piątek, 17 lutego 2017

#7 Monopol Magnetyczny, czyli 'Dawno, dawno temu, w odległej Galaktyce...'




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.

1. Ładunek.

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! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz