Джинн излуковицы: магнит ободном полюсе

      Комментарии к записи Джинн излуковицы: магнит ободном полюсе отключены

Джинн излуковицы: магнит ободном полюсе

Любой из нас с детства знает, что у магнита два полюса. Как его ни выпивали, любой из кусков будет опять магнитом с двумя полюсами, а взять раздельно южный и северный полюс нереально. Имеется шутка про физика, что запатентовал метод изготовления магнита с одним полюсом — монополя — и стал сказочно богат, по причине того, что у него была монополия.

очень способный британский физик Поль Дирак, выдвинувший в первой половине 30-ых годов двадцатого века, в то время, когда ему было 28 лет, идею существования частицы с магнитным зарядом — монополя, на ней не разбогател. Через пятьдесят лет на конференции, посвященной юбилею его догадки, он согласился: «Я склоняюсь к тому, что монополя все-таки не существует,. экспериментального подтверждения не получено».

Но целая эра разочарований и надежд не смогла подорвать интерес к прекрасной идее, талантливой много прояснить в процессах происхождения Вселенной. Ученые так же, как и прежде ищут и не смогут до тех пор пока отыскать рекордсмена массы среди жителей микромира. Напоминающий «луковицу» с множеством силовых «чешуек», монополь по размерам может сравниться с бактерией, а по заключенной в нем энергии — с водородной бомбой.

Хлопок одной ладонью

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

Явление же магнетизма всегда было окутано мистической завесой. Первыми письменно упоминали магнитные особенности древние китайцы пара тысяч лет назад. В Европе сам термин «магнетизм» продолжительно был синонимом оккультных явлений, и таинственные особенности некоторых минералов притягивать металл стали понятны только в десятнадцатом веке.

Тогда Майкл Фарадей установил связь между магнетизмом и электричеством и ввел в теорию понятие магнитного поля — субстанции, передающей магнитные силы.

Джеймс Максвелл совсем утвердил единство магнетизма и электричества в собственной теории. Наряду с этим стало известно, что электрическая сила вела себя в этом единстве в полной мере пристойно. Она имела несущие заряд частицы, массу и величину которых возможно было измерить.

Но источник магнитного поля — магнитные заряды — отыскать не получалось.

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

В уравнениях Максвелла для полей сразу же кидается в глаза их симметричность. Оба поля — и магнитное, и электрическое — равноправны. Более того — они взаимосвязаны: изменяется электрическое поле — появляется магнитное, изменяется магнитное — появляется электрическое.

Но наряду с этим в двух из четырех уравнений Максвелла симметрия нарушается: 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 игралась решающую роль, и вера в эту красоту неоднократно приводила к необычным открытиям. Догадка Дирака о существовании монополя звучала бы практически крамольно, если бы за пара лет до того он, исходя из-за, что везде обязана править симметрия, не высказал предположение, что существует положительно заряженный электрон — позитрон. И в первой половине 30-ых годов двадцатого века позитрон был обнаружен экспериментально.

С монополем повезло меньше. Согласно расчетам Дирака, магнитный заряд монополя должен иметь громадную массу и, следовательно, громадную ионизирующую свойство. Именно поэтому, двигаясь через вещество, монополь должен был бы с огромной силой срывать электроны с орбит атомов.

След таких «ободранных» атомов был бы значительно толще, чем у простых элементарных частиц.

Следы искали усердно и везде: в космических лучах, в метеоритах, в земном и лунном грунте, в опытах на ускорителях. И фактически все опыты, за исключением одного либо двух, о которых обращение в первых рядах, окончились полной неудачей. Однако ни один отрицательный итог, ни дружно «закрыть» монополь не смогут.

Они только обозначают поле поисков.

В случае если за год на площади в сто квадратных метров за пределами воздуха кроме того посредством очень чутких устройств не удалось найти в космических лучах следов частиц с высокой ионизирующей свойством, приходится согласиться с тем, что их поток меньше, чем один на сто квадратных метров в год. А вдруг изучения 100 кв.м обсидиана и слюды, пролежавших в недрах Почвы примерно сто миллионов лет, кроме этого не принесли успеха, значит и поток монополей образовывает не более одного за сто миллионов лет (либо, что то же самое, не более одного монополя через квадратный километр планеты за год).

