«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2008 № 01 (20) - Журнал «Наука и Техника» (НиТ)

годы XIX века Джеймс Клерк Максвелл построил первую теорию, объединяющую два взаимодействия, которые до тех пор рассматривались как две совершенно независимые силы. На основе этих уравнений были предсказаны электромагнитные волны. Уравнения Максвелла почти симметричны — замена в них электрического поля (Е или D) на магнитное поле (Н или В) почти не изменяет систему. Именно это придает им ту красоту и элегантность, которая вот уже полтораста лет восхищает физиков.

Мудрость, заключенная в уравнениях, вполне поддается переводу на общечеловеческий язык. Первые два гласят, что вихрь магнитного поля порождается электрическим током, а вихрь электрического — изменением магнитного поля. Третье — что источником электрического поля служит заряд, а четвертое — что у магнитного поля источника нет.

Теория Максвелла демонстрирует колоссальные возможности математики в описании мира, а также роль симметрии как путеводного научного принципа. Почему уравнения «почти» не полностью симметричны? Потому, что частицы с электрическими зарядами (положительными и отрицательными) существуют, тогда как магнитные заряды никогда не наблюдают по отдельности. У магнита всегда два полюса на двух его концах — положительный и отрицательный, и магнитное поле вокруг него есть результирующее поле обоих полюсов. Невозможно отделить от магнита один полюс: любой магнит, разделенный на две части, становится не двумя магнитными полюсами, а двумя новыми магнитами. Эта асимметрия уравнений Максвелла отражает результаты наблюдений.

В 1931 году английский физик Поль Дирак обратил внимание, что уравнения Максвелла обладали бы абсолютной симметрией, если предположить существование магнитного заряда, который создавал бы радиальное магнитное поле, аналогично тому, как электрический заряд создает электрическое поле. Дирак показал также, что существование хотя бы одного магнитного заряда во Вселенной автоматически ведет к требованию квантования электрического заряда — это естественным образом объяснило бы, почему все наблюдаемые электрические заряды кратны элементарному заряду, равному заряду электрона. Итак, Дирак постулировал существование частицы с магнитным зарядом, которая получила название «магнитный монополь», а ее поисками физики заняты уже 75 лет. Важно, что предсказание Дирака не опиралось на результаты наблюдений, а было продиктовано исключительно эстетическими соображениями. Природа, по убеждению Дирака, должна быть устроена красиво, а основа любой красоты — симметрия.

Из теории Дирака отнюдь не следует, что магнитные монополи непременно существуют. Она просто показывает, как красиво был бы устроен мир, будь в нем хоть один монополь. И вот в середине 70-х годов XX века идеи Дирака получили второе дыхание. Голландец Герард Хоофт и советский физик Александр Поляков независимо друг от друга показали, что магнитные монополи должны существовать в природе, они возникают как естественное решение в уравнениях теории объединения взаимодействий. Монополь Хоофта-Полякова должен быть очень массивным (около 1016 масс протона, то есть достигать массы амебы!) и обладать сложной внутренней структурой.

За 75 лет, прошедших с опубликования работы Дирака, были поставлены сотни сложнейших экспериментов по поиску монополей, однако ни один из них пока не привел к успеху. Монополи искали в экспериментах на ускорителях, в космических лучах, в лунном грунте, в океанических донных отложениях, в древних образцах слюды, но, увы, безуспешно. Тем не менее физики не теряют надежды обнаружить эту частицу.

Одна из сложностей современной теории элементарных частиц в том, что до сих пор не объяснено, откуда у частиц берется масса. В 1964 году Питер Хиггс предложил механизм, в котором масса материи формируется так называемыми бозонами Хиггса. Есть неплохое шуточное объяснение этого механизма, которое предложил Дэвид Миллер. Вот оно: «Представьте коктейльную вечеринку, на которой гости равномерно заполнили зал… Входит Маргарет Тэтчер. Все хотят приблизиться к ней. При дальнейшем своем движении она притягивает стоящих перед ней. Те, кто остался позади, снова равномерно заполняют зал. Группа вокруг нее имеет большую массу, чем обычно». Бозоны Хиггса до сих пор не обнаружены в экспериментах. Физики надеются, что это будет сделано в ближайшие годы на LHC— громадном ускорителе элементарных частиц в Женеве.

Вызывает восхищение изощренность природы, которая умудрилась из относительно небольшого количества элементарных сущностей (кварки, лептоны, переносчики взаимодействий и некоторые другие) построить все наблюдаемое многообразие Вселенной, включающее и мир небесных тел, и мир человеческих чувств и эмоций. Поиск законов, по которым происходило это строительство, — увлекательное творческое занятие, дающее физикам ни с чем не сравнимое ощущение красоты и гармонии окружающего нас мира.

Эволюция комет и астероидов

И.А. Герасимов, Б.Р. Мушаилов

МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В конце XVIII в. после открытия И. Тициусом (в 1766 г.) так называемого закона планетных расстояний появились определенные основания предполагать, что между орбитами Марса и Юпитера должно существовать еще одно необнаруженное небесное тело. Ведь согласно этому закону, среднее расстояние от Солнца до какой-либо планеты (в то время были известны лишь шесть планет) может быть представлено в виде rk = 0,4 + 0,3∙2k-2, где k — номер планеты при удалении ее от Солнца. (Для Меркурия результат получается точнее, если принять k —> оо ; в настоящее время указанную закономерность принято называть правилом Тициуса-Боде.) Но при этом, для согласования с определяемым из наблюдений расстоянием, приходилось считать Юпитер не пятой, а шестой по счету от Солнца планетой! Несмотря на то, что приведенная закономерность не следовала из каких-либо теоретических соображений, она довольно точно предсказала расстояние до Урана, открытого в 1781 г. Из формулы получалось для него расстояние 19,6 а.е., а из наблюдений следовало 19,18 а.е. (По современным данным, большая полуось орбиты Урана а «19,218 а.е.) Из соотношения Тициуса вытекало, что на среднем расстоянии от Солнца в 2,8 а.е., между орбитами Марса и Юпитера, должна существовать еще одна планета.

1 января 1801 г. Джузеппе Пиацци, проводя систематические наблюдения для составления каталога видимых положений звезд, обнаружил в созвездии Тельца неизвестную “звезду”, которая в следующую ночь изменила свое положение. Поначалу Пиацци считал, что наблюдает новую комету. Через шесть недель движущийся звездоподобный объект был потерян из виду.

Однако Карл Фридрих Гаусс по полученному ряду наблюдений установил, что орбита нового небесного тела похожа на орбиты планет и лежит она между орбитами Марса и Юпитера. По вычислениям Гаусса 31 декабря 1801 г. Фон Цах и независимо Генрих Вильгельм Ольберс обнаружили “потерянный” объект. Это было открытие первого астероида, Цереры (“открытие века”), имеющего диаметр около 1000 км. Большая полуось орбиты Цереры составила как раз 2,8 а.е. Но в 1802 г. на сходной орбите был обнаружен еще один астероид — Паллада. Тогда Г.В. Ольберс предположил, что малые планеты — это обломки некогда существовавшей большой планеты, которая по каким-то причинам разрушилась. Он предложил искать ее обломки на пересечении орбит Цереры и Паллады,