Сложный путь к магнитному монополю Дирака
В августе 2022 года я публиковал статью «Как и зачем создавать вселенную в лаборатории», в которой рассказал о сути исследований Андрея Дмитриевича Линде и об их связи с многомировой эвереттовской интерпретацией квантовой механики. Там я затрагивал и тему магнитных монополей. Магнитный монополь — это гипотетическая (предположительно, элементарная) частица, представляющая собой однополюсный магнит — в отличие от всем известного магнита с двумя полюсами. Существование монополя было предсказано в 1931 году Полем Дираком — тогда же Дирак предсказал существование позитрона (антиэлектрона). Позитрон — это первая известная античастица, уже в 1932 году он был обнаружен в космических лучах и принёс Дираку Нобелевскую премию по физике. Но полноценный элементарный монополь пока остаётся чисто теоретическим конструктом.
Существование монополей прогнозируется в рамках некоторых теорий великого объединения (GUT), но в природе они пока не обнаружены и в ускорителях не получены. Ниже будет рассмотрены гипотезы о том, почему монополи до сих пор не найдены, какие косвенные проявления или аналоги монополей всё-таки существуют, и что всё это может значить.
Магнетизм и монополи. Предыстория
Магнетизм как физическое явление был известен ещё в античной Греции и древнем Китае. Причём, первоначально магнитные свойства считались магическими. Только примерно в VII веке китайцы заметили, что намагниченная стрелка указывает в сторону Полярной звезды и приблизились к изобретению компаса (навигационный компас появился в Китае примерно в IX веке, до этого компас оставался практически игрушкой и использовался для гадания).
Понятие магнитного полюса также было сформулировано еще в средние века. В 1269 году французский учёный и инженер Пьер Пелерен де Марикур (в латиноязычных источниках — Petrus Peregrinus) составил письмо, в котором описал свои эксперименты с магнитами и выводы, к которым пришёл. Он впервые показал, что у магнита есть два противоположных полюса (и в этом письме впервые употребил слово «polus») и отметил, что, если разрезать магнит надвое, у обеих половинок вновь окажется по два полюса. Правда, он не догадался, что суть явления заключается во взаимодействии иглы с магнитным полем Земли и счёл, что игла ориентируется на северный или южный полюс неба.
Земной магнетизм впервые описал в 1600 году английский учёный Уильям Гильберт, опубликовавший трактат «О магните». В этой книге он попытался сформулировать первую самосогласованную теорию магнетизма, подкреплённую систематическими экспериментами. В частности, именно он первым понял, что магнетизм обусловлен воздействием Земли и создал «террелу» — металлический шарик с двумя магнитными полюсами, на который компас реагировал в точности как на миниатюрную модель Земли.
Еще к началу XIX века природа магнетизма оставалась загадочной, но тогда уже был известен и немного изучен электрический заряд. Было известно, что электрический заряд бывает двух типов — «положительный» и «отрицательный», причем, противоположные заряды притягиваются, а одинаковые отталкиваются, и именно такое притяжение между двумя полюсами порождает электрический ток. Постоянный магнит обладает схожими свойствами: у него есть положительный и отрицательный полюс, причём, магниты притягиваются противоположными полюсами и отталкиваются одинаковыми. Было экспериментально доказано, что магнит всегда остаётся дипольным, на какие бы мелкие фрагменты мы его ни резали.
Тем временем, в течение XIX века были сделаны фундаментальные открытия, приблизившие нас к пониманию электромагнитной природы Вселенной. Было открыто явление индуктивности и показано, что вдоль движения электрического заряда образуется магнитное поле, а при изменении магнитных полюсов генерируется электрический ток. Также было открыто электромагнитное излучение и продемонстрировано, что ускоряющиеся электрические заряды приводят к излучению света с разной длиной волны (следовательно, разных цветов). Обобщением этих знаний занялся Джеймс Клерк Максвелл, сформулировавший в 1860-е годы свои знаменитые уравнения, описывающие электромагнитные явления в произвольной среде. Именно Максвелл открыл фундаментальную асимметрию между электрическими и магнитными полями и зарядами: в классическом виде уравнения Максвелла описывают только электрические заряды и токи. Магнитного заряда или магнитного тока (магнетричества) Максвелл и его современники не наблюдали. Причём, электрический ток может порождать магнитные явления, а магнит порождать электрические явления не может. Эта истина держалась до 2009 года, когда магнетричество было получено в лабораторных условиях — к данному феномену я ещё вернусь ниже.
В рамках своей теории Максвелл полагал, что магнитных зарядов не существует, однако теория не объясняла, почему именно их не существует. Более того, уравнения Максвелла легко переписать с магнитными зарядами вместо электрических. Магнитный заряд иногда использовался в качестве иллюстративного математического инструмента, и только в 1894 году (ещё до зарождения квантовой механики) Пьер Кюри предположил, что магнитный заряд может существовать в реальности. В начале XX века предполагалось, что квантовая механика несовместима с существованием магнитного заряда, но в 1931 году Поль Дирак показал, что, если бы где-то во Вселенной существовал хотя бы один магнитный заряд, то и электрические заряды должны были бы повсюду квантоваться.
В 1974 году к теме магнитных монополей обращались Герард т«Хоофт и Александр Поляков, разрабатывавшие теории Великого Объединения. Им удалось показать, что при очень высоких уровнях энергий, когда электромагнитные взаимодействия, а также сильные и слабые атомные взаимодействия описываются в рамках общих уравнений, допускается и существование стабильных магнитных монополей. Магнитные монополи в таком случае должны хорошо взаимодействовать в магнитном поле, и их свойства можно было бы проверить экспериментально. Следовательно, по мнению т«Хоофта и Полякова, мы живем в мире настолько низкоэнергетическом, что монополям здесь просто не удаётся образоваться. Но давайте подробнее остановимся на теории Дирака.
На первый взгляд идеи Дирака кажутся парадоксальными, но, в сущности, они вполне логичны. Его теория электромагнетизма включает как электрические, так и магнитные заряды. В нашей Вселенной магнитные заряды не существуют, так как приводили бы к возникновению сингулярности. Однако, если произведение магнитных и электрических зарядов является целым числом, умноженным на постоянную Планка, то такие сингулярности возникают, но остаются ненаблюдаемыми. Такое решение Дирака устраняет необъяснимую асимметрию между двумя типами зарядов в уравнениях Максвелла. Более того, с учётом других фундаментальных сил, а именно, сильных и слабых взаимодействий, данная теория предполагает, что магнитные монополи образовывались вскоре после Большого Взрыва, когда Вселенная была несравнимо горячее, чем сегодня.
Соответственно, при значительных оговорках наша Вселенная допускает существование магнитных монополей. Эти оговорки можно резюмировать так:
Существует некий верхний предел температуры, которая могла держаться на ранних стадиях Большого Взрыва,
Этот предел определяется по ограничениям, выводимым из наблюдения гравитационных волн, а гравитационные волны должны были активно образовываться на этапе космической инфляции,
Причём, если в нашей Вселенной и возможно великое объединение всех взаимодействий, оно может произойти только при энергиях, превышающих вышеупомянутый предел.
Таким образом, если магнитные монополи существуют, то масса покоя у них должна быть очень велика: порядка 1015 ГэВ или выше.
Попытки получения синтетических монополей
За неимением настоящих монополей можно было бы попытаться получить их синтетические аналоги и посмотреть, как они поведут себя в магнитном поле. Такими аналогами могли бы быть квазичастицы — совокупности частиц, не являющиеся магнитно-нейтральными.
Первые удачные опыты по получению подобных квазичастиц относятся к 2009 году. Тогда сразу несколько групп сообщили, что обнаружили монополеподобные частицы при сверхнизких температурах в особых кристаллических веществах, которые называются «спиновый лёд». Формулы двух наиболее известных видов спинового льда — Dy2Ti2O7 (титанат диспрозия) и Ho2Ti2O7 (титанат гольмия). Кристаллическая решётка титаната гольмия выглядит так:
В таком тетраэдре спины двух электронов направлены внутрь, а спин одного — наружу. Когда титанат диспрозия/гольмия крайне низкоэнергетическом состоянии (например, будучи погружён в сверхтекучий жидкий гелий), в кристаллической решётке может возникать спиновый дефект приводящий к образованию тетраэдров с ровно противоположной конфигурацией: два спина направлены наружу, один — вовнутрь. Находясь в магнитном поле, такие квазичастицы начинают проявлять свойства магнитных зарядов, и между ними возникает явление, которое можно назвать магнитным током (магнетричеством). Но при исчезновении магнитного поля или при минимальном повышении температуры (выше 0,05 К) магнитные монополи в веществе также исчезают. Подробнее о магнитных монополях в спиновом льду рекомендую почитать в статье Игоря Иванова на сайте «Элементы».
Другой способ создания псевдо-монополей был успешно опробован в Австрийском институте науки и технологий (ISTA) в 2017 году. Группа под руководством Михаила Лемешко исследовала свойства вращающихся молекул в жидком сверхтекучем гелии; такие квазичастицы они назвали «ангулонами». Подобные эксперименты ставились примерно с начала XXI века, но получающиеся квазичастицы никто просто не проверял на сходство с монополями. Однако группа Лемешко смогла математически продемонстрировать, что «с точки зрения» молекул, расположенных вне сферы из жидкого гелия, ангулон ведёт себя именно как магнитный монополь (носитель магнитного заряда). Особое внимание этому открытию уделил Джеймс Пинфолд, специалист по работе с детектором монополей и экзотических частиц из лаборатории при БАК. Он указал, что команда Лемешко получила монополь, преследуя иные цели –, а значит, при подходящих физических условиях такие квазимонополи вполне могут встречаться в природе и поддаваться изучению. Пусть такой монополь и можно синтезировать при низких энергиях, он не даёт ответа, почему не существует элементарных монополей, которые несли бы кванты магнитного поля.
Ещё одна попытка создать синтетический монополь увенчалась в 2014 году в Колледже Амхерста — авторами этой работы выступили профессор Дэвид С. Холл и его научный сотрудник Микко Мёттонен из финского Университета Аалто. Вот статья об этом исследовании, опубликованная в журнале «Nature».
Холл, Мёттонен и их соавторы стремились получить именно классический «монополь Дирака» и для этого сначала получили конденсат Бозе-Эйнштейна — экзотическое агрегатное состояние вещества, возникающее в разреженной атомной среде при температуре в миллиардные доли кельвина. Затем, основываясь на теоретических разработках Мёттонена и его аспиранта Вилле Пиетилы, предложили особую последовательность переключения магнитных полей вокруг этого конденсата. В результате им удалось получить в ультрахолодном конденсате крошечные квантовые водоворотики, кончики которых проявляли именно те свойства, которые должны быть у элементарных (дираковских) монополей.
Исследователи отметили, что стремились продемонстрировать реальность магнитных монополей — и им это удалось –, а также проверить возможность их практического применения, например, в производстве сверхпроводников.
Действительно, логично проследить связь между сверхпроводимостью и квазичастицами, проявляющими свойства монополей — так как и для сверхпроводимости, и для возникновения монополей при нормальных энергиях нужны сверхнизкие температуры. Однако существует и ещё одно направление исследований, позволяющее предположить, что магнитные монополи — это ключ не к сверхпроводникам, а к прямо противоположной (гипотетической) сущности: сверхизоляторам.
Сверхизоляторы
В 1996 году Мария Кристина Диамантини и Карло Тругенбергер из ЦЕРН изучали решётки регулярной формы с джозефсоновскими контактами — и обнаружили, что в определённых условиях такая решётка может мгновенно терять присущие ей сверхпроводящие свойства, превращаясь в сверхизолятор. Оказалось, что при минимальных температурах такой материал перестаёт пропускать через себя куперовские пары, превращаясь в «антипод» сверхпроводника. Данное явление можно было бы объяснить зеркально противоположными свойствами электрического и магнитного заряда, но, поскольку считается, что магнитного заряда не существует, данный феномен почти не привлёк внимания других исследователей.
В 2008 году Валерий Маркович Винокур из Аргоннской национальной лаборатории и Татьяна Ивановна Батурина из Института физики полупроводников Новосибирского отделения РАН повторно открыли это явление, анализируя совершенно иную физическую систему — ультратонкие сверхпроводниковые плёнки. Оказалось, что при понижении температуры плёнок до милликельвинов эти плёнки перестают пропускать через себя куперовские пары и превращаются в сверхизоляторы. Это агрегатное состояние вещества сближается по свойствам с конденсатом Бозе-Эйнштейна, но, по-видимому, содержит квантованные магнитные заряды, организованные в виде примерно таких же «воронок», какие были получены в эксперименте Холла и Мёттонена.
Возможно, дальнейшее изучение сверхизоляторных плёнок могло бы идти по тому же сценарию, что и развитие сверхпроводников: подбор соединений, сверхизоляторные свойства в которых могли бы возникать при всё более высоких температурах, например, в десятки кельвинов. Практическим результатом таких исследований могло бы стать создание вечных аккумуляторов. Однако, эти разработки также могут стать ключом к синтезу магнитных монополей и совершенно нового класса материалов, которые позволили бы подступиться к покорению левитации и даже антигравитации. Тем не менее, последствия спонтанного квантования магнитного заряда пока остаются на уровне гипотез и требуют тщательного теоретического моделирования и проверки.