Для чего нам монополь?

Что касается физики, то открытие монополя вернуло бы уравнениям Максвелла в веществе симметрию между магнетизмом и электричеством. Наряду с этим ни один узнаваемый закон физики не запрещает монополю вправду существовать в природе.

Помимо этого, ученые стремятся отыскать монополь, по причине того, что его существование растолковало бы кое-что «происходящее» в второй части уравнений Максвелла — квантование заряда. Иначе говоря ответило бы на вопрос, из-за чего заряд не может быть меньше заряда электрона и неизменно кратен заряду электрона.

Это соответствие в первый раз установил британский физик Роберт Милликен, взявший в первой половине 20-ых годов двадцатого века Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Милликен определил, что заряд квантуется, другими словами может принимать не каждые, а только определенные значения. Бывают заряды 2e (где e — заряд электрона), 137е, 123456е, но ни при каких обстоятельствах — 1,5е.

Ничего феноменального в этом нет. В квантовой механике многие размеры квантуются. К примеру, энергия (электрону дано занимать только определенные орбиты около ядра).

А вот из-за чего квантуется заряд, неясно.

В отыскивании ответа Дирак применял уравнения из той же квантовой механики. С их помощью он обрисовал совокупность, в которой электрон вращается около уединенного магнитного заряда. Ответ уравнения существовало лишь при одном условии: в случае если заряд электрона принимал определенные значения, другими словами квантовался. Но: в случае если имеется в природе магнитный заряд, то ясно, из-за чего квантуется электрический — данный факт направляться из уравнения.

Тогда это было самое значительное мысль в пользу монополя.

Супербомба и чудо-горючее

Еще одна догадка существования магнитных монополей показалась существенно позднее в работах лауреата Нобелевской премии голландского теоретика Герарда т Хоофта и советского физика Александра Полякова. Она отыскала отражение в так называемой теории Великого объединения.

Речь заходит о попытке доказать единую природу и не сильный сотрудничества, которое проявляется в распаде элементарных частиц, и сильного сотрудничества, примером которого может служить термоядерная реакция в Солнца и звёзд либо взрыв водородной бомбы, и — электромагнетизма. Первые два сотрудничества, открытые уже в двадцатом веке, добавились к ньютоновой гравитации и максвелловскому электромагнетизму, каковые Эйнштейн пробовал объединить в единой теории 100 лет назад. Сейчас нынешние физики желают свести знакомые им природные сотрудничества к «единому знаменателю».

Одним из следствий теории т Хоофта и Полякова есть предположение об необходимом существовании в совокупности Великого объединения магнитных монополей. Наряду с этим, в соответствии с теории, так же, как у магнита имеется два полюса, в природе должно быть и два типа монополей — «северные» и «южные». И они должны очень сильно различаться по структуре от точечных частиц наподобие кварков.

Монополь скорее напоминает луковицу, слои которой являются силовые территории.

Расчеты физиков говорят о том, что главная изюминка монополей — это огромная (по меркам микромира) масса: около десяти миллиардных долей грамма. И, в соответствии с 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 растолковывает невозможность рождения монополей Великого объединения на ускорителях либо проявления их во многих происходящих во Вселенной процессах: для их рождения просто не хватает энергии.

Так, монополи Великого объединения выглядят огромными хранилищами энергии, которая в миллиарды миллиардов раза больше выделяемой при расщеплении ядра урана в ядерном реакторе. Но чтобы внутренняя энергия монополя высвободилась, обязана случиться аннигиляция монополя и антимонополя, другими словами северного и южного полюсов.

Если бы удалось произвести либо добыть те и другие монополи и хранить их в неких электромагнитных «сосудах», то, смешав пара северных полюсов с равным числом южных, возможно было бы взять немыслимую энергию для применения как в мирных, так и военных целях.

