|
Монополь Дирака
Древние мыслители полагали, что все в Природе устроено по принципу красоты.
Одним из непременных условий этого принципа является наличие симметрии. Если
посмотреть на уравнения Максвелла
то сразу бросается в глаза их явная асимметрия. Электрическое поле имеет
источники - электрические заряды, а у магнитного поля подобных источников нет.
Более того, из оставшихся уравнений Максвелла как будто вытекает, что электричест-
во вполне может обойтись без магнетизма, а магнетизм без электричества - никак нет.
Фактически уравнения Максвелла полностью сводят магнетизм к электричеству. Это
собственно провозглашал еще Ампер. Получается, что у электрического поля
источники - заряды, а у магнитного поля источники - лишь электричество - токи,
связанные с движущимися зарядами.
Одним из первых, кто решил «исправить» эту несправедливость Природы, был
Хевисайд. В 1891 г. он впервые записал обобщенные уравнения Максвелла в
полностью симметричном виде. Однако его работу не заметили, или старались не
замечать. В 1931 г. проблемой существования магнитного заряда заинтересовался
выдающийся английский физик-теоретик, один из основателей квантовой теории Поль
Дирак. Он пришел к выводу, что квантовая Теория не содержит в себе никаких
преимуществ электричества перед магнетизмом. Магнитный заряд, аналогичный
электрическому заряду, Дирак назвал магнитным монополем. Дирак настойчиво
пытался объяснить известный экспериментальный факт: электрические заряды частиц
всегда кратны элементарному заряду - заряду электрона. Нет ни одного явления, в ко-
тором проявлялась бы дробная часть заряда электрона. В статье 1931 г. «Квантовые
сингулярности в электромагнитном поле» Дирак показал, что можно ввести
магнитный монополь в полном согласии с уравнениями Максвелла при условии, что
магнитный заряд и электрический заряд е связаны соотношением:
μe = nħc/2 (условие квантования Дирака).
Здесь п - целое число, с - скорость света в вакууме, ħ - постоянная Планка.
Это соотношение объясняет факт квантования электрического заряда частиц. В
конце своей статьи Дирак писал: «С этой точки зрения было бы удивительно, если бы
Природа не использовала такой возможности».
Если монополи существуют, то они должны обладать удивительными
свойствами. Прежде всего, как и в случае электрического заряда, должен выполняться
закон сохранения магнитного заряда. При этом элементарный магнитный заряд
должен быть в 137/2 раза больше заряда электрона. Поэтому сила взаимодействия
между монополями в 4692 раза больше, чем сила взаимодействия между электронами
на том же расстоянии. На этом основании Дирак пришел к выводу: «Такая большая
сила притяжения, возможно, объясняет, почему полюсы противоположного знака
никогда не были разделены». При существовании монополей должна наблюдаться
полная симметрия электрических и магнитных явлений: как магнитное поле возникает
при движении электрических зарядов, так и движение магнитных монополей должно
приводить к электрическим явлениям.
Идею о магнитном монополе Дирак высказал вместе с идеей о существовании
«положительного электрона» - позитрона. Обе идеи в то время казались совершенно
фантастическими и не вызывали доверия у физиков. Когда же в 1932 г. был открыт
предсказанный Дираком позитрон, то резко возросло и доверие к другой идее Дирака,
к монополю. Исследователи активно бросились искать новые частицы. Естественно
было предположить, что монополи образуются примерно так же, как пара электрон-
позитрон в результате столкновений между другими частицами. В лабораторных
условиях для этого использовали мощные ускорители, в которых ускоряемые до
колоссальных энергий частицы сталкивались с различными мишенями. В продуктах
взаимодействия таких частиц с мишенями и пытаются с помощью мощных магнитов
выделить монополи. Однако многочисленные попытки, несмотря на все арсеналы
средств современной физики, пока не дали никаких результатов. Предпринимались
также безуспешные попытки обнаружить монополи в космических лучах, в метео-
ритах, в различных земных породах, в образцах лунного грунта.
В работах последнего времени (70-80 гг ХХ века) было показано, что если
монополь существует, то он должен обладать огромной массой, сопоставимой с
массой белковой молекулы или даже бактериальной клетки. Для порождения таких
частиц колоссальной массы требуется огромный запас энергии, которого недостаточно
не только в самых мощных современных ускорителях, но даже в космических лучах.
Однако предполагается, что на ранних стадиях развития Вселенной монополи могли
образоваться и сохраниться до наших дней. Поэтому все же имеется надежда
обнаружить монополи.
Возникает естественный вопрос: зачем нужны трудные и многозатратные
поиски экзотического монополя? В теоретическом отношении это можно объяснить
тем, что уравнения Максвелла лежат в основе современной физики. Поэтому любые
изменения в них повлекут за собой изменение наших представлений о мире. В
практическом же отношении, как ясно из предыдущего, открытие монополей привело
бы к решению энергетических проблем. Кроме того, из-за большого заряда монополя
его ускорение в магнитном поле было бы намного эффективнее, чем ускорение
электрически заряженных частиц. Возможно, что существуют другие явления,
связанные с монополями, о которых мы пока даже не догадываемся.
Лекция 10
Do'stlaringiz bilan baham: |
