СЕМЬ ИСКУССТВ

Положительный результат этого творческого труда имел бы «огромные последствия для современной физики», причем, не только для физики элементарных частиц, но и для некоторых теорий Великого Объединения, которые либо предсказывают, либо «требуют» — чтобы стать завершенной научной Теорией — присутствия этой отсутствующей (пока?) элементарной частицы, на которой давно и прочно впечатано клеймо гипотетичности.

Лев Резник

В ПОИСКАХ «ПОТЕРЯННОГО» МАГНИТНОГО МОНОПОЛЯ ПЕРЕГРИНА-МАКСВЕЛЛА-КЮРИ-ДИРАКА

Чего нет — того не потерять.

IV. Последняя, заключительная статья научно-популярного эссе на тему:

Может ли существовать «одинокий» магнитный монополь

…там, где сливаяся, шумят,
обнявшись, будто две сестры,
струи Арагвы и Куры…
М. Ю. Лермонтов. Мцыри.

В анналах «магнитно-монопольной» хронологии первую строку определенно должен занимать малоизвестный, ныне совсем забытый талантливый французский ученый и инженер Пьер Перегрин. Он первый обнаружил двухполюсность магнита, и в 1269 году (!) в трактате Послание о магните сообщил, в частности, о невозможности разделения магнита на два «противоположных» однополюсника.

Если хоть один магнитный монополь
обнаружится, это будет иметь огромные
последствия для современной физики.
Игорь Иванов, физик-теоретик.
Объединенный институт ядерных исследований (РФ, г. Дубна).

Вплоть до настоящего времени изолированный магнитный монополь (ММ) не обнаружен в Природе, не получен в самых современных ускорителях и не синтезирован в физико-химических лабораториях, оборудованных «по последнему слову науки и техники».

At the Beginning was Symmetry

Georges Loshak,
Fondation Louis de Broglie
(Paris, France).

Техническая вставка

Уселся он — с похвальной целью
Себе присвоить ум чужой.
А.С. Пушкин. Евгений Онегин.

Dura lex, sed lex (lat., закон суров, но это закон)

Статья представляет собой откровенный «плагиат» из множества публикаций ([1–12]), иногда действительно с присвоением чужого ума, заимствованного из работ [7, 11, 12] и некоторых других. Цитатно переписанные выбранные места из «чужих» текстов обычно закавычены и, как правило, снабжены ссылкой; что же касается цитат из «своих» текстов — нередко измененных и дополненных — автор пошел на нарушение строжайшего Закона («не укради!»), только будучи уверенным, что плагиат у самого себя не подлежит ни административной, ни уголовной ответственности.

Из соображений симметрии

Целью написания небольшой серии магнитно-монопольных статей [8–10], выросших из симметрийных работ [1–4], была попытка разобраться в том, как случилось, что из-за то ли затерявшейся, то ли просто неуловимой, а возможно, никогда не существовавшей элементарной магнитной частицы некая небольшая часть ученого человечества оказалась обреченной на более чем столетний «сизифов труд». Положительный результат этого творческого труда имел бы «огромные последствия для современной физики», причем, не только для физики элементарных частиц, но и для некоторых теорий Великого Объединения, которые либо предсказывают, либо «требуют» — чтобы стать завершенной научной Теорией — присутствия этой отсутствующей (пока?) элементарной частицы, на которой давно и прочно впечатано клеймо гипотетичности.

Эта симметрийно-монопольная история начиналась в школьные годы автора, о чем он, разумеется, не мог тогда даже подозревать. Весной 1954 года девятиклассник, приглашенный учительницей математики на кружок десятиклассников, при первом же посещении кружка услышал фразу, ставшую для него сакраментальной на многие годы. Будущий университетский профессор математики, отвечая на вопрос, в какой точке первый раз пересекутся графики синуса и косинуса, уверенно заявил: из соображений симметрии это должно произойти ровно посередине первого углового квадранта — при угле в 45 градусов, где синус равен косинусу, и оба равны корню квадратному из двух пополам. Эти простые соображения, избавляющие от необходимости составлять, а потом решать уравнения или даже их системы, так впечатлили тогдашнего девятиклассника, что через полстолетия его первые научно-популярные книги [1и 2] так и были озаглавлены:

ИЗ СООБРАЖЕНИЙ СИММЕТРИИ

On the Symmetry Considerations

С течением времени стало понятно, что симметрия — помимо привнесения новых возможностей в развитие науки и техники — не только эстетика и гармония, красота и совершенство, уравновешенность и соразмерность; это также практическая польза и целесообразность, оптимальная форма и наивысшая «содержательность» симметричной формы, а посему еще и экономия сил, средств, времени. А соображения симметрии, как оказалось, — простой, практичный и математически логичный «инструмент», настоящая палочка-выручалочка в виде «волшебного ключика» (как Сезам, открой дверь!), помогающая быстро решать (иногда — даже в уме) физико-математические задачи с симметричными или симметризуемыми условиями. Причем решать «в одно касание» — одной-единственной короткой фразой: из соображений симметрии.

С одной из задач, легко «открывающихся» этим волшебным ключиком, можно познакомиться в Приложении 1; история о научном открытии, «открытым» Большим Ключом — математической теорией симметрии — рассказана в Приложении 2.

В НАЧАЛЕ БЫЛО СЛОВО, И СЛОВО БЫЛО… СИММЕТРИЯ ([3])

Ничто так не ласкает взора, как симметрия.
А.П. Чехов. Дачные правила.

В 1890-х годах, изучая симметрийные особенности кристаллов, французский ученый Пьер Кюри (Pierre Curie, 1859–1906) пришел к выводу об основополагающей роли симметрии физических объектов в их свойствах. Заметим «в скобках», что в 1918 году германский математик Эмма Нётер (Amalie Emmy Noether, 1882–1935) практически подтвердила эту важную роль симметрии, сформулировав и доказав фундаментальную физико-математическую теорему: основные законы Природы — законы сохранения физических величин — связаны с симметриями физических систем.

«Так, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями пространственно-временны́х симметрий, соответственно, однородности времени, однородности и изотропности пространства».

Заметим, что сомнительное «являются следствиями» напрашивается на вполне законный научный вопрос: где здесь курица, а где яйцо; гораздо осторожнее и в то же время увереннее слово связаны (прим. автора, Л. Р.).

На основании своих работ Кюри выдвинул Симметрийный принцип, получивший вскоре его имя: «когда определенные причины порождают известные следствия, элементы симметрии причин должны вновь появиться в порожденных следствиях». Поэтому, например, «имеющийся в причине магнитного поля (циркулярном движении электрических зарядов) циркулярный элемент симметрии должен появиться и в самом магнитном поле». Напомним, что еще в 1826 году «Ньютон от электричества» Анри Ампер (André-Marie Ampère, 1775–1836) объявил в своей Циркуляционной теореме о том, что магнитное поле имеет циркулярный характер, тогда как электрическое поле — существенно радиальный (Рис. 1).

Хорошо видно, что монополи создают радиальное поле, а диполь — циркулярное.

Магнитному монополю, как видно, «не нашлось места» на рисунке.

Не Бог ли начертал эти письмена — Библию электромагнетизма?

В 1873 году британский физик, математик и популяризатор науки Джеймс Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831–1879) сформулировал четыре знаменитых уравнения, в совокупности представляющих собой основные законы электричества, магнетизма и оптики. По своей значимости эти уравнения сравнимы с законами Ньютона в механике. Австрийский ученый, один из создателей статистической физики Людвиг Больцман (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844–1906) сказал о них: «Не Бог ли начертал эти письмена?». В самом деле, эти «письмена» вот уже полтора столетия исправно служат физической теорией, из которой выросла больша́я часть современной теоретической физики. Казалось, что в этом эталоне физико-математического совершенства невозможно обнаружить ни сучка, ни задоринки.

Казалось, но не оказалось: по крайней мере, один сучок с задоринкой не заставил себя долго ждать — придирчивый взгляд Ученого вскоре обнаружил в этой строгой теории электромагнетизма явную асимметрию: ни в одном из четырех Максвелловских уравнений не нашлось места ни для магнитного заряда, ни, соответственно, для тока магнитных зарядов, тогда как электрический заряд, вместе с током этих зарядов, прочно заняли отведенные им Автором места.

Такое «электро» — «магнитное» неравноправие уже много лет беспокоит научную часть человечества — «ученым нравится, когда природа устроена не только просто, но и симметрично» (Айзек Азимов). Но у Природы свои резоны: эта непонятно откуда взявшаяся асимметрия — пусть не прямо, а лишь косвенно — утверждает: магнитному заряду «нет места на Земле, и нет его и Выше». С другой стороны, некоторые «эстетствующие» физики считают, что Вселенная без магнитного заряда подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте. А французский физик-теоретик Жорж Лошак (Georges Loshak — см. выше) идею «необходимости красоты» Природы выразил не совсем высокохудожественно, зато более «научно» — с использованием, по-видимому, теории небольших чисел:

«Будет справедливым сказать, что почти столько же физиков считают магнитный монополь монстром, прячущимся где-то в глубинах озера Лох-Несс, сколько и тех, которые считают эту идею необходимой для красоты природы. Я, разумеется, из вторых».

Магнитный монополь как источник «свободного магнетизма»

Как это нередко происходит в Науке, вскоре нашелся Ученый, не пожелавший примириться с «противоестественной» асимметрией в Природе (впрочем, например в книге [4] СИММЕТРИЯ VS АСИММЕТРИЯ выражено несогласие с «противоестественностью» асимметрии в Природе — см. Приложение 3). 19 января 1894 года на заседании Французского физического общества тот же Пьер Кюри сделал доклад О возможности существования магнитной проводимости и свободного магнетизма. Двумя неделями ранее во французском Журнале теоретической и прикладной физики появилась его небольшая заметка с тем же в точности заглавием: Sur la possibilité d’existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre ([6]). Рассуждая о параллелизме электрических и магнитных явлений, Кюри отметил, что «точно так же, как движение электрических зарядов вызывает магнитное поле, движение свободных магнитных зарядов должно вызывать электрическое поле». Он же предсказал вполне возможное появление в скором времени магнитного трансформатора, аналогичного его электрическому собрату (предсказание, правда, до сих пор — через 130 лет — все еще не сбылось).

Не прошло и 40 лет после сенсационного сообщения Пьера Кюри о возможности существования свободных магнитных зарядов, как британский физик-теоретик Поль Дира́к (Paul Dirac, 1902–1984) в 1931/1948 годах выдвинул практически ту же смелую гипотезу — о возможности существования элементарного магнитного заряда ([7a, b, с]). «Было бы удивительно, если бы Природа не использовала эту возможность»; «Существует полная теоретическая взаимность между электричеством и магнетизмом»; «Его [ММ] отсутствие не причиняет теоретикам никаких неудобств»; «Квантовая механика в действительности не запрещает существование изолированных магнитных полюсов» — эти и им подобные аргументы Дирака говорят лишь в пользу возможности существования изолированных магнитных монополей, но сколько-нибудь строгих доказательств существования или хотя бы возможности их существования не было представлено (курсив здесь, как и в некоторых других местах, мой — Л. Р.).

В самом конце статьи (1931 г.) Дирак добавляет:

«рассчитанная сила притяжения между двумя одиночными полюсами противоположного знака в 4692.25 раза больше, чем между электроном и протоном. Такая большая сила притяжения, возможно, объясняет, почему полюсы противоположного знака никогда еще не были разделены».

Одной из возможных причин «ненаблюдаемости» ММ считается недостаточность имеющихся энергетических ресурсов, несовместимых с его огромной массой. Но и эту трудность (не «недостаточность ресурсов», а «его огромную массу»), как оказалось, можно обойти — правда, лишь чисто теоретически: в 1956 году Жорж Лошак предложил «более легкий и главным образом более естественный ММ». Позднее, в статье [13a] он пошел еще дальше, несколько «подправив» основополагающее уравнение Дирака: «… there is room, in the Dirac equation, for a massless monopole», т.е., в уравнении Дирака найдется место для ММ с нулевой массой. В некоторых работах этого автора ММ называется лептонным монополем (греч. «λεπτός» — легкий) — см., например, статью [13b], в которой роль лептонного ММ играет симметричный волчок.

Но ни отсутствующая, ни малая (как у электрона, например), ни огромная масса не привели к долгожданному появлению или хотя бы твердому обещанию появления ММ.

Между тем, «открытие магнитного заряда представляло бы собой событие неизмеримо более важное, чем обнаружение очередного «рядового» резонанса или мезона. Обнаружение магнитного заряда могло бы сравниться по значимости лишь с открытиями протона, электрона и позитрона, важность которых нет необходимости комментировать» ([7с, стр. 9]).

Прошло полстолетия… Победные реляции от экспериментаторов о поимке ММ практически не появлялись. А в 1981 году в Берлине состоялась конференция, посвященная 50-летнему юбилею гипотезы Дирака, на которой юбиляр с грустью в голосе скажет:

Я склоняюсь к тому, что магнитного монополя все-таки не существует.

Прошло так много лет, а экспериментального подтверждения не получено.

«Экспериментального подтверждения» — как, впрочем, и теоретического — не было получено, но этот скепсис ученого был подавлен его же собственным авторитетом, общепризнанным после предсказания им в 1928 году существования позитрона, открытого экспериментально уже в 1932-м. Кроме того, это была самая первая античастица, открытая экспериментально, да еще и сравнительно недавно предсказанная.

Однако: несмотря на то, что оба выдающихся ученых (Кюри и Дирак) — каждый в свое время — заявили лишь о возможности существования этой загадочной частицы, чуткий мир физиков-экспериментаторов, задержавшись на старте предстоящего научного марафона на десяток-другой лет, ринулся на ее поиски. Победа сулила победителям многое…

Mutatis mutandis (лат., измени изменяемое, если это необходимо)

В действительности все совсем
не так, как на самом деле.
Ежи Лец. Непричесанные мысли.

Столкнувшись с досадной необходимостью подправить уравнения Максвелла, «всего лишь» впустив в них отсутствующий ММ, некоторые из физиков-теоретиков, не теряя драгоценного времени, провели — каждый по-своему — необходимую симметризацию Библии электромагнетизма, после чего она стала безукоризненно симметричной. Теперь в ней нашлось достаточно места и для магнитного заряда, и для тока этих зарядов.

Но: «необходимое условие» — выполненная теоретиками симметризация — для экспериментаторов оказалось «недостаточным», так что магнитный монополь (или его дух) как витал, так и витает где-то в физико-математических эмпиреях.

Это безнадежно-тупиковое витание ММ, похоже, настолько доняло редакторов книги [7с], что они в конце концов нашли «простой» выход — непрямой («нормальные герои всегда идут в обход»), зато как будто вполне логичный: руководствуясь, по-видимому, одним из базовых законов классической логики — законом исключенного третьего (tertium non datur) — они «провидчески» заверили (на 8-й странице книги):

Магнитный однополюсник будет либо открыт экспериментально, либо, напротив, «закрыт» теоретически.

Метафорическая вставка

На самом деле, в рассматриваемом случае tertium datum est (третье — дано). Скажем, магнитный монополь не будет: ни открыт экспериментально, ни, напротив, «закрыт» теоретически, несмотря даже на то, что «время — вещь необычайно длинная». И тогда остается надеяться на новую инкарнацию Эммы Нётер, которая сумеет доказать новую «двойную» физико-математическую теорему о том, что ни теорема о возможности существования ММ, ни теорема о невозможности его существования не могут быть доказаны. После этих «ни-ни-не» можно будет лишь вручить «эстафетную магнитную палочку» тем физикам-экспериментаторам, которые готовы, сидя на берегу реки времени, терпеливо ждать, пока мимо проплывет… настоящий ММ.

Краткая хронология магнитно-монопольных поисков

Первым, кто мог бы занимать главную счастливую строку в хронологии магнитно-монопольных «исканий», был австрийский ученый Феликс Эренхафт (Felix Ehrenhaft, 1879–1952). В самом начале 1940-х годов он оповестил научный мир о получении им физико-химическим путем отдельных магнитных однополюсников. Однако опубликованные результаты его экспериментов ([14]) не вызвали доверия физиков, и вскоре были забыты.

Работы В. Малкуса (Malkus W. V. R.) 1951 года [7с, стр. 92] и [15], «являющие собой не часто встречающийся образец синтеза теории и эксперимента», показали, что «число магнитных монополей, достигающих поверхности земли, не превышает 10^-10 на квадратный сантиметр в секунду», что было явно недостаточно для «ловушек» того времени.

Вторая волна экспериментальных работ началась в 1960-х годах. Это было связано с бурным развитием ускорительной техники и методов регистрации частиц. Магнитные монополи искали в первичном и вторичном космическом излучении, метеоритах, земных и лунных породах, а также в мишенях, облучаемых на ускорителях. Все эксперименты дали отрицательные результаты, но поиски не прекращались.

В 1963 году на первом в мире синхрофазотроне в Брукхейвене (Brookhaven National Laboratory, USA) была предпринята попытка обнаружить ММ в экспериментах на встречных пучках высокоскоростных протонов: «не было найдено ни одного случая, похожего на образование монополя». Но — лиха беда начало.

В сборнике статей МОНОПОЛЬ ДИРАКА ([7с]) после двух основополагающих статей самого Дирака (1931 и 1948 гг.) в хронологическом порядке располагаются первые семь пионерских работ (1951–1968), в основном теоретических, опубликованных «по следам» статей Дирака. В качестве «средне-арифметического» этих работ процитируем физика-теоретика Нобелевского лауреата по физике 1965 года Ю. Швингера ([16]):

Симметрия между электрическим и магнитным зарядами, по-видимому, не наблюдается в природе.

К 1970-м годам заметно увеличившееся количество экспериментальных работ так и не перешло в качество, а несколько триумфальных сообщений о «поимке» этой неуловимой частицы через небольшое время были дезавуированы их авторами. Неминуемо должен был возникнуть непростой вопрос: что, если будет доказано, что магнитный заряд не только не существует, но и в принципе не может существовать, т.е. будет “закрыт” теоретически? Такой исход вполне реален, хотя «доказательство несуществования, как и любого отрицательного положения, является (по крайней мере в физических науках) делом неизмеримо более сложным, чем доказательство существования; абсолютный запрет представлял бы собой также ценнейшую информацию» ([7с, стр. 9]).

С начала 1980-х годов поиски ММ проводились более интенсивно и экстенсивно. Один из нашумевших примеров этой эпохи — названный так в шутку «Монополь Дня Святого Валентина»: в ночь на 14 Февраля 1982 года (14/2 — ежегодный день Святого Валентина) в лаборатории Бласа Кабреры (Blas Cabrera, Physics Department, Stanford University, Stanford, California 94305) посчастливилось зафиксировать обнадеживающее событие, получившее впоследствии его имя. 17 Мая 1982 года в журнале Phys. Rev. Lett. была опубликована статья [17], авторы которой сообщали, что с помощью особых квантовых детекторов, работавших круглосуточно в течение пяти месяцев, «удалось зафиксировать единственное событие — кандидат, который может оказаться Дираковским единичным магнитным зарядом». Именно так: может оказаться, так как по теоретическим оценкам самих авторов вероятность такого события не превышает 1.5 раз в год. После опубликования статьи, к тому же в одном из ведущих физических журналов, причем в Письмах, т.е. в разделе журнала для срочных публикаций, подобные детекторы были изготовлены в целом ряде исследовательских групп, а лаборатория самого Кабреры получила большой грант для создания еще более чувствительного детектора. Однако в течение нескольких последующих лет это редкое событие так и не воспроизвелось, и обескураженная неудачами группа отказалась продолжать такую «бесперспективную» работу.

Экзотическая частица — немагнитный ММ

30.01.2014 в Интернете появилась статья https://smotrim.ru/article/1311080:

«Частицу, которую физики искали 80 лет, создали искусственно. Более 80 лет длились поиски природных магнитных монополей — гипотетических частиц, которые можно представить себе как отдельно взятый полюс постоянного магнита. Наконец команда физиков из Амхерстского колледжа и университета Аалто в Финляндии сообщила о том, что магнитные монополи удалось получить в лабораторных условиях» ([12b]).

«Создание синтетических магнитных монополей предоставляет беспрецедентную возможность узнать больше о природе естественных монополей, если они, конечно, существуют», — говорит один из участников исследования Дэвид Холл. По сути, учёные создали единичный северный полюс, однако он по своей природе не магнитный (? — вопрос мой, Л. Р.), и компас в его сторону указывать не будет. Холл добавляет, что «сегодня «охота» на Дираковский монополь не заканчивается, и вполне возможно, что удастся обнаружить и естественные монополи или, по крайней мере, понять, где во Вселенной их следует искать».

Замечание по поводу немагнитного ММ. Похоже, автор интернетовской статьи неправильно понял Дэвида Холла. Речь идет не о синтетическом ММ, а о синтетическом магнитном поле, в котором (якобы) получали Дираковские монополи: «…we demonstrate the controlled creation of Dirac monopoles in the synthetic magnetic field…» ([12b]). В следующем параграфе эти «экзотические частицы» выведены на чистую воду.

Магнитные монополи бывают разные…

На эту журналистскую статью (вместе с вкравшимся в ее текст противоречием: с одной стороны, монополь именуется магнитным, а с другой — «он по своей природе не магнитный») обратил внимание физик-теоретик Игорь Пьерович Иванов, разразившийся в том же 2014 году критической статьей [12а], один из параграфов которой называется Монополь монополю рознь. Приведем цитатно некоторые соображения автора о магнитно-монопольных достижениях:

«В эксперименте такие частицы физикам пока не встречались, хотя поиски магнитных монополей ведутся почти век. Если хоть один настоящий магнитный монополь обнаружится, это будет иметь огромные последствия для современной физики.

Несмотря на такое положение дел, физики в последние годы довольно регулярно сообщают об экспериментальных исследованиях монополей. Парадокса тут никакого нет: все те объекты, про которые физики говорят, — это не новые элементарные частицы, не настоящие магнитные монополи, а некие объекты, которые в чем-то на них похожи…».

«На днях в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщается о реализации еще одного примера системы, которая в чем-то ведет себя наподобие магнитного монополя. Поскольку эта публикация всколыхнула СМИ и стала поводом для многочисленных неточных сообщений, лишний раз подчеркнем — это ни в коей мере не настоящий магнитный монополь. Утверждения СМИ в духе “после 80 лет поисков долгожданный монополь наконец-то обнаружен” — попросту неверные. “Тот самый” настоящий магнитный монополь, который искали и ищут, в этом эксперименте не найден; здесь речь идет лишь о создании объекта, который в каком-то смысле напоминает монополь».

Магнитный монополь почти у нас в кармане (т.е. в кольце БАКа)

БАК (Большой Адронный Коллайдер) — самый большой в мире ускоритель на встречных пучках адронов — протонов, нейтронов и более тяжелых сильновзаимодействующих частиц. Ускоритель принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям (CERN) и находится на границе Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы, в подземном кольцевом тоннеле на глубине 100 м. Длина окружности основного кольца ускорителя — около 27 километров. На этой самой крупной в мире экспериментальной установке работает несколько тысяч ученых и инженеров из более чем 100 стран. На полную запроектированную мощность ускоритель начал работать в 2012 году, и в этом же году в его кольце был установлен сверхчувствительный детектор MoEDAL.

Разумеется, упустить такую возможность — искать (и обнаружить!) ММ, рождающиеся в коллайдерном кольце, было бы непростительным проступком против научной части человечества. Сразу же возникли многочисленные международные коллаборации с большим количеством участников, достигающим иногда нескольких сотен, — их так и называли: MoEDAL Collaboration — см., например, [18].

James Pinfold, руководитель проекта MoEDAL из университета Альберты в канадском Эдмонтоне сообщил, что все их попытки зарегистрировать хотя бы один-единственный ММ закончились неудачей. И это несмотря на то, что «результаты были получены при анализе полного набора данных за весь второй цикл работы БАКа, в ходе которого новый детектор накопил в шесть раз больше информации, чем за все предыдущее время».

25 июня 2019 года Пресс-центр НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» опубликовал статью На БАКе ищут магнитные монополи (с помощью детектора ATLAS):

«недавно эксперимент ATLAS, проходящий на Большом адронном коллайдере, объявил о результатах исследования… проявлений магнитных монополей пока не обнаружено, но поиски будут продолжены».

За десятилетие 2013–2022 гг. в научных физических журналах было опубликовано множество «монопольных» работ, выполненных на БАКе. Итог интенсивной работы десятилетия: даже с помощью суперсовременной аппаратуры ученым так и не удалось отыскать какие-либо следы ММ. Так что ключевым словом этого параграфа пока остается слово почти (в заглавии параграфа).

БАК — не единственный современный инструмент для поисков ММ

2 февраля 2022 года в журнале Phys. Rev. Lett. была опубликована статья [19] за подписью 383 авторов — сотрудников коллаборации IceCube. В статье подводятся итоги 8-летней («2886 days») работы по поиску ММ в Арктической Нейтринной Обсерватории (IceCube Neutrino Observatory). В анализе полученных данных о прилетающих из космоса элементарных нерелятивистских и ультрарелятивистских частицах ММ найдено не было. Однако, отмечают авторы, «использованный метод анализа результатов может оказать существенную помощь в дальнейших поисках этих все еще ускользающих от исследователей магнитных частиц».

2023 год не принес сенсационных сообщений типа «ММ у нас в кармане». Но появилось много теоретических статей, опубликованных чаще всего в разного рода Интернетовских сайтах. В одной из работ (Magnetic monopole becomes dyon in topological insulators), опубликованной в научном журнале [20], авторы используют новый теоретический подход к решению проблемы ММ (пояснение: дион — гипотетическая частица, содержащая одновременно электрический и магнитный заряды. Дион с нулевым электрическим зарядом обычно называют магнитным монополем).

Теперь в нашей теоретической копилке имеются три вида ММ —

Дираковский, Лептонный, Дионный.

Мысленный эксперимент

Прибегнем к последнему средству — поставим мысленный эксперимент, используя метод «от противного», плодотворно используемый как в точных, так и в «не совсем точных» науках. Будем также пользоваться правом на плагиат у самого себя, в частности, заимствовать выбранные места из статьи Сизифов Монополь Дирака III ([10]).

