O monopolu magnetycznym mówi się, że to Święty Graal fizyki.
Kolejny Święty Graal
fizyki teoretycznej? Tylko nie to! Długi czas był nim bozon Higgsa,
ale znaleźli go. Dobrze się chował, ale po kilkudziesięciu latach
dorwali biedaka. Następnym Graalem, czyli ulotnym, aczkolwiek bardzo
pożądanym odkryciem, jest kwantowa teoria grawitacji. Z nią już
nie poszło tak łatwo, dalej skrywa się gdzieś, pewnie w jakiejś
zakurzonej szufladzie szalonego fizyka z lat sześciesiątych, który
przypadkowo ją odkrył. Zobaczycie, tak z nią będzie ;) Ale
monopol? Czy nie dość już Największych Odkryć Fizyki? Niedługo
się okaże, że w fizyce teoretycznej istnieją same Święte
Graale.
Pomińmy aspekt kielicha z
Ostatniej Wieczerzy. Monopol magnetyczny jest sam w sobie ciekawą
koncepcją, słusznie uznawaną za jedną z najbardziej
interesujących w dziedzinie fizycznych odkryć. Na czym polega jego
ulotność i wyjątkowość, przekonacie się dzięki niniejszemu
artykułowi. I wybiegniecie z pokoju krzycząc:
- Mamo! chcę być fizykiem
teoretycznym i szukać monopoli!
- A 18 lat skończone? Coś
mi się nie podoba ta nazwa.
Wszyscy znacie monopole
elektryczne. Znacie! Skąd? Są to po prostu ładunki elektryczne,
dodatnie bądź ujemne. Mogą istnieć osobno, tu mamy plus, tam
minus i w rezultacie następuje przyciągnie; tudzież ładunki
jednoimienne - odpychają się. Na przykład - dodatnie protony i
ujemne elektrony - zbliżanie. Pole elektryczne ma kierunek od ładunku dodatniego
do ujemnego. W przypadku magnetyzmu, sprawa nie jest tak prosta.
Chociaż magnetyzm również posiada ukierunkowane pole (biegun
północny i południowy, ujemny i dodatni), nigdy nie zaobserwowano
pojedynczego ładunku magnetycznego - cząsteczki, jak ma to miejsce
w przypadku pola elektrycznego. Magnesy istnieją tylko jako dipole,
mają bieguny - północny i przeciwny, jeśli chodzi o ładunek -
południowy. Wielu już było spryciarzy, którzy myśleli, że
zdobędą Nobla na pniu, i piłowali te biedne ferrmagnetyczne
sztabki na pół. Zapewniam Was, że żaden z nich nie zdobył
jeszcze tej nagrody. Małym sprytnym oczkom zawsze ukazywał się
widok dwóch mniejszych, choć identycznych magnesów, również z
biegunami północnym i południowym.
2. Równania równiachy
Jamesa Clerka Maxwella, czyli magnetyzm, jaki znamy dziś.
Nie wiem, czy Maxwell był
równym gościem, ale ładnie mi przypasowało.
Tymczasem, monopole
magnetyczne... Od początku. Sama teoria elektromagnetyzmu powstała w latach 60 XIX wieku i opisuje
ujednolicenie sił magnetyzmu i elektryzmu, he, he; sił
magnetycznych i elektrycznych, w jedno oddziaływanie
elektromagnetyczne :) Korzysta się z nich do dziś w branżach
inżynierii, telekomunikacji, medycyzmie... medyczności, naturalnie.
Jedno z równań, równanie Gaussa, które opisuje magnetyzm,
stwierdza jednak, że nie ma monopoli magnetycznych.
Gdy ładunek elektryczny,
taki jak elektron, porusza się w danym kierunku, na przykład wzdłuż
przewodu elektrycznego, mówimy o prądzie elektrycznym. Ten ruch
wytwarza pole magnetyczne wokół rzeczonego przewodu.
Innym sposobem, w jaki
natura tworzy pole magnetyczne, łączy się z pojęciem z mechaniki
kwantowej - spinem. Wtedy ładunek elektryczny obraca się wokół
własnej osi - nie porusza się wzdłuż linii jak w przewodzie
elektrycznym, ale również wytwarzane jest pole magnetyczne. Ruchu
elektronu wokół osi sprawia, że wytwarzany jest moment pędu
cząstki i staje się on magnetycznym dipolem, z biegunami, tak jak
malutki magnes sztabkowy. I tu pan Maxwell pięknie zawija
rzeczywistość - nie musimy znać teorii magnetycznych monopoli, by
opisać zjawiska magnetyczne. Jego równania doskonale opisują
magnetyzm, używa się ich dziś w branżach... Grząski grunt ;)
Jednakże fakt, iż nasza
klasyczne teorie elektromagnetyzmu są spójne z obserwacjami nie
oznacza, że nie istnieją monopole magnetyczne. Po prostu jeszcze
ich nie zaobserwowaliśmy.
3. Argumenty na istnienie
monopoli magnetycznych, czyli - kopiemy głębiej.
Poczyniono już spory postęp
w poszukiwaniu ulotnego monopolu. W 1931 roku Paul Dirac stwierdził,
że jeśli by rozszerzyć równania Maxwella o monopole magnetyczne,
ładunek elektryczny może występować jedynie w skwantowanych
wielkościach (to znaczy, że istnieje pewna jednostka ładunku i
całościowe ładunki mogą być jedynie wielokrotnościami
jednostki). I jego teoria okazała się prawdziwa co do kwantyzacji
elekryczności, choć monopolu i tak nie odkryto.
Inna sprawa to symetria i
analogia. Wielu naukowców poszukuje symetrii w prawach fizyki, ba, w
całym otaczającym Wszechświecie. Gdyby istniał monopol
magnetyczny, dwie teorie - magnetyzmu i elektryczności, które
przecież i tak są zunifikowane przez Maxwella w teorię
elektromagnetyzmu, byłyby symetryczne. Bo dziś wiemy, że istnieje
monopol elektryczny, brakuje tylko magnetycznego. Zaistniałby
swoisty dualizm, zamienność teorii elektryzowania się włosów po
porannej przygodzie z suszarką w łazience oraz odpadaniu bądź nie
magnesików z lodówki ;) Jeśli te teorie byłyby analogiczne, wtedy
zapaliłoby się światełkow tunelu dla innych analogii, między
innymi teoriami. Być może ów fakt wskazałby możliwość
wystąpienia analogii między siłąmi jądrowymi (słabymi i
silnymi), a stąd już krok do wielkiej unifikacji sił przyrody.
Wielu naukowców snuje pomysły, że gdy Wszechświat był bardzo
mały, bardzo młody i bardzo gorący, istniała tylko jedna,
zunifikowana siła - zamiast czterech - grawitacji,
elektromagnetyzmu, jądrowych słabej i silnej.
Ale zejdźmy na ziemię. To,
że teoria wydaje się piękna, nie oznacza, że jest prawdziwa.
4. Nakopaliśmy się, czyli
co znaleźliśmy.
Stworzono monopolopodobne
struktury w bardzo złożonych konfiguracjach pola magnetycznego, w
tak egzotycznych stanach skupienia materii jak kondensacie
Bosego-Einsteina (piątym stanie skupienia materii, w którym
wszystkie cząstki zachowują się tak jakby były jedną cząstką -
mają one identyczny pęd; w tym stanie zachodzi też zjawisko
nadciekłości - całkowicie zanika lepkość materii). Jednak to nie
to samo, co zaobserwowanie ich w naturze. Istnieje nawet detektor
monopoli magnetycznych przy LHC w Genewie (MoEDAL - że też oni
zawsze muszą bawić się w słówka przy tych swoich urządzeniach),
jednak efekty są mierne, bo zerowe. Dlaczego? Być może wykrycie
monopoli wiązałoby się ze znacznie większą energią zderzeń w
akceleratorze - taką, jakiej nie jesteśmy jeszcze w stanie
wytworzyć.
5. Nic nie znaleźliśmy i
co pan nam zrobi...
Teoretycznie, największa
możliwa masa monopolu to gargantuiczna wielkość 10^14 TeV. LHC
wytwarza energię zderzeń proton-proton rzędu 13 TeV. Nie od dziś
wiadomo, że teoretycy fizycy to marzyciele, ale żeby aż tak?
Ciekawe, czy ktoś podał te liczby panom od funduszy.
Pewnie nie, skoro nadal
pozwalają szukać monopoli.
Tak masywny obiekt jak
monopol magnetyczny mógłby utworzyć się jedynie we wczesnych
stadiach rozwoju Wszechświata. Choćby przed kosmiczną inflacją
(poszły w górę ceny protonów, i to kosmicznie; żartuję, był to
okres bardzo szybkiej, wręcz wykładniczej ekspansji rozmiaru
Wszechświata). Jeśli kiedykolwiek tempreatura Kosmosu była
odpowiednio wysoka, monopole mogły się utworzyć. Kiedy Wszechświat
stygł, nie tworzyły się już nowe, tylko ich gęstość
zmniejszałą się poprzez anihilację par cząstek (dodatnie i
ujemne -> bum, jak w przypadku antymaterii). Jednakże w pewnym
momencie ich gęstość była tak mała, że nie dokonywała się już
anihilacja. Dawno, dawno temu, w odległej Galaktyce, istniały
magnetyczne monopole... :)
Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
