарушается: электронные заряды есть, а магнитных – нет; полосы электронного поля начинаются и завершаются на зарядах, а полосы магнитного поля – замкнутые окружности.


Поль Дирак был человеком, для которого краса теории игралась решающую роль, и вера в эту красоту не раз приводила к необычным открытиям. Догадка Дирака о существовании монополя звучала бы практически крамольно, если б за пару лет до того он, исходя из суждений, что всюду должна править симметрия, не представил, что существует положительно заряженный электрон – позитрон. И в 1932 году позитрон был найден экспериментально.


С монополем подфартило меньше. По расчетам Дирака, магнитный заряд монополя обязан иметь огромную массу и, как следует, огромную ионизирующую способность. Благодаря этому, двигаясь через вещество, монополь был должен бы с большой силой срывать электроны с орбит атомов. След таких «ободранных» атомов был бы еще толще, чем у обыденных простых частиц.


Следы находили усердно и везде: в галлактических лучах, в метеорах, в земном и лунном грунте, в опытах на ускорителях. И фактически все опыты, кроме 1-го либо 2-ух, о которых речь впереди, окончились полной неудачей. Все же ни один плохой результат, ни все совместно «закрыть» монополь не могут. Они только обозначают поле поисков.


Если за год на площади в 100 квадратных метров за пределами атмосферы даже при помощи особо проницательных устройств не удалось найти в галлактических лучах следов частиц с очень высочайшей ионизирующей способностью, приходится смириться с тем, что их поток меньше, чем один на 100 квадратных метров в год. А если исследования 100 кв.м слюды и обсидиана, пролежавших в недрах Земли около 100 миллионов лет, также не принесли фуррора, означает и поток монополей составляет менее 1-го за 100 миллионов лет (либо, что то же самое, менее 1-го монополя через квадратный километр планетки за год).


Для чего нам монополь?


Что касается физики, то открытие монополя возвратило бы уравнениям Максвелла в веществе симметрию меж электричеством и магнетизмом. При всем этом ни один узнаваемый закон физики не воспрещает монополю вправду существовать в природе.


Не считая того, ученые стремятся отыскать монополь, так как его существование растолковало бы кое-что «происходящее» в другой части уравнений Максвелла – квантова-ние электронного заряда. Другими словами, ответило бы на вопрос, почему электронный заряд не может быть меньше заряда электрона и всегда кратен заряду электрона.


Это соответствие в первый раз установил британский физик Роберт Милликен, получивший в 1923 году Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Милликен обусловил, что заряд квантуется, другими словами может принимать не любые, а только 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. К примеру, энергия (электрону разрешено занимать только определенные орбиты вокруг ядра). А вот почему квантуется электронный заряд, неясно.


В поисках ответа Дирак использовал уравнения из той же квантовой механики. С помощью их он обрисовал систему, в какой электрон крутится вокруг уединенного магнитного заряда. Решение уравнения было только при одном условии: если заряд электрона воспринимал определенные значения, другими словами квантовался. Но: если есть в природе магнитный заряд, то понятно, почему квантуется электронный – данный факт следует из уравнения. Тогда это было самое существенное суждение в пользу монополя.


Супербомба и чудо-топливо


Еще одна догадка существования магнитных монополей появилась существенно позже в работах лауреата Нобелевской премии голландского теоретика Герарда т’Хоофта и русского физика Александра Полякова. Она отыскала отражение в так именуемой теории Величавого объединения.


Идет речь о попытке обосновать единую природу и слабенького взаимодействия, которое проявляется в распаде простых частиц, и сильного взаимодействия, примером которого может служить термоядерная реакция снутри звезд и Солнца либо взрыв водородной бомбы, и – электромагнетизма. 1-ые два взаимодействия, открытые уже в XX веке, добавились к ньютоновой гравитации и максвелловскому электромагнетизму, которые Эйнштейн пробовал соединить в единой теории 100 годов назад. Сейчас сегодняшние физики желают свести известные им природные взаимодействия к «единому знаменателю».


Одним из следствий теории т’Хоофта и Полякова является предположение об неотклонимом существовании в системе Величавого объединения магнитных монополей. При всем 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 очень отличаться по структуре от точечных частиц вроде кварков. Монополь быстрее припоминает луковку, слои которой представляют собой силовые зоны.


Расчеты физиков демонстрируют, что основная особенность монополей – это большая (по меркам микромира) масса: около 10 миллиардных толикой 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 млрд электронвольт (ГэВ). Последнее разъясняет невозможность рождения монополей Величавого объединения на ускорителях либо проявления их в почти всех происходящих во Вселенной процессах: для их рождения просто не хватает энергии.


