Wenn es der Menschheit gelingt, einen Weg zu finden, die Giganten der Mikrowelt - magnetische Monopole - zu reproduzieren oder einzufangen, wird sie Eigentümer der zerstörerischsten Waffe oder Energiequelle, die die thermonukleare Reaktion übertrifft.
Jeder von uns weiß von Kindesbeinen an, dass ein Magnet zwei Pole hat. Egal wie Sie es trinken, jedes der Stücke wird wieder ein Magnet mit zwei Polen sein, und es ist unmöglich, einen separaten Süd- und Nordpol zu bekommen. Es gibt einen Witz über einen Physiker, der ein Verfahren zur Herstellung eines Magneten mit einem Pol – einem Monopol – patentieren ließ und sagenhaft reich wurde, weil er ein Monopol hatte.
Der brillante englische Physiker Paul Dirac, der 1931 im Alter von 28 Jahren die Idee von der Existenz eines Teilchens mit magnetischer Ladung - einem Monopol - vorbrachte, wurde damit nicht reich. Fünfzig Jahre später, auf einer Konferenz, die dem Jahrestag seiner Hypothese gewidmet war, gab er zu: „Ich bin geneigt zu glauben, dass das Monopol immer noch nicht existiert,. experimentelle Bestätigung wurde nicht erh alten. Eine ganze Ära der Hoffnungen und Enttäuschungen konnte jedoch das Interesse an einer schönen Idee nicht untergraben, die viel in den Prozessen der Entstehung des Universums klären könnte. Wissenschaftler suchen noch nach einem Massenrekordh alter unter den Bewohnern der Mikrowelt und können ihn noch nicht finden. Der Monopol ähnelt einer "Zwiebel" mit vielen Kraft-" Schuppen" und kann in der Größe mit einer Amöbe und in Bezug auf die darin enth altene Energie mit einer Wasserstoffbombe verglichen werden.
Einhandklatschen
Paul Dirac glaubte wie viele große Wissenschaftler an die Schönheit des Universums, an die Symmetrie natürlicher Phänomene und daran, dass das Universum nie etwas bevorzugt.
Das Phänomen des Magnetismus war schon immer in einen mystischen Schleier gehüllt. Die alten Chinesen waren die ersten, die magnetische Eigenschaften vor mehreren tausend Jahren schriftlich erwähnten. In Europa ist der Begriff „Magnetismus“seit langem ein Synonym für okkulte Phänomene, und die mysteriösen Eigenschaften bestimmter Mineralien, Metall anzuziehen, wurden erst im 19. Jahrhundert klar. Dann stellte Michael Faraday eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus her und führte in die Theorie das Konzept eines Magnetfelds ein – einer Substanz, die magnetische Kräfte überträgt.
James Maxwell bestätigte schließlich die Einheit von Elektrizität und Magnetismus in seiner Theorie. Gleichzeitig stellte sich heraus, dass sich die elektrische Kraft in dieser Einheit recht anständig verhielt. Es hatte ladungstragende Teilchen, deren Größe und Masse gemessen werden konnten. Aber die Quelle des Magnetfelds – magnetische Ladungen – konnte nicht gefunden werden.
Bis jetzt gescheitert. Und diese Asymmetrie, das ungleiche Verh alten wesentlich einheitlicher Kräfte, ist Physikern unangenehm. Es ist fast so, als hätten wir Applaus gehört, aber nur eine Hand klatschen gesehen.
Bei Maxwells Gleichungen für Körper fällt sofort deren Symmetrie ins Auge. Beide Felder – sowohl magnetisch als auch elektrisch – sind gleich. Außerdem sind sie miteinander verbunden: Das elektrische Feld ändert sich - ein Magnetfeld entsteht, das Magnetfeld ändert sich - ein elektrisches Feld entsteht. In diesem Fall wird jedoch die Symmetrie in zwei von Maxwells vier Gleichungen gebrochen: Es gibt elektrische Ladungen, aber keine magnetischen; elektrische Feldlinien beginnen und enden auf Ladungen und magnetische Feldlinien sind geschlossene Kreise.
