Владимир Карцев - Приключения великих уравнений
Новые открытия, новые трудности
Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу «передвижения на одноколесном велосипеде по канату» — задачу удержания плазмы в «магнитной бутылке», — все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.
Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не «легкие облачка», омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте явно собираются свинцовые тяжелые тучи.
Собирающаяся гроза обязана своим происхождением самой, казалось бы, невинной причине — поискам красоты, полного совершенства. Недаром один великий физик не уставал говорить, что всякая физическая теория должна быть математически элегантна.
Сегодня элегантнейшая теория Максвелла уже кажется некоторым исследователям элегантной в недостаточной степени.
И дело здесь прежде всего в том, что уравнения Максвелла, как говорят математики и физики, несимметричны.
Действительно, посмотрим еще раз на уравнения Максвелла, вернее, на два из них:
Смысл каждого из них таков: если мы возьмем ограниченную область пространства, то число электрических силовых линий (определяющее электрическое поле, D->), вышедших из этой области, зависит от электрического заряда ρ, располагающегося внутри нее. Чем больше заряд, тем больше D->.
Если повести рассуждение в отношении магнитных силовых линий, то окажется, как следует из второго уравнения, что общее количество магнитных силовых линий, выходящих из произвольной области пространства, всегда равно нулю! Другими словами, сколько магнитных силовых линий в данный объем вошло, столько оттуда и вышло.
Запишем следствия вышеприведенных уравнений следующим образом.
Электрические силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.
Магнитные силовые линии нигде не начинаются и не кончаются.
Такая несимметрия, несправедливость, если хотите, может легко поранить чью-нибудь чувствительную душу.
Кроме того, если вникнуть глубже в смысл уравнений Максвелла, получится, что электричество вполне может обойтись без магнетизма, а магнетизм без электричества — нет!
Фактически уравнения Максвелла полностью сводят магнетизм к электричеству. После того как Ампер продемонстрировал две спирали с током, «притягивающиеся как магниты», магнетизм как таковой, казалось, перестал существовать.
Две великие силы природы оказались одной — электричеством. Вся тысячелетняя история этих двух явлений, казалось, восставала против такой несправедливости.
Именно отсутствие магнетизма как самостоятельного явления и утверждается уравнениями Максвелла. Магнетизма нет, есть одно электричество.
Электричество имеет источник — электрический заряд. Магнетизм имеет источником лишь электричество.
Это смущает.
Это наводит на крамольные мысли.
К тому же — явная математическая несимметрия уравнений, которые, как говорил Герц, живут самостоятельной жизнью и иногда кажутся даже умнее человека, создавшего их.
Но классическая теория электромагнетизма не содержит ничего, что оправдывало бы, по существу, такое «неравенство» электричества и магнетизма.
В 1931 году кембриджский профессор Поль Адриен Морис Дирак, знаменитый физик-теорегик, много сил отдавший созданию квантовой электродинамики, увлекся такой задачей: не содержит ли квантовая теория нечто оправдывающее преимущество электричества перед магнетизмом?
Такого преимущества не оказалось. Как классическая, так и квантовая электродинамика «не возражала» против введения в уравнения, для того чтобы сделать их полностью симметричными, «магнитных зарядов», еще не известных науке.
Такие магнитные заряды, или, как их назвал Дирак, «монополи», должны были быть полным магнитным эквивалентом зарядов электрических.
Они могли быть отделены друг от друга, другими словами, могли бы порознь существовать «северные» и «южные» магнитные заряды. Эта «безумная» идея странным образом воскрешала воззрения XIII века, опровергнутые Гильбертом, доказавшим, что нельзя получить в магните отдельно Северный и Южный полюсы.
Как магнитные явления возникают при движении электрических зарядов, так и электрические явления могли бы стать следствием движения зарядов магнитных.
Как и электроны, монополи могли бы испускать и поглощать электромагнитное излучение, например свет.
И наоборот, если очень энергичные фотоны могут создавать пару — отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон (кстати говоря, тоже предсказанный Дираком и вскоре обнаруженный), они же могут рождать и пару — северный и южный монополи.
Как мы упомянули, идея магнитных монополей была высказана Дираком вместе с идеей о существовании «положительного электрона» — позитрона. И то и другое предположения были одинаково дики для физиков. Взять хотя бы идею о положительном электроне. Ясно, что когда-нибудь положительный электрон встретится с «настоящим», отрицательным электроном, в результате чего произойдет аннигиляция — превращение в электромагнитную энергию двух элементарных частиц. В конце концов такие процессы, казалось бы, должны были привести к уничтожению и мира, и физиков, изобретающих подобные теории.
Однако и одно и другое продолжают благополучно существовать. Стало быть, позитронов не бывает?
Такая или примерно такая точка зрения существовала до того момента, пока американский физик К. Д. Андерсон в 1932 году заметил в камере Вильсона след частицы, по всем данным идентичной электрону, однако отклоняющейся в магнитном поле в «неправильную» сторону.
Это был предсказанный Дираком позитрон.
Многие физики были раздосадованы — не один видел уже такой след у себя, в камере Вильсона, но не смог по той или иной причине отождествить частицу, оставившую его, с позитроном. В их числе, к сожалению, оказался и известный советский физик Д. В. Скобельцын, первым применивший к исследованию космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Именно метод Скобельцына использовал Андерсон, когда открыл позитрон.
После такого триумфа предсказаний Дирака доверие к его монополям резко возросло. Исследователи ринулись на поиски новых частиц. Раз монополи не противоречат ни классической, ни квантовой электродинамике, раз уж они предсказаны, раз они могут существовать, значит, они существовать должны.
Но где? И как?
И вообще что известно о монополе?
Что искать?
Как ни странно, Дирак из самых общих соображении смог предсказать и основные свойства монополя. Прежде всего оказалось, что заряд монополя не может принимать любое значение — он должен быть квантованным, точно так же, как и электрический заряд.
Величина этого заряда оказалась опять-таки связанной с «магическим числом» 137 (в квантовой физике есть два «магических числа» — 137 и 208; их происхождения и физического смысла никто не знает, но числа с поразительным упорством снова и снова всплывают в уравнениях и расчетах). Если заряд электрона равен 1/1370.5, то заряд монополя должен быть равен 1370.5/2.
Отсюда можно вычислить и силу взаимодействия между двумя магнитными зарядами — 137/2 * 137/2 = 4692 раза больше, чем сила взаимодействия электронов.
Можно вычислить и массу монополя — он довольно тяжел, по крайней мере в 3 раза тяжелее протона, причем число «сортов» монополей может быть очень велико — точно так же, как и число электрически заряженных частиц. Другими словами, мир магнитных частиц должен быть не менее разнообразен, чем мир электрически заряженных частиц.
Как могут создаваться монополи? Логично предположить, что они образуются примерно так же, как пара электрон — позитрон, например, в результате сильных столкновений между другими частицами.[17] Таким образом, монополи могут быть найдены в продуктах взаимодействия разгоняемых в ускорителях частиц. Как их выделить? Очевидно, рядом с камерой, регистрирующей взаимодействия, нужно поставить очень мощный магнит, который смог бы «вытянуть» монополи из области взаимодействия.
С пуском в СССР, США и Швейцарии крупнейших ускорителей надежды найти монополи в продуктах реакций ускоренных частиц резко возросли. Создаются и очень мощные магниты.
Что же, будем ждать вестей об открытии (или «закрытии») монополей.
А пока их ищут в космосе научные космические спутники-лаборатории. Дело в том, что среди космических частиц встречаются частицы со столь грандиозной энергией, что получить ее на Земле в ускорителях физики не предполагают даже в самых голубых своих планах.