Таким макаром, монополи Величавого объединения смотрятся циклопическими хранилищами энергии, которая в млрд млрд раз больше выделяемой при расщеплении ядра урана в атомном реакторе. Но для того, чтоб внутренняя энергия монополя высвободилась, должна произойти аннигиляция монополя и антимонополя, другими словами северного и южного полюсов.


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


Некие геофизики допускают, что долетающие до Земли монополи замедляются в ее коре, а попав в ядро нашей планетки, скапливаются там: «северные» – у южного полюса, а «южные» – у северного. Когда геомагнитное поле изменяется, монополи могут мигрировать и даже сталкиваться. На основании этих догадок некие жаркие головы даже считают, что их аннигиляция и обеспечивает внутреннее тепло Земли. Но пока это незапятанной воды научные фантазии.


А тем временем ученые продолжают опыты, пытаясь отыскать хотя бы косвенные признаки существования монополя.


«Отпечатки пальцев»


Зимой 1982 года Блез Кабрера из Стэнфордского института зарегистрировал сигнал, очень схожий на след монополя. На сенсоре, в каком по кольцу из сверхпроводника не ослабевая двигался ток (соответственно так же постоянно было и магнитное поле, создаваемое его движением), нашли скачок тока, схожий тому, как если б через кольцо провели магнит. Уровень скачка соответствовал заблаговременно рассчитанному для монополя значению.


Практически полгода Кабрера караулил монополь при помощи электроники. Она и зарегистрировала сигнал, который могла породить только эта частичка либо... немыслимо ошибшаяся аппаратура.


Естественно, по одному измерению высчитать поток монополей нель-зя. Но из опыта выходило, что возможность составляла один монополь за полгода через площадь около 100 кв.см. По другому говоря, если представить, что по времени монополи встречаются в галлактических лучах довольно умеренно, то за миллион лет через эту площадь должно было бы пропархать около 2-ух миллионов монополей. А этот итог в миллионы раз превосходил ограничения, приобретенные при обследовании слюды и обсидиана. Опыт повторяли в нескольких лабораториях, но неудачно…


Иошинори Токура из японского Государственного института ведущих технологий и прикладной науки решил выискать следы магнитных монополей по другому. По расчетам, поведение магнитных монополей могло бы оказывать влияние на так именуемый аномальный эффект Холла.


Сущность эффекта, открытого Эдвином Холлом в 1879 году, заключается в том, что если пропустить ток повдоль железной пластинки, помещенной в магнитное поле, в ней появится электронное поле, перпендикулярное как направлению магнитного поля, так и направлению тока. Это разъясняется поведением электронов, смещающихся под воздействием магнитного поля к одной из граней пластинки.


Потому что подвижность электронов находится в зависимости от проводимости пластинки, другими словами от материала, из которого она изготовлена, и от ее температуры, происходит и изменение характеристик электрического поля.


В 40-е годы прошедшего века русский академик Исаак Кикоин изучил эффект Холла в магнетиках и показал, что в ферромагнетиках, вместе с обыденным эффектом Холла, связанным с магнитным полем, существует аномальный эффект, который определяется намагниченностью эталона. Резко аномальным эффектом Холла обладает висмут, мышьяк и сурьма.


Эту методику и использовал Иошинори Токура. Он расположил сделанный из стронция, рутения и кислорода качественный кристалл в магнитное поле, пропустил через кристалл ток и изменял в процессе опыта температуру среды. Выяснилось, что с повышением температуры удельное сопротивление кристалла изменялось не линейно, как следовало ждать, а скачками. Участники опыта считают, что этот и другие аномальные эффекты, обнаруженные в опытах, представляют собой «отпечатки пальцев» реальных магнитных монополей. Они планируют изучить сейчас материалы, которые проявили бы еще огромные аномальные эффекты.


Что далее?


Мысль магнитного заряда непременно красива, но пока не доказана конкретными опытами. Может быть, ученым не хватает сил и средств для их проведения. Сам Дирак писал в статье, в какой в первый раз определил идею монополя, что изолированные магнитные полюсы, может быть, не наблюдаются, так как «сила притяжения меж 2-мя одиночными полюсами обратного знака приблизительно в четыре тыщи семьсот раз больше, чем меж электроном и протоном», и конкретно поэтому «полюсы обратного знака никогда не были еще разделены».


Но никогда не стоит забывать, что конкретно в тех областях познания, где не все концы сходятся с концами, обычно и появляются новые открытия. В любом случае, монополь остается прекрасным монументом Полю Дираку, его вере в арифметику и ее предсказательную силу...






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments