Каталог магнитов

Каталог магнитов

Магнитные монополи

 

Магнитные монополи


Магнитный монополь — гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным зарядом — точечный источник радиального магнитного поля. Магнитный заряд определяет напряжённость магнитного поля совершенно так же, как электрический заряд определяет напряжённость электрического поля.


Магнитный монополь можно представлять как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Однако у обычного магнита всегда два полюса, то есть он является диполем. Если разрезать магнит на две части, то у каждой его части по-прежнему будет два полюса. Все известные элементарные частицы, обладающие электромагнитным полем, являются магнитными диполями.


У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный). Однако если разрезать магнит пополам, вы не получите отдельно южный и отдельно северный полюс — вы получите два магнита половинного размера, и у каждого снова окажется два полюса, ориентированные так же, как и у исходного магнита. И, сколько бы вы ни повторяли процесс такого деления магнитов, вы просто будете получать всё больше и больше двухполюсных магнитиков или, выражаясь научным языком, магнитных диполей. Как бы вы ни изощрялись, однополярного магнита — положительного или отрицательного магнитного заряда, или монополя, — вы не получите. Иными словами, в природе магнитных монополей не существует.


Этот факт сразу же подчеркивает удивительную асимметрию между магнетизмом и электричеством. Согласно закону Био—Савара, магнитные поля возбуждаются при движении электрических зарядов, а первый из законов электромагнитной индукции Фарадея показывает, что движение магнитов возбуждает электрические токи. Однако носители электрических зарядов выделить можно — например, электроны несут отрицательный единичный заряд, а протоны — положительный. С магнитами же, судя по всему, дело обстоит иначе.


С созданием физики как науки, основанной на опыте, утвердилось мнение, что электрические и магнитные свойства тел существенно различаются. Это мнение было чётко выражено Уильямом Гильбертом в 1600 году. Установленное Шарлем Кулоном тождество законов притяжения и отталкивания для электрических зарядов и магнитных зарядов — полюсов магнитов, вновь подняло вопрос о сходстве электрических и магнитных сил, однако к концу XVIII века было выяснено, что в лабораторных условиях невозможно создать тело с ненулевым полным магнитным зарядом. Понятие о «магнитно заряженной субстанции» было надолго изгнано из физики после работы Ампера в 1820, в которой было доказано, что контур с электрическим током создаёт такое же магнитное поле, как магнитный диполь.

 


Вначале 30-х годов 20-го века Поль Дирак предложил теорию, в которой естесственным образом был введен магнитный монополь (монополь Дирака) из условия квантования электрического заряда. С этого времени начались, пока безуспешные, попытки экспериментального обнаружения монополя Дирака.

В последнее время группа специалистов по твердому телу объявила о том, что они косвенным образом наблюдали магнитные монополи в спиновых стеклах. Дело в том, что при низких температурах при достаточно сильном внешнем поле магнитные диполи спиновых стекол поляризуются (позитивный магнитный заряд находится на одной плоскости, а негативный – на второй, причем они соединены тонкими «дираковскими нитями»), создавая таким образом т.н. твердотельный «магнитный конденсатор». Если пропускать через плоскости такого конденсатора пучек нейтронов (они имеют не нулевой магнитный момент), то последние определенным образом отклоняются. Таким образом, по полученной картине рассеяния нейтронов в спиновых стеклах делается предположение о наличии магнитных монополей. В действительности в спиновых стеклах мы имеем квазичастицы, которые имеют свойства магнитного диполя. На концах диполя находятся также магнитные квазизаряды (позитивные и негативные), соединенные тонкой дираковской нитью. Эксперименты на нейтронах подтверждают только «тонкость» дираковских нитей диполя в сравнении с размерами нейтронов.

Ученые уже давно ведут теоретические дискуссии о том, существуют ли магнитные монополи, и пытаются обнаружить их экспериментально, однако до сих пор тщетно. Во многом эти усилия обусловлены критерием красоты теории. Для физиков-теоретиков Вселенная без магнитного монополя подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте. В ранней Вселенной должно было сформироваться великое множество магнитных монополей, однако при последующем стремительном расширении они оказались размазанными очень тонким слоем по холсту мироздания. Возможно, во всей видимой части Вселенной существуют считанные единицы магнитных монополей, хотя, рискну предположить, что их все-таки несколько больше, и рано или поздно они объявятся.

Если монополи будут открыты, придется пересмотреть формулировки некоторых законов, описывающих явления магнетизма, в частности теорему Гаусса для магнитного поля. Представьте себе изолированный в пространстве магнитный монополь, окруженный замкнутой поверхностью произвольной конфигурации. В каждой точке поверхности будет наблюдаться магнитное поле, производимое монополем. Согласно закону Гаусса, суммарный магнитный поток, проходящий через такую замкнутую поверхность, должен равняться нулю, а в случае присутствия внутри нее магнитного монополя он будет, очевидно, отличен от нуля. То есть закон Гаусса не допускает существования магнитных монополей.

Закон Гаусса, собственно, и исходит из того, что магнитные поля производятся диполями, их силовые линии замыкаются и, как следствие, проходят сквозь окружающую поверхность дважды — в ту и другую сторону. Поэтому суммарное поле и обнуляется. В случае же монополя, каковым, в частности, является электрический заряд, силовые линии не замыкаются сами на себя, и закон Гаусса не выполняется.

То есть если допустить существование магнитного монополя, суммарный поток магнитного поля через поверхность не будет равен нулю, а будет пропорционален магнитному заряду, и будут выполняться два закона Гаусса для электрического поля.


 


Переменный магнитный монополь


Явления, наблюдаемые очень редко и проявляющиеся неожиданно, наиболее трудны как для исследований, так и для понимания их природы. Наблюдают их, как правило, случайные и неподготовленные люди, свидетельства которых довольно противоречивы и поверхностны. С другой стороны, даже подготовленный специалист при встрече с ними нередко оказывается бессилен – у него не оказывается под рукой аппаратуры, не хватает времени для подготовки к измерениям и т.д. В силу ограниченности возможностей остаётся только сопоставлять разрозненные данные, анализировать, строить недоказуемые в настоящий момент гипотезы, всё же надеясь, что и эти методы способны приблизить к ожидаемому результату.


Уже довольно давно две научные загадки не дают покоя исследователям – природа шаровой молнии и монополь Дирака. Первая из них наблюдается слишком редко, второй до сих пор не обнаружен и существует лишь теоретически. Может быть, стоит попытаться два этих явления объединить?


Приведём предполагаемые свойства монополя Дирака. При движении в среде (например, в атмосфере или в жидкости), содержащей частицы, обладающие магнитными моментами, монополь должен обрастать ими подобно тому, как обрастает полюс полосового магнита, если вы проведете им над рассыпанными булавками (для более полной аналогии надо брать очень длинный магнит, т. е. почти отдельный магнитный заряд, и магнитные стрелки—диполи). Монополь, обросший магнитными диполями, из-за резкого увеличения массы должен стать менее подвижным и будет медленно дрейфовать в среде (это довольно похоже на «плывущую» в воздухе ШМ). Постоянные магниты и обыкновенное мягкое железо должны быть настоящими ловушками для монополей (замечена способность ШМ «прилипать» к железным предметам).


Движущийся монополь должен ионизовать атомы среды, через которую он движется (ионизирует атомы и ШМ), причем ионизующая способность должна быть тем больше, чем больше значение магнитного заряда монополя. Сходство свойств этих явлений ещё ничего не доказывает, но всё же несколько обнадёживает. Попробуем взглянуть на вопрос иначе – а почему предсказанный Дираком магнитный монополь обязательно должен быть постоянным? В обычном магните противоположные полюса существуют одновременно (в общей точке времени), но разделены в пространстве определённым расстоянием. Почему не может быть наоборот — противоположные полюса разделены во времени определённым периодом (северный полюс сменяется южным и наоборот) и совмещены в одной пространственной точке? Такое состояния будет представлять собой переменный магнитный монополь – и оно, если вдуматься, ещё более сочетается с труднообъяснимыми свойствами ШМ.


Искусственный магнитный монополь


Спустя почти 85 лет после того, как физик-теоретик Поль Дирак предсказал возможность существования магнитных монополей, современные ученые-физики синтезировали, идентифицировали и зарегистрировали на фотоснимках искусственные магнитные монополи.

Это инновационное достижение, о котором была публикация в журнале Nature, прокладывает путь к обнаружению магнитных монополей природного происхождения. И если это произойдет в недалеком будущем, то по важности данное открытие можно будет сопоставить только с открытием электрона.

Группа ученых, получивших искусственные магнитные монополи, применила инновационный подход к исследованиям теории Дирака и использовала этот подход для создания и идентификации искусственных монополей в пределах магнитного поля, индуцированного конденсатом Бозе-Эйнштейна, газом из чрезвычайно холодных атомов, температура которых лишь на несколько миллиардных долей градусов была выше температуры абсолютного нуля.

В своих исследованиях группа опиралась на теоретическую работу, изданную Микко Мёттёненом (Mikko Mottonen) и Вилл Питилэ (Ville Pietila), научным сотрудником и его студентом из университета Аальто (Финляндия). Эти ученые предположили, что особая последовательность изменений внешних магнитных полей может привести к возникновению искусственного магнитного монополя.

В результате экспериментов ученые были вознаграждены чередой фотоснимков, служивших подтверждением присутствия монополей на концах воронок крошечных квантовых "водоворотов" из сверххолодного атомарного газа. Полученный результат является экспериментальным доказательством того, что предполагаемые магнитные структуры Дирака могут действительно существовать в природе.

Произведенное учеными открытие может привести к пониманию принципов и разработке принципиально новых материалов, таких, как высокотемпературные сверхпроводники, которые смогут передавать электричество без потерь при нормальной температуре окружающей среды. Кроме этого, открытие искусственных монополей и дальнейшие исследования их природы могут послужить толчком исследований, направленных на обнаружение естественных магнитных монополей, которые проводятся на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе.

 





Следите за новостями!




 

Источники:

http://www.seti-ceti.ru/synthetic-magnetic-monopoles

http://tainy.net/19156-peremennyj-magnitnyj-monopol-dvizhitel-nlo.html

http://elementy.ru/trefil/21161/Magnitnye_monopoli