Магнит с одним полюсом

Действительно ли нарушает симметрию мира отсутствие магнитных зарядов? Да, нарушает. Попробуем разобраться, почему. Нам известны электрические заряды — особые точки поля, взаимодействие которых между собой определяет всю электрическую картину жизни атомного мира. Однако подобных магнитных зарядов мы пока не обнаружили. Мы знаем только полюсы магнитных моментов, которые иногда, чисто формально, называют магнитными зарядами. Но никогда не надо забывать, что у них обязательно есть взаимосвязанные с ними антиподы — полюсы противоположного знака.

Да, у электрических зарядов тоже есть свои антиподы: у электрона — позитрон, у протона — антипротон и т. д. Но все-таки эти электрические заряды могут существовать независимо друг от друга, в то время как полюсы магнита всегда связаны: как бы мы его не делили, вплоть до самых мельчайших материальных частиц, он всегда о двух полюсах. Налицо явная несимметричность физического мира.

Возникает вопрос: насколько эта несимметричность может носить фундаментальный характер? Другими словами, можно ли в ней усмотреть нарушение каких-то законов природы? Дирак придерживался, как известно, именно таких взглядов, что и заставило его создать теорию монополя. Но если уж быть точным, то следует напомнить, что впервые идея о существовании монополя была высказана не Дираком, а Эренхафтом еще в 1910 году. Но, тем не менее, когда говорят о несимметричности электричества и магнетизма и монополе, то вспоминают, прежде всего, только одного Дирака. И мне кажется, вот почему.

Когда в начале прошлого века физиками было установлено, что у электрона, открытого Томсоном, существует, согласно идее о симметричности мира, свой антипод — частица с положительным зарядом, протон, — философы восприняли это открытие с огромным удовлетворением: мир, значит, действительно симметричен. Однако очень скоро это открытие повергло поборников симметрии мира в уныние: выяснилось, что протон в 1840 раз тяжелее, чем его антипод — электрон. О какой же симметрии тут можно говорить?

Гениальность Дирака заключается в том, что он, будучи стойким сторонником симметрии мироздания, нашел в себе мужество заявить, что у электрона должен быть другой антипод — частица с той же массой. Как известно, очень скоро, в 1932 году, такая частица была обнаружена и получила название позитрона. Позитрон, нелишне будет напомнить, Дираком был предсказан в статье, посвященной теории монополя. Это била лишь частность, одна из логических предпосылок к теории монополя. Можно себе представить изумление и восторг физиков, когда выяснилось, что мифический антиэлектрон все же существует!

Что же было дальше? Логически опять же рассуждая, у протона тоже должен существовать свой антипод. Действительно, с помощью мощных ускорителей был создан антипротон. Следующий шаг в утверждении симметрии мира — открытие на Серпуховском синхрофазотроне ядер антигелия, которые состоят из двух антипротонов и одного антинейтрона. Пять ядер антигелия, полученных в Серпухове, — это уже своеобразное «окошко» в зеркально-симметричный антимир! Правда, уровень сегодняшней техники (а надо сказать, что ядра антигелия-3 были получены с помощью ускорителя в 70 миллиардов электрон-вольт!) не позволяет пока получить даже антигелий-4, не говоря уже об антилитии, однако в космосе, как нам известно, существуют потоки энергии, вполне достаточные для образования и антилития, и других «анти».

Следует ли за этим однозначный вывод, что Вселенная, как предполагают некоторые астрофизики, обязательно, в силу универсальной симметрии, должна состоять, как из вещества, так и из антивещества? Очень трудно ответить на этот вопрос, ибо в равной степени сколько «за» за эту универсальную симметрию мироздания, столько же и «против». Однако отрицать категорически, особенно после открытия антигелия-3, существование в природе антивещества, было бы по меньшей мере нелепо. А раз так, хотели бы мы того или нет, — это лишний довод в пользу монополя Дирака.

Спрашивается тогда, почему же его никто до сих пор не обнаружил? Этот вопрос тесно связан с другим, являющимся, по сути дела, ответом на первый: а там ли его ищут — этот монополь? Собственно, ищут монополь с магнитным зарядом, равным 68,5. Однако вспомним: тот же Швингер, чуть не всю жизнь посвятивший поискам монополя, разработал, а вернее, модернизировал дираковскую теорию монополя, в результате чего его заряд по Швингеру стал в два раза больше. С другой стороны, по Эренхафту величина магнитного заряда должна быть во много раз меньше предсказанной Дираком!

Но все же, отдавая должное Дираку, следует признать, что его теория, а следовательно, и его предсказание величины заряда монополя, наиболее логична, наиболее стро¬го доказана.

Хотели бы мы того или нет, но лучшим доказательством «квантования» магнитных зарядов в электричестве является логическая цепь самого Дирака. И опять мы вернулись «на круги своя…»

Так где же он тогда спрятался, этот неуловимый монополь Дирака? Приведу две аналогии, которые, возможно, прояснят ситуацию с поисками монополя.

Вообразите анекдотическую ситуацию — мы не знаем, что такое нейтрон. Представьте себе, что не было в истории науки знаменитого опыта Чадвика, который в 1932 году обнаружил этот самый нейтрон, можно сказать, случайно. Почти случайно. А «почти» потому, что некоторые теоретические соображения о его существовании, как и в истории с монополем, все же были. Однако никто ведь не знал, что нейтрон сидит в самом ядре атома! Логически вернее было считать, что ядро состоит из положительно заряженных протонов, которые уравновешиваются электронами, находящимися также в составе самого ядра — ясная, очень простая, очень логическая модель атомного ядра. Но с некоторыми изъянами, которые не давали покоя физикам-теоретикам до такой степени, что Паули вынужден был признаться: «Физика теперь снова зашла в тупик, во всяком случае для меня она слишком трудна, и я предпочел бы быть комиком в кино или кем-нибудь вроде этого и не слышать ничего о физике!».