Допустим, что противная автору статьи точка зрения — ММ да существует — не противоречит физике элементарных частиц. Следовательно, вполне возможно, что однажды некоему физику-Экспериментатору (Э) несказанно повезло — его тысяче первый «заброс сетей» принес давно искомый магнитный монополь. Через несколько месяцев эта новость каким-то образом просочилась в одно из центральных СМИшных изданий, в котором незамедлительно появилась редакционная статья с кричащим заголовком:

Эврика! Магнитный монополь у нас в кармане!

(Напомним: один из предыдущих параграфов называется Магнитный монополь почти у нас в кармане — осторожно и с почтительной скромностью — почти в кармане.)

Животрепещущая новость быстро облетела ближние и дальние города и веси, и один везучий СМИшник (С.) получил получасовую возможность на «околонаучное» интервью. Хорошо подготовившись (времени мало!), не успев вбежать в лабораторию, С. начал «с места в карьер»:

С. — Вы уверены, что пойманная Вами частица — магнитный монополь? Это можно как-то подтвердить, доказать?

Э. — Конечно, уверен. Но для того, чтобы популярно изложить Вам весь процесс идентификации, нужно истратить все «подаренное» Вам время. Лучше пойдем дальше.

С. — Ваша частица, если верить сообщениям, однополюсник, т.е. монополь. Насколько мне известно, никакой монополь не может быть источником циркулярного поля, а только радиального. Что Вы на это скажете?

Э. — Скажу, что новое всегда, или почти всегда, принимается в штыки. Так что вполне может быть, что через 20, или даже через 200 лет такие частицы будут уже не в новинку.

С. — Как Вы относитесь к Циркуляционной теореме Ампера и уравнениям Максвелла? Они тоже «устарели»?

Э. — Спасибо за помощь, Вы сами ответили на Ваш вопрос, причем ответили правильно. Могу добавить — после появления Специальной теории относительности даже Ньютонова механика перестала быть «абсолютной догмой».

С. — Какой магнитный полюс попал в Ваши «сети» — Северный или Южный? Если Северный, из которого выходят линии магнитной напряженности, то где находится Южный, в который эти линии должны входить?

Э. — Честно говоря, пока это нас не очень занимает. Что же до второго вопроса — магнитные полюса Земли находятся на расстоянии 12 с лишним тысяч километров друг от друга — это делает поле очень слабым, и только.

С. — Насколько я понимаю, если существует Северный магнитный заряд, должен существовать и его «антипод» — Южный заряд. Чем они отличаются друг от друга? Зна́ком заряда, как электрон от позитрона? Тогда что такое знак магнитного заряда, и каковы единицы измерения того и другого заряда? И еще — при сближении частицы с античастицей происходит аннигиляционный взрыв. В маленькой магнитной палочке полюса-антиподы находятся на микроскопических расстояниях друг от друга — но никакой катастрофы, слава богу, не происходит. И совсем уже непонятно: если один из магнитных полюсов — представитель нашего мира, то второй — его антипод — из антимира?

Э. — Ваше любопытство не имеет границ, а наше время уже истекло. Спасибо за интервью и всего Вам доброго!

С. — Спасибо и Вам, и до встречи.

«Если такой встрече и суждено когда-нибудь состояться, то это произойдет, скорее всего, уже в Антимире, после следующего Большого взрыва», — подумал С., уходя в глубокой задумчивости.

Latest Magnetic Monopole Search Results [21]

The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2023), 21-25 August 2023, Hamburg, Germany.

Frank M. J. et al. on behalf of the NOvA collaboration:

“The existence of the magnetic monopole has eluded physicists for centuries. The NOvA Far Detector (FD), used for neutrino oscillation searches, also has the ability to identify magnetic monopoles. … In this talk, I [Frank M. J. — the speaker] will review the current monopole results and discuss the sensitivities of future searches using more than 8 years of collected FD data”.

The search through the full 8 years of collected FD data “yielded no signal events”.

SUMMING UP, или ПОДВОДЯ ИТОГИ

За два столетия экспериментальных работ с участием постоянного магнитного поля не было ни одного случая нарушения Циркуляционной теоремы Анри Ампера, когда бы магнитное поле было не циркулярным, а радиальным. Точно так же — ни одного случая циркулярного поля, созданного частицей-монополем. И гипотетический магнитный монополь — не исключение. Так что магнитный монополь Дирака — источник циркулярного магнитного поля — вряд ли имеет хотя бы один шанс на существование.

Приложения

(факультатив для любопытных)

1. «Нет ничего практичнее хорошей теории»

При изучении наук примеры полезнее правил.
Исаак Ньютон.

Приведем простой пример полезности соображений симметрии, взятый (в сокращенном виде) из [1, стр. 36]. В середине XVIII века, оттесняя воевавшие между собой местные племена команчей и апачей, белые переселенцы начали осваивать пустующие земли огромной территории, ставшей впоследствии богатейшим штатом США, штатом Техас. В те «золотые» ковбойские времена свободной земли там было столько, что за бесценок можно было купить любой по величине участок. Но самым выгодным достоянием считалась не земля, а дикие животные, которыми кишели североамериканские прерии.

Уже в начале XIX века стало понятно, что этих четвероногих «аборигенов» пора прибирать к рукам — доместицировать — для чего в первую очередь нужно было огородить забором огромный участок. Спрос далеко не сразу родил предложение — лишь в 1874 году завершилась эра ковбоев. В октябре этого года американский фермер Джозеф Глидден запатентовал производство колючей проволоки, которую начали использовать для ограждения пастбищ и загонов для скота. Но забор из колючей проволоки стоил довольно дорого. Поэтому фермеры, которые приобрели длинный узкий участок, особенно примыкающий к реке, должны были — по их представлениям — быть в большом выигрыше, так как река становилась одной из сторон, не требовавшей ограждения. Оказалось, однако, что особого выигрыша не получалось, скорее, наоборот: выгодными чаще оказывались участки более или менее симметричной формы.

«Поверим алгеброй гармонию», т.е. симметрию: «арифметика» этого примера — проще простого. Выберем сначала квадратный — симметричный — участок со стороной n, его площадь составит n² и периметр (длина забора) Р = 4n. А теперь возьмем прямоугольник со сторонами (1/2)n и 2n. Площадь его по-прежнему будет n², но периметр составит уже 5n. При сторонах же (1/5)n и 5n и той же площади n² периметр оказывается просто огромным — 10,4n. Таким образом, понятно: чем менее симметрична форма участка, тем больше его периметр, а значит, дороже обходится строительство забора.

Впрочем, среди рассмотренных выше участков есть самая симметричная форма площади — круг. Нетрудно посчитать его периметр — длину его окружности (приблизительную, из-за иррациональности числа π) — 3,55n, что еще меньше, чем периметр квадратного участка той же площади.

«Арифметика» обратного примера столь же проста: земля участка очень дорогая, а забор — «дешевле грибов». Начнем с квадратного участка той же площади S = n² и того же периметра Р = 4n. Площадь прямоугольника со сторонами 1.2n и 0.8n: периметр тот же Р = 4n, а S = 0.96n². Прямоугольник потоньше, 1.6n и 0.4n: S = 0.64n², и наконец, совсем крохотный участок — 1.9n и 0.1n: S = 0.19n² при том же периметре 4n. Вот что такое простые соображения симметрии.

2. Симметрия и Таблица химических элементов

В апреле 1976 года в конференц-зале Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Новосибирский Академгородок) отмечали 75-летний юбилей крупного физика-теоретика профессора Юрия Борисовича Румера (1901–1985). Поскольку, как это хорошо известно (особенно, в высоконаучных кругах), что «дело спасения утопающих — дело рук самих утопающих», слово для юбилейного приветствия было предоставлено… самому юбиляру. И юбиляр весь свой приветственный спич посвятил не себе родимому, а открытиям своего собрата по научной работе академика Льва Давидовича Ландау. Юрий Борисович так высоко ценил дарование этого талантливого ученого, что заключил свой доклад такой фразой: «Я думаю, что Лев Давидович, несмотря на его огромный вклад в физику, не сделал ничего, достойного своего таланта».

Одним из первых вопросов к докладчику была просьба рассказать о своих последних научных достижениях. И ответ был следующим: «Недавно мне вместе с математиком Абрамом Ильичем Фетом удалось построить Таблицу химических элементов, используя теорию унитарной симметрии — и только». После продолжительного молчания кто-то воскликнул: «Но ведь это же нобелевская работа!», на что юбиляр скромно заметил:

«Я уверен, что эта работа действительно заслуживает столь высокой оценки, и этой премии должен быть удостоен полковник Израильской армии профессор Юваль Нейман. Именно он предложил эту замечательно плодотворную идею».

Остается добавить, что оба физика — Ю.Б. Румер и Ю. Нейман — были крупными специалистами в области элементарных частиц, где теория симметрии — важнейший компонент математического аппарата.

3. Симметрия vs асимметрия

Жизнь — это бесконечное нарушение симметрии и вообще ошибка Природы.
Член-Корр. РАН профессор З. Д. Квон.

Если заглянуть в Оглавление книги [4] СИММЕТРИЯ VS АСИММЕТРИЯ, можно подумать, что асимметрия — так же, как и симметрия — правит миром, хотя, разумеется, миром своим и по-своему. Вот лишь заглавия некоторых параграфов книги: О «неполноте» симметрии и принципиальных ее нарушениях. В векторной алгебре не всё так гармонично-симметрично. Спиральная симметрия и асимметрия. Кисло-сладкая асимметрия. Межполушарная асимметрия головного мозга человека. «Монопольная» асимметрия — вполне в природе вещей. Взбесившаяся механика как пример асимметрии — не естественной. Асимметрия в живой и неживой Природе. Наконец, нечто «более серьезное»:

Асимметрическая «катастрофа» в ядерной физике

Считается, что Вселенная, возникшая в результате Большого взрыва «из Ничего», должна была родиться симметричной — в виде Мира и строго антисимметричного ему Антимира. К некоторым, едва заметным отклонениям от абсолютной симметрии относились как к «мелкой ряби на гладкой поверхности спокойного моря симметрии».

Совершенно неожиданно, обычно спокойное море симметрии было возмущено не еле заметной рябью, а настоящей асимметрической бурей. 27 июня 2016 года на научно-популярном сайте sciencealert.com было опубликовано сообщение, оповестившее научный мир о новой — асимметрической — «катастрофе» в физике. Оказалось, что «первая ласточка» прилетела еще в 2013 году, когда в Nature были опубликованы результаты исследования изотопа Радия-224, обнаружившие не сферическую, а грушевидную форму ядра этого атома. А публикация в Phys. Rev. Lett., 116, 2016 подтвердила эту грушевидность уже на ядре Бария-144. Еще позже, в 2020 году «объявилась» грушевидность ядра редкоземельного металла Диспрозия-152: P. A. Butler, Pear-shaped atomic nuclei, https://doi.org/10.1098/rspa.2020.0202.

«Если так пойдет и дальше, да еще с экспоненциальным ускорением, свойственным научно-техническому прогрессу, может статься, что нынешнее столетие станет эпохой ревизионизма в физике».

Литература

1. Резник Л. Е. On the Symmetry Considerations (a non-fiction mixed booklet). Новосибирский государственный университет. Новосибирск, 2010 (126 стр.).
2. Резник Л. Е. ИЗ СООБРАЖЕНИЙ СИММЕТРИИ. 2-е издание, исправленное и дополненное. Редакционно-издательский центр Новосибирского государственного университета, Новосибирск, 2012 (170 стр.).
3. Резник Л. В НАЧАЛЕ БЫЛО СЛОВО, И СЛОВО БЫЛО… СИММЕТРИЯ. Новосибирск: Издательство Сибирского отделения РАН (2015).
4. Резник Л. СИММЕТРИЯ VS АСИММЕТРИЯ. Издательство Beit Nelly Media. Израиль, г. Тель-Авив, ул. аМасгер, 53 (2017). Тел.: +(972)-3–5610283, +(972)-54–4657509.
5. Резник Л. МОЙ ДЯДЯ… . https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer9/lreznik/.
6. Curie Pierre. Sur la possibilité d’existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre. J. Phys. Theor. Appl., 1894, 3 (1), pp. 415–417.
7. a) Dirac P. A. M. Quantised singularities in the electromagnetic field (Квантованные сингулярности в электромагнитном поле). Proc. Roy. Soc., A133, 60 (1931). b) The Theory of Magnetic Poles. Phys. Rev., 74, 817 (1948). с) Монополь ДИРАКА. Сборник статей под редакцией Б. М. Болотовского и Ю. Д. Усачева. Издательство МИР, Москва (1970).
8. Резник Лев. СИЗИФОВ МОНОПОЛЬ ДИРАКА I. https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer3_4/lreznik/.
9. Резник Лев. СИЗИФОВ МОНОПОЛЬ ДИРАКА II. https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer7/lreznik/.
10. Резник Лев. СИЗИФОВ МОНОПОЛЬ ДИРАКА III. https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer11/lreznik/.
11. Котов M. A., Огурцов В. В., Филиппов А. А., Хакимов С. Х. Эксперименты по поиску магнитных зарядов. Институт атомной анергии им. И. В. Курчатова, 1983 (ИАЭ-3739/2).
12. а) Иванов И. В бозе-конденсате реализован синтетический магнитный монополь. https://elementy.ru/novosti_nauki/432190/V_boze_kondensate_realizovan_sinteticheskiy_magnitnyy_monopol (11.02.2014). b) Ray M. W., Ruokokoski E., Kandel S., Möttönen M. & Hall D. S. Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic fiеld. Nature 505, 657–660 (2014). с) Miao L., Lee Y., Mei A.B., Lawler M.J. & Shen K.M. Two-dimensional magnetic monopole gas in an oxide heterostructure. https://www.nature.com/articles/s41467-020-15213-z#citeas (12/03/2020).
13. Lochak Georges. a) Wave Equation for a Magnetic Monopole. International Journal of Theoretical Physics, Vol. 24, No. 10 (1985). b) Le monopôle leptonique comme toupie symétrique (Лептонный монополь как симметричный волчок). Annales de la Fondation Louis de Broglie, Volume 44, 2019.
14. Ehrenhaft Felix. a) Stationary Electric and Magnetic Fields in Beams of Light. Nature 147, 25 (Jan. 4, 1941); b) The Magnetic Current. Science 94, 232-233 (Sept 5, 1941); c) The Magnetic Current in Gases. Physical Review 61, 733 (1942); d) Photophoresis and Its Interpretation by Electric and Magnetic Ions. Journal of the Franklin Institute, vol. 233 (March 1942), pp. 235-255.
15. Malkus W. V. R. The Interaction of the Dirac Magnetic Monopole with Matter. Phys. Rev. 83, 899 (1951).
16. Schwinger J. Magnetic Charge and Quantum Field Theory. Phys. Rev. 144, 1087 (1966).
17. Cabrera Blas. First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles. Phys. Rev. Lett. 48, 20, 1378 (1982).
18. Acharya B. et al. Search for Magnetic Monopoles with the MoEDAL Detector. Phys. Lett. B 782, 510 (2018).
19. Abbasi R. et al. Search for Relativistic Magnetic Monopoles with Eight Years of IceCube Data. Phys. Rev. Lett. 128, 051101 (2022).
20. Aoki S. et al. Magnetic monopole becomes dyon in topological insulators. Phys. Rev. B 108, 155104 (2023).
21. Frank M. J., Antoshkin A., Coveyou D., Dukes E. C., Ehrlich R. and Panda L. on behalf of the NOvA collaboration. Latest Magnetic Monopole Search Results from NOvAM. (E-mail: mfrank@southalabama.edu). The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2023), 21-25 August 2023, Hamburg, Germany.