Paul Dirac war ein Mann, für den die Schönheit der Theorie eine entscheidende Rolle spielte, und der Glaube an diese Schönheit führte mehr als einmal zu erstaunlichen Entdeckungen. Diracs Hypothese über die Existenz eines Monopols hätte beinahe aufrührerisch geklungen, wenn er einige Jahre zuvor aufgrund von Überlegungen, dass überall Symmetrie herrschen sollte, nicht davon ausgegangen wäre, dass es ein positiv geladenes Elektron – ein Positron – gibt. Und 1932 wurde das Positron experimentell entdeckt.
Weniger Glück mit dem Monopol. Nach Diracs Berechnungen muss die magnetische Ladung des Monopols eine große Masse und folglich eine große ionisierende Kapazität haben. Aus diesem Grund müsste der Monopol, wenn er sich durch Materie bewegt, Elektronen mit großer Kraft aus den Umlaufbahnen von Atomen reißen. Die Spur solcher "abgestreifter" Atome wäre viel dicker als die gewöhnlicher Elementarteilchen.
Spuren wurden fleißig und überall gesucht: in kosmischer Strahlung, in Meteoriten, in Erd- und Mondboden, in Experimenten an Beschleunigern. Und fast alle Experimente, mit Ausnahme von einem oder zwei, die später besprochen werden, endeten mit einem völligen Misserfolg. Dennoch kann weder ein einzelnes negatives Ergebnis noch alle zusammen den Monopol „schließen“. Sie zeigen nur das Suchfeld an.
Wenn in einem Jahr auf einer Fläche von hundert Quadratmetern außerhalb der Atmosphäre selbst mit Hilfe besonders empfindlicher Instrumente keine Spuren von Teilchen mit sehr hoher Ionisierungsfähigkeit in der kosmischen Strahlung nachgewiesen werden konnten, muss man sich damit abfinden, dass ihr Fluss weniger als eins pro hundert Quadratmeter pro Jahr beträgt. Und wenn die Forschung 100 Quadratmeter groß ist. m von Glimmer und Obsidian, die seit etwa hundert Millionen Jahren im Erdinneren liegen, brachten ebenfalls keinen Erfolg, was bedeutet, dass der Fluss von Monopolen nicht mehr als einer in hundert Millionen Jahren (oder was ist das gleiche, nicht mehr als ein Monopol pro Quadratkilometer des Planeten pro Jahr).
Warum brauchen wir einen Monopol?
Was die Physik betrifft, würde die Entdeckung des Monopols zu Maxwells Gleichungen in der Materie die Symmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus zurückbringen. Gleichzeitig verbietet kein bekanntes Gesetz der Physik, dass der Monopol tatsächlich in der Natur existiert.
Außerdem sind Wissenschaftler begierig darauf, einen Monopol zu finden, weil seine Existenz etwas erklären würde, was im anderen Teil von Maxwells Gleichungen "vor sich geht" - die Quantisierung der elektrischen Ladung. Mit anderen Worten, es würde die Frage beantworten, warum die elektrische Ladung nicht kleiner als die Elektronenladung sein kann und immer ein Vielfaches der Elektronenladung ist.
Diese Korrespondenz wurde erstmals von dem englischen Physiker Robert Milliken erstellt, der 1923 den Nobelpreis für die Durchführung eines Experiments erhielt, das Einsteins Theorie bestätigte. Milliken stellte fest, dass die Ladung quantisiert ist, also nicht beliebige, sondern nur bestimmte Werte annehmen kann. Es gibt Ladungen 2e (wobei e die Elektronenladung ist), 137e, 123456e, aber niemals 1, 5e.
Nichts Außergewöhnliches daran. In der Quantenmechanik werden viele Größen quantisiert. Zum Beispiel Energie (ein Elektron darf nur bestimmte Bahnen um den Kern einnehmen). Aber warum die elektrische Ladung quantisiert ist, ist nicht klar.
Auf der Suche nach einer Antwort verwendete Dirac Gleichungen aus derselben Quantenmechanik. Mit ihrer Hilfe beschrieb er ein System, in dem ein Elektron um eine einzelne magnetische Ladung kreist. Die Lösung der Gleichung existierte nur unter einer Bedingung: Wenn die Elektronenladung bestimmte Werte annahm, war sie also quantisiert. Aber: Wenn es in der Natur eine magnetische Ladung gibt, dann ist klar, warum die elektrische Ladung quantisiert ist – diese Tatsache folgt aus der Gleichung. Das war damals die wichtigste Überlegung zugunsten einer Monopolstellung.
Superbombe und Wundertreibstoff
Eine weitere Hypothese für die Existenz magnetischer Monopole tauchte viel später in den Arbeiten des niederländischen Theoretikers Gerard t'Hooft, Nobelpreisträger, und des sowjetischen Physikers Alexander Polyakov auf. Sie spiegelt sich in der sogenannten Grand Unified Theory wider.
Dies ist ein Versuch, die einheitliche Natur sowohl der schwachen Wechselwirkung, die sich im Zerfall von Elementarteilchen manifestiert, als auch der starken Wechselwirkung zu beweisen, ein Beispiel dafür ist eine thermonukleare Reaktion innerhalb von Sternen und der Sonne oder eine Explosion von eine Wasserstoffbombe und - Elektromagnetismus. Die ersten beiden bereits im 20. Jahrhundert entdeckten Wechselwirkungen kamen zur Newtonschen Gravitation und zum Maxwellschen Elektromagnetismus hinzu, die Einstein vor 100 Jahren in einer einzigen Theorie zu vereinen versuchte. Nun wollen die aktuellen Physiker die ihnen bekannten natürlichen Wechselwirkungen auf einen "einzigen Nenner" bringen.
Eine der Konsequenzen der Theorie von t'Hooft und Polyakov ist die Annahme der obligatorischen Existenz magnetischer Monopole im System der Großen Vereinigung. Gleichzeitig sollte es laut Theorie, so wie ein Magnet zwei Pole hat, in der Natur zwei Arten von Monopolen geben - „Norden“und „Süden“. Und sie müssen sich in ihrer Struktur stark von Punktteilchen wie Quarks unterscheiden. Der Monopol gleicht eher einer Zwiebel, deren Schichten Machtzonen sind.
Physikalische Berechnungen zeigen, dass das Hauptmerkmal von Monopolen eine riesige (nach den Maßstäben der Mikrowelt) Masse ist: etwa zehn Milliardstel Gramm. Und nach den neuesten Daten zu Proton-Antiproton-Kollisionen am Tevatron des Labors. E. Fermi, kann die geschätzte Untergrenze der magnetischen Monopolmasse 10 hoch 16 Milliarden Elektronenvolt (GeV) betragen. Letzteres erklärt die Unmöglichkeit der Geburt von Monopolen der Großen Vereinigung auf Beschleunigern oder ihre Manifestation in vielen Prozessen im Universum: Es gibt einfach nicht genug Energie für ihre Geburt.
So sehen die Monopole der Großen Vereinigung aus wie gigantische Energiespeicher, die milliardenfach größer sind als die, die bei der Sp altung eines Urankerns in einem Kernreaktor freigesetzt werden. Aber damit die innere Energie des Monopols freigesetzt werden kann, muss die Vernichtung des Monopols und des Antimonopols, also des Nord- und Südpols, erfolgen.
Wenn es möglich wäre, diese und andere Monopole zu produzieren oder zu extrahieren und sie in einigen elektromagnetischen "Gefäßen" zu speichern, dann könnte man durch Mischen mehrerer Nordpole mit einer gleichen Anzahl von Südpolen unglaubliche Energie erh alten, um beide zu nutzen friedliche und militärische Zwecke.
Einige Geophysiker geben zu, dass Monopole, die die Erde erreichen, in ihrer Kruste langsamer werden, und wenn sie in den Kern unseres Planeten gelangen, sammeln sie sich dort an: "nördlich" - am Südpol und "südlich" - bei der Norden. Wenn sich das Erdmagnetfeld ändert, können die Monopole wandern und sogar kollidieren. Basierend auf diesen Annahmen glauben einige Hitzköpfe sogar, dass ihre Vernichtung die innere Hitze der Erde liefert. Aber im Moment ist es reine Science-Fiction.
In der Zwischenzeit setzen Wissenschaftler ihre Experimente fort und versuchen, zumindest indirekte Anzeichen für die Existenz eines Monopols zu finden.
Fingerabdrücke
Im Winter 1982 registrierte Blaise Cabrera von der Stanford University ein Signal, das der Spur eines Monopols sehr ähnlich war. Auf dem Detektor, bei dem sich der Strom ungebremst entlang des Supraleiterrings bewegte (und das durch seine Bewegung erzeugte Magnetfeld ebenfalls unverändert blieb), wurde ein Stromsprung festgestellt, ähnlich wie ein Magnet, der durch den Ring geführt wird. Die Sprunghöhe entsprach dem vorberechneten Wert für den Monopol.
Fast ein halbes Jahr lang bewachte Cabrera mit Hilfe von Elektronik den Monopol. Sie registrierte ein Signal, das nur dieses Teilchen oder eine unvorstellbar falsche Ausrüstung erzeugen konnte.
Natürlich ist es unmöglich, den Fluss von Monopolen aus einer Messung zu berechnen. Aber aus Erfahrung stellte sich heraus, dass die Wahrscheinlichkeit ein Monopol in einem halben Jahr durch eine Fläche von etwa 100 cm² war. Mit anderen Worten, wenn wir davon ausgehen, dass sich die Monopole in der kosmischen Strahlung zeitlich ziemlich gleichmäßig treffen, dann müssten in einer Million Jahren etwa zwei Millionen Monopole durch dieses Gebiet fliegen. Und dieses Ergebnis war millionenfach höher als die Grenzwerte, die bei der Untersuchung von Glimmer und Obsidian erzielt wurden. Der Versuch wurde in mehreren Labors wiederholt, jedoch ohne Erfolg
Yoshinori Tokura vom japanischen National Institute of Advanced Technology and Applied Science beschloss, anders nach Spuren magnetischer Monopole zu suchen. Berechnungen zufolge könnte das Verh alten magnetischer Monopole den sogenannten anomalen Hall-Effekt beeinflussen.
Die Essenz des Effekts, der 1879 von Edwin Hall entdeckt wurde, besteht darin, dass, wenn ein Strom entlang einer Metallplatte geleitet wird, die sich in einem Magnetfeld befindet, darin ein elektrisches Feld erscheint, das senkrecht zu beiden Richtungen verläuft Magnetfeld und Stromrichtung. Dies wird durch das Verh alten von Elektronen erklärt, die sich unter dem Einfluss eines Magnetfelds zu einer der Seiten der Platte bewegen.
Da die Beweglichkeit der Elektronen von der Leitfähigkeit der Platte, also vom Material, aus dem sie besteht, und von ihrer Temperatur abhängt, ändert sich auch das elektromagnetische Feld.
In den 40er Jahren des letzten Jahrhunderts untersuchte der russische Akademiker Isaac Kikoin den Hall-Effekt in Magneten und zeigte, dass es in Ferromagneten neben dem üblichen Hall-Effekt, der mit einem Magnetfeld verbunden ist, einen anomalen Effekt gibt, der bestimmt wird durch die Magnetisierung der Probe. Wismut, Arsen und Antimon haben einen stark anomalen Hall-Effekt.
Diese Technik wurde von Yoshinori Tokura verwendet. Er platzierte einen hochwertigen Kristall aus Strontium, Ruthenium und Sauerstoff in einem Magnetfeld, ließ einen Strom durch den Kristall fließen und veränderte während des Experiments die Temperatur des Mediums. Es stellte sich heraus, dass sich der spezifische Widerstand des Kristalls mit steigender Temperatur nicht wie erwartet linear ändert, sondern springt. Die Teilnehmer des Experiments glauben, dass dieser und andere anomale Effekte, die in den Experimenten gefunden wurden, "Fingerabdrücke" echter magnetischer Monopole sind. Sie planen, jetzt Materialien zu untersuchen, die noch größere anomale Effekte zeigen würden.
Was kommt als nächstes?
Die Idee einer magnetischen Ladung ist sicherlich schön, wurde aber noch nicht durch eindeutige Experimente bestätigt. Vielleicht haben Wissenschaftler nicht genug Kraft und Mittel, um sie auszuführen. Dirac selbst schrieb in einem Artikel, in dem er erstmals die Idee eines Monopols formulierte, dass isolierte Magnetpole nicht beobachtet werden dürfen, da „die Anziehungskraft zwischen zwei Einzelpolen mit entgegengesetztem Vorzeichen etwa viertausendsiebenhundertmal größer ist als zwischen einem Elektron und einem Proton", und gerade deshalb "sind Pole mit entgegengesetztem Vorzeichen noch nie getrennt worden".
Man sollte jedoch nie vergessen, dass gerade in Wissensgebieten, in denen nicht alle Enden zusammenpassen, neue Entdeckungen gemacht werden. In jedem Fall bleibt der Monopol ein schönes Denkmal für Paul Dirac, seinen Glauben an die Mathematik und ihre Vorhersagekraft
