Paslaptingesnė dalelė net už Higgso bozoną: magnetinis monopolis

Tikriausiai esate girdėję apie Higgso bozoną. Šios efemeriškosios dalelės egzistavimas buvo numatytas jau seniai ir padėjo paaiškinti visatos veikimą, tačiau jos atradimas truko ne vieną dešimtmetį.

Yra ir kita tokia neapčiuopiama dalelė, kurią numatyto kvantų fizika, ir jos ieškoma netgi dar ilgiau. Tiesą sakant, jos nesame aptikę – ir ne dėl to, kad nebandėme.

Ši dalelė – magnetinis monopolis, turintis kelias unikalias savybes.

Paralelės

Tiems, kas domisi fizika, elektrinis monopolis tikriausiai nėra naujiena, nors labiau paplitęs pavadinimas yra elektros krūvis.

Priešingi elektros krūviai traukia vienas kitą, o vienodi – stumia per elektros laukų sąveiką, kuri vyksta iš teigiamo krūvio į neigiamą. Tai tiesiog laisvai pasirinkti priešingų elektros krūvių pavadinimai.

Elektriniai monopoliai egzistuoja kaip dalelės, turinčios teigiamą ar neigiamą elektros krūvį, tarkime, protonai ar elektronai.

Iš pirmo žvilgsnio magnetizmas atrodo taip pat kaip elektra, kadangi yra magnetinis laukas, kurio kryptis taip pat apibūdinama kaip einanti iš šiaurės į pietus.

Tačiau analogija subyra, ieškant elektros lauko magnetinio atitikmens. Elektrinius monopolius matome kaip elektros krūvį (teigiamą arba neigiamą) turinčios dalelės, kai tuo tarpu magnetinių monopolių niekada nesame užfiksavę.

Magnetai egzistuoja tik kaip dipoliai – su šiauriniu ir pietiniu galu. Perlaužę magnetą, šiaurinės ir pietinės dalies neatskiriame. Vietoje to gauname du mažesnius magnetus, turinčius šiaurinį ir pietinį galą.

Net jeigu susmulkintume magnetą iki atskirų molekulių, vis vien gautume magnetinius dipolius.

Tokios magnetizmo savybės visiškai dera su Maksvelo lygtimis, apjungiančiomis vieningą elektrinio ir magnetinio lauko teoriją į klasikinį elektromagnetizmą.

Šias lygtis Džeimsas Maksvelas publikavo 1861 ir 1862 metais ir jos tebenaudojamos praktiškai, be viso kito, inžinerijoje, telekomunikacijose ir medicinoje.

Tačiau viena lygtis – Gausso magnetizmo dėsnis – teigia, kad magnetinių monopolių nėra.

„Kasdienis“ magnetizmas gali būti kildinamas iš elektros krūvių judėjimo. Kai elektros krūvį turinti dalelė juda, tarkime, elektronas laidu, tai yra elektros srovė. Ji indukuoja magnetinį lauką, apgaubiantį krūvį srovės kryptimi.

Antroji magnetizmo priežastis susijusi su kvantų mechanikos savybe, „sukiniu“. Apie jį paprastumo dėlei galima galvoti kaip apie krūvį, besisukantį apie savo ašį, o ne judantį kuria nors kryptimi.

Taip dalelėje atsiranda kampinis momentas, dėl kurio elektronas elgiasi kaip magnetinis dipolis (t.y. mažas magnetas). Todėl galime apibūdinti magnetinius reiškinius ir be magnetinių monopolių.

Bet vien todėl, kad klasikinės elektromagnetizmo teorijos atitinka stebėjimus, nereiškia, kad magnetiniai monopoliai neegzistuoja. Tai teliudija, kad nėra magnetinių monopolių, kuriuos būtume stebėję.

Nerdami gilyn į drumzlinus teorijos vandenis, randame viliojančius jų egzistavimo mūsų visatoje argumentus.

Dualumo vilionės

1894 metais Nobelio premijos laureatas Pierre Curie diskutavo tokios dar neatrastos dalelės buvimo tikimybės tema ir nerado įtikimų argumentų, kodėl jos egzistavimą reikėtų atmesti.

Vėliau, 1931 metais, Nobelio premijos laureatas Paulas Diracas pademonstravo, kad praplėtus Maksvelo lygtis magnetiniais monopoliais, gali egzistuoti tik diskrečios elektros krūvio reikšmės.

Šis elektros krūvio „kvantavimas“ yra vienas iš kvantų mechanikos reikalavimų. Tad Diraco darbas parodė, kad klasikinis elektromagnetizmas ir kvantų elektrodinamika šia prasme suderinamos teorijos.

Galiausiai, nedaugelis fizikų atsispiria gamtos simetrijos grožiui. O kadangi magnetinių monopolių egzistavimas reikštų elektros ir magnetizmo dualumą, magnetinių monopolių teorijos traukai labai sunku atsispirti.

Fizikoje dualumas – kai dviejų skirtingų teorijų santykis yra toks, kad viena yra analogiška kitai.

Jei elektros jėga būtų visiškai analogiška magnetinei jėgai, tada gal ir kitos jėgos galėtų būti analogiškos viena kitai. Gal tada būtų įmanoma kažkaip apjungti stipriąją ir silpnąją sąveiką, taip nutiesiant kelią visų fizinių sąveikų didžiajam apjungimui, unifikacijai.

Žinoma, vien patraukli simetrija teorijos nepadaro teisinga.

Monopolio miražas

Mokslininkai beveik užfiksavo magnetinius monopolius, sukurdami į monopolį panašias struktūras laboratorijoje, naudodami sudėtingas magnetinių laukų pynes Boze-Einšteino kondensatuose ir superskysčiuose.

Bet nors tai ir rodo, kad magnetinis monopolis nėra fiziškai neįmanomas, tai nėra tas pats, kas atrasti natūralų magnetinį monopolį.

Dalelių fizikos eksperimentuose kartkartėmis nuskambėdavo pranešimai apie galimus monopolio kandidatus, bet kol kas nei vienas iš šių atradimų nėra patvirtintas ar pakartotas.

LHC Monopolių ir egzotikos detektorius (Monopole and Exotics Detector at the Large Hadron Collider – MoEDAL) užsiima paieškomis, bet kol kas monopolių neaptiko.

Todėl magnetino monopolio entuziastai stengiasi išsiaiškinti, kodėl iki šiol neišvydome nė vieno monopolio.

Jei dabartine dalelių greitintuvų karta magnetinių monopolių užfiksuoti nepavyko, gal monopolio masė tiesiog didesnė, nei dabar galime sukurti.

Panaudodami teoriją, galime apskaičiuoti, kokia yra didžiausia įmanoma magnetinio monopolio masė. Atsižvelgiant į turimas žinias apie visatos sąrangą, galima teigti, kad monopolio masė gali siekti sunkiai įsivaizduojamus 10¹⁴ TeV [tai yra ~100 milijardų kartų daugiau, nei gali sukurti LHC]

Toks masyvus objektas galėjo būti sukurtas tik pačiose ankstyviausiose visatos stadijose po Didžiojo sprogimo, dar iki prasidedant infliacijai. Jei visata atvėso iki temperatūros, kai monopolių susidarymas energetiškai nebeįmanomas dar iki išsiplėtimo, gal monopoliai egzistuoja. Tik jų nedaug ir jie toli vienas nuo kiti. Tad surasti juos gali būti labai nelengva.