В этот тупик физика зашла в середине двадцатых годов по двум причинам: с одной стороны, физики не могли ответить на вопрос, почему электроны не падают на ядра атома, иными словами, не могли объяснить устойчивости ядерной модели атома. С другой стороны, появились непреодолимые трудности в электронно-протонной модели ядра. Квантование электрона объяснила квантовая механика. А трудности с моделью ядра разрешил открытый Чадвиком нейтрон, который сейчас приводит в действие все ядерные установки.

Спрашивается, а если бы на эту «мифическую» частицу с нулевым зарядом физики махнули рукой? Подумаешь, нарушает некую стройность логических умозаключений… Второе сравнение более современно. Я имею в виду знаменитые кварки.

Считалось, по крайней мере, до 1964 года, что наименьшим электрическим зарядом обладает электрон. Однако, как и в случае с открытием Чадвика и теорией Гейзенберга, был (впрочем, он имеется, есть и по сей день) в этой теории строения элементарных частиц один «небольшой» изъян: каждый член этого элементарного «семейства», а уже тогда частиц было открыто около сотни, жил как бы самостоятельно, независимо друг от друга. И вот в 1964 году в поисках единства между разнородными элементарными частицами физики пришли к выводу о том, что должны существовать еще какие-то сверхмалые частицы уже не с целым, а с дробным числом заряда. Название этим частицам предложил американский физик Гелл-Манн: кварки.

Чтобы стать универсальными «кирпичиками» мироздания, кварки должны обладать зарядом, равным, одной трети или двум третям заряда электрона. Тогда они, образуя различные сочетания, смогут «складываться» в любую элементарную частицу.

И здесь речь идет о кратности заряда монополя электрическим зарядам! Другими словами, в обоих случаях и монополь, и кварки рождены теорией для того, чтобы объяснить квантование электрического заряда, его способности. Переходить из одного состоянья в другое. И монополь, и кварки — это частицы, которые должны собой заполнить некие теоретические «бреши» в единой, стройной, симметричной картине мироздания.

Вот мы и опять вернулись к симметрии… Возникает вопрос: но если допустить, что существуют кварки электрические, то почему бы это же допущение не распространить и на кварки магнитные?!

Злая это вещь — симметрия мира. Стоит сделать одно допущение, как за него цепляется другое. Дирак был, очевидно, несколько смущен в первый момент, когда обнаружил отрицательный результат в решениях уравнений электрона. Но допустил: должна быть такая частица. И вскоре был открыт позитрон, частица с отрицательным зарядом. Английский физик Гарднер опубликовал статью, посвященную проблеме отрицательной массы. Получалось, что она должна вести себя наоборот по отношению к нормальной, положительной массе: шарик из отрицательной массы будет к Земле не притягиваться, а стремиться улететь от нее прочь. И чем сильнее мы будем по нему бить, тем сильнее он будет стремиться отплатить нам ударом!

А тахионы — частицы, которые должны существовать по «ту сторону» скорости света? Ведь они тоже родились благодаря зеркальной симметрии! Согласно представлениям некоторых физиков, тахионы могут существовать только со скоростями не ниже скорости света. Если для обычных частиц, известных нам, предельный порог — скорость света, то и для тахионов тоже, однако как наименьший!

Или отрицательные температуры — нечто подобное отрицательным массам и тахионам. Как тахионы могут существовать только «по ту сторону» скорости света, так и отрицательные температуры — явление «за порогом» абсолютного нуля…

Однако симметрия мира слишком увела нас от монополя. Что можно было бы ожидать, если бы монополь был все же обнаружен? Без сомнения, это была бы настоящая революция во всей физике, подобная той, которую совершил в свое время Томсон, открывший электрон. Открытие монополя в корне перевернуло бы все наши взгляды и представлении о структуре элементарных частиц. Да и сам практический, утилитарный результат этого открытия был бы необыкновенно велик. Дело не в том, что, «напичкав» монополями какое-нибудь тело, можно будет, наконец, получить легендарный однополюсный магнит — это все лабораторная экзотика. Гораздо важнее, что монополи можно будет использовать в ускорителях, и такие ускорители, «стреляющие» монополями, будут в тысячи раз дешевле, чем ныне существующие.

Трудно представить, какое применение в технике могут найти монополи, если они будут открыты, но совершенно очевидно, что и там они совершат не меньшую революцию, чем в науке.

Однако ведь не все физики разделяют идеи Дирака. Очень многие считают монополь чистейшей фантастикой. Впрочем, как и кварки. Но ведь пока никто из них и не сумел доказать своей правоты!.. Никому не удалось опровергнуть Дирака, хотя пытались очень многие. В данном случае отрицательный результат и его убедительное доказательство стоят не меньше экспериментального подтверждения теории. Ведь отказались же в конце концов от поисков перпетуум мобиле — вечного двигателя. Искали вечный двигатель, как известно, многие столетия, а когда открыли закон сохранения энергии. — «закрыли» идею перпетуум мобиле. Точно так может случиться и с монополем: будет создана теория, которая позволит сформулировать закон, «закрывающий» существование в природе монополя, и все встанет на свои места.

Трудно быть пророком в вопросе, на который с одинаковым успехом можно ответить как «да», так и «нет». Пока что, повторяя Дирака, приходится признать, что природа и в самом деле выглядела бы несколько ущербной, если бы не использовала эту блестящую возможность — создать магнит с одиночным полюсом.

Автор: С. В. Вонсовский.