Кое-какие геофизики допускают, что долетающие до Почвы монополи замедляются в ее коре, а попав в ядро отечественной планеты, накапливаются в том месте: «северные» — у южного полюса, а «южные» — у северного. В то время, когда геомагнитное поле изменяется, монополи смогут мигрировать а также сталкиваться. На основании этих догадок кое-какие горячие головы кроме того уверены в том, что их аннигиляция и снабжает внутреннее тепло Почвы.

Но пока это чистой воды научные фантазии.

А тем временем ученые продолжают опыты, пробуя отыскать хотя бы косвенные показатели существования монополя.

«Отпечатки пальцев»

Зимний период 1982 года Блез Кабрера из Стэнфордского университета зарегистрировал сигнал, весьма 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 перемещением), нашли скачок тока, подобный тому, как если бы через кольцо совершили магнит. Уровень скачка соответствовал заблаговременно вычисленному для монополя значению.

Практически полгода Кабрера караулил монополь посредством электроники. Она и зарегистрировала сигнал, что имела возможность породить лишь эта частица либо невообразимо ошибшаяся аппаратура.

Само собой разумеется, по одному измерению вычислить поток монополей запрещено. Но из опыта выходило, что возможность составляла один монополь за шесть месяцев через площадь около 100 кв.см. В противном случае говоря, в случае если высказать предположение, что по времени монополи видятся в космических лучах достаточно равномерно, то за миллион лет через эту площадь должно было бы пролететь около двух миллионов монополей.

А результат в миллионы раз превышал ограничения, полученные при обследовании обсидиана и слюды. Опыт повторяли в нескольких лабораториях, но бесполезно

Иошинори Токура из японского Национального университета передовых прикладной науки и технологий решил поискать следы магнитных монополей в противном случае. Согласно расчетам, поведение магнитных монополей имело возможность бы оказывать влияние на так называемый аномальный эффект Холла.

Сущность результата, открытого Эдвином Холлом во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века, пребывает в том, что в случае если пропустить ток на протяжении железной пластинки, помещенной в магнитное поле, в ней покажется электрическое поле, перпендикулярное как направлению магнитного поля, так и направлению тока. Это разъясняется поведением электронов, смещающихся под действием магнитного поля к одной из граней пластинки.

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

В 40-е годы прошлого века русский академик Исаак Кикоин изучил эффект Холла в магнетиках и продемонстрировал, что в ферромагнетиках, наровне с простым эффектом Холла, связанным с магнитным полем, существует аномальный эффект, что определяется намагниченностью примера. Быстро аномальным эффектом Холла владеет висмут, сурьма и мышьяк.

Эту методику и применял Иошинори Токура. Он поместил изготовленный из стронция, кислорода и рутения отличный кристалл в магнитное поле, пропустил через кристалл ток и изменял на протяжении опыта температуру среды. Стало известно, что с повышением температуры удельное сопротивление кристалла изменялось не линейно, как следовало ожидать, а скачками.

Участники опыта считают, что данный и другие аномальные эффекты, найденные в опытах, являются отпечатками « пальцев» настоящих магнитных монополей. Они собираются изучить сейчас материалы, каковые продемонстрировали бы еще громадные аномальные эффекты.

Что дальше?

Мысль магнитного заряда непременно прекрасна, но пока не подтверждена однозначными опытами. Быть может, ученым не достаточно средств и сил для их проведения. Сам Дирак писал в статье, в которой в первый раз сформулировал идею монополя, что изолированные магнитные полюсы, быть может, не наблюдаются, потому, что «сила притяжения между двумя одиночными полюсами противоположного символа приблизительно в четыре тысячи семьсот раза больше, чем между протоном и электроном», и как раз потому «полюсы противоположного символа ни при каких обстоятельствах не были еще поделены».

Но ни при каких обстоятельствах не нужно забывать, что именно в тех областях знания, где не все финиши сходятся с финишами, в большинстве случаев и рождаются новые открытия. В любом случае, монополь остается прекрасным монументом Полю Дираку, его вере в математику и ее предсказательную силу

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№16, февраль 2004).

Куда показывает компас? Магнитное поле Земли, магнитное наклонение


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: