СЕМЬ ИСКУССТВ

Электрон отличается от позитрона только знаком электрического заряда — полная антисимметрия. А чем отличается Северный магнитный полюс от Южного — существует ли такое понятие, как знак магнитного заряда? И есть ли еще какие-нибудь «разницы» между полюсами?

Лев Резник

СИЗИФОВ МОНОПОЛЬ ДИРАКА III

19 января 1894 года на заседании Французского физического общества французский ученый Пьер Кюри представил доклад «О возможности существования магнитной проводимости и свободного магнетизма». 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 заявил о возможности появления в скором времени магнитного трансформатора, аналогичного его электрическому собрату.

Магнитный монополь будет либо открыт экспериментально, либо, напротив, «закрыт» теоретически.
Монополь ДИРАКА. Сборник статей.
Издательство МИР, Москва (1970).

Введение

«о возможности существования элементарного магнитного заряда»

Первым, кто уверенно заявил о возможности существования элементарного магнитного заряда, был французский ученый Пьер Кюри (Pierre Curie, 1859–1906, Нобелевская премия по физике 1903 г.). 19 января 1894 года на заседании Французского физического общества он представил доклад О возможности существования магнитной проводимости и свободного магнетизма. Двумя неделями ранее во французском Журнале теоретической и прикладной физики появилась его небольшая заметка [1], с тем же в точности названием: Sur la possibilité d’existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre. 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 появление в скором времени магнитного трансформатора, аналогичного его электрическому собрату. Предсказание, впрочем, пока не сбылось.

Не прошло и 40 лет после этого сообщения, нисколько не взбудоражившего научный мир обещанием магнитного трансформатора, как британский физик-теоретик Поль Дира́к (Paul Dirac, 1902–1984, Нобелевская премия по физике 1933 г.) выдвинул практически ту же смелую гипотезу — о возможности существования элементарного магнитного заряда ([2a, b], [3]). «Было бы удивительно, если бы Природа не использовала эту возможность»; «Существует полная теоретическая взаимность между электричеством и магнетизмом»; «Квантовая механика в действительности не противоречит существованию изолированных магнитных полюсов» — эти и им подобные соображения были высказаны в эти годы в пользу возможности существования изолированных магнитных монополей (курсив здесь, как и в некоторых других местах, мой — Л.Р.) На этот раз, несмотря на то что оба выдающихся ученых заявили лишь о возможности существования этой загадочной частицы, чуткий мир физиков, задержавшись на старте предстоящего научного марафона на десяток-другой лет, ринулся на ее поиски. Победа сулила многое…

Через полстолетия, на Европейской конференции (Берлин, 1981 г.), посвященной 50-летнему юбилею магнитно-монопольной гипотезы, Дирак заявил: я склоняюсь к тому, что магнитного монополя все-таки не существует. Прошло так много лет, а экспериментального подтверждения не получено.

Несмотря на выраженный самим автором скепсис, благодарный ученый мир «узаконил» в качестве имени этой гипотетической частицы: Магнитный монополь Дирака.

Поиски свободных магнитных зарядов — «коллективный сизифов труд»

Неужели такие колоссальные человеческие ресурсы обречены на самый настоящий коллективный сизифов труд? ([4а]).

В предыдущей статье Сизифов Монополь Дирака II ([4b]) сделана попытка доказать непростую теорему несуществования магнитного монополя (ММ) — элементарной магнитной частицы, безуспешно разыскиваемой многие десятилетия физиками-экспериментаторами, физиками-теоретиками и «просто физиками» (о последних — чуть ниже). Непростую, во-первых, потому, что «доказательство несуществования — дело неизмеримо более сложное, чем доказательство существования, …ситуация усугубляется еще и тем, что физикам-теоретикам время от времени удается на кончике их вдохновенного пера заполучить эту неуловимую частицу, ставшую для их собратьев-экспериментаторов настоящим фантомом» ([4b]). Эта дьявольская изощренность Природы со временем стала вызовом, а потом еще и молчаливым упреком экспериментаторам, которых (якобы) слишком долго носили на щедрых государственных руках, а они, неблагодарные, не оправдали доверия: «Среди большинства теоретиков преобладает мнение, что в теории монополя все уже сделано и экспериментаторам остается лишь (!?!) искать предсказанный теорией магнитный заряд» ([3, стр. 7]). С другой стороны, там же ([3, стр. 8]) и те же авторы пишут: «Проблема магнитного заряда является сейчас по существу пасынком теоретической физики». Природа, похоже, породила сразу двух «деток» — сынка и пасынка — соответственно, физика-экспериментатора и физика-теоретика.

Во-вторых, попытка подискутировать с физиком (или ученым не-физиком) о возможности/невозможности существования ММ обрывается, как правило, прямо «с порога» — дескать, давно и хорошо известно, еще со школьных времен, что магнитное поле порождается циркулярным движением электронов (сам автор статьи в таких случаях мысленно напоминает себе еще и о Циркуляционной теореме Анри Ампера ([4а]). Действительно, казалось бы, зачем еще один огород городить, когда можно воспользоваться Бритвой Оккама и твердой рукой отсечь все «лишнее», после чего продолжение разговора становится абсолютно излишним — за давней исчерпанностью проблемы до самого дна. Природа не терпит «излишеств», которые иногда позволяют себе её не всегда экономные Homo sapience ([5]).

«Это же стенка не от того гвоздя!»

Наконец, существует еще и умозрительно-теоретическое соображение: появившиеся в результате Большого взрыва частицы должны были всенепременно рождаться симметричными па́рами. И так как родился элементарный электрический заряд — электрон — обязательно должен был родиться и симметричный ему элементарный магнитный заряд. На это соображение возникает «симметричное» возражение: антипод электрона — вовсе не магнитный заряд, а позитрон, и сопоставлять электрический заряд с магнитным — все равно, что сравнивать, например, километр с килограммом. В самом деле, величина электрического заряда измеряется в Кулонах, или Ампер-секундах, магнитного — в магнетонах Бора/на Ангстрем; а массы этих частиц отличаются — по оценкам теоретиков — в тысячи раз. Самый настоящий пример полной асимметрии (имеется в виду, что два предмета могут быть и неполно-асимметричными: скажем, симметричными по форме, но асимметричными по содержанию).

Обещанное выше пояснение о понятии «просто физик». О существовании таких ученых автор узнал, случайно «подслушав» разговор двух участников научной конференции, — Молодого Ученого (МУ) с его собратом «по оружию» Большим Ученым (БУ):

— МУ. А Вы какой физик — теоретик или экспериментатор?

— БУ. Ни тот, ни другой — я просто физик.

— МУ. Как это — ни тот, ни другой?! Вы вообще-то физик, или, может, только математик?

— БУ. Нет, молодой человек, я не могу назвать себя математиком, хотя знаю нужную мне область этой науки довольно неплохо, и теоретическую часть поставленной мною задачи решаю самостоятельно. Как, впрочем, и экспериментальную — считаю, что «это серьезное дело нельзя поручать никому». Кстати, один из известных примеров такого «просто физика» — Нобелевский лауреат Академик Петр Леонидович Капица.

Мысленный эксперимент — актуальные вопросы, виртуальные ответы

The questions are never difficult,
it’s the answers that sometimes are.
Oscar Wilde, The Importance of Being Earnest
(подробнее см. Приложение).

Мысленный эксперимент будет проводиться известным философским методом от противного, плодотворно используемым также физиками, математиками и другими учеными.

Допустим, что противная Автору Статьи (АС) точка зрения — магнитный монополь да существует — не противоречит физике элементарных частиц. Следовательно, вполне возможно, что однажды некоему Физику-Экспериментатору (ФЭ) несказанно повезло — в его «сети» попался давно искомый магнитный монополь. Через год-полтора 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 параграфов статьи [4a] называется Магнитный монополь почти у нас в кармане — достаточно осторожно и с почтительной скромностью — почти в кармане.)

В нашем мысленном эксперименте вопросы будет формулировать АС, а виртуальный ФЭ, он же личный пресс-секретарь АС, выступающий, разумеется, от его имени, будет отвечать на них. Очень похоже на то, что АС затевает не очень популярную в научной (и не только) среде «дуэль»… с самим собой — проверенный метод, используемый в самых мирных целях.

Связавшись с редакцией Издательства, опубликовавшего это сенсационное сообщение, мы получили возможность побеседовать — целый час! — с ФЭ.

После первых приветствий и предъявления «верительных грамот»:

АС. — Скажите, Вы человек везучий или удачливый?

ФЭ. — Разве это не одно и то же?

АС. — Не совсем. Везучий — Емеля из русских сказок, который, не ударив пальцем о палец, получает, тем не менее все, что захочет: «везет же человеку». А удачливый — трудяга, которому, как правило, сопутствует удача.

ФЭ. — Наверное, я все-таки из вторых

АС. — В Вашем характере присутствует авантюрная жилка? Если да — прочная или тонкая?

ФЭ. — Присутствует — не слишком прочная, но и не такая тонкая, что вот-вот порвется.

АС. — Начиная эту работу, вы — я имею в виду весь Ваш коллектив — верили в существование магнитного монополя?

ФЭ. — Скорее верили, чем не верили. Работа Кюри — «за давностию лет» — не могла сколько-нибудь серьезно повлиять на наше отношение к существованию или несуществованию этой интереснейшей частицы, скрытой «за семью печатями». Зато более поздняя работа Дирака не оставляла сомнений в возможности ее существования. Правда, по прошествии многих лет неудавшихся попыток обнаружить ее, время от времени возникали сомнения — либо в ее существовании, либо в возможности ее обнаружения, причем, последнее — по вполне разумным причинам. Поэтому я намеренно отобрал для нашей работы четное число сотрудников, так чтобы половина из них верила и сомневалась, а другая половина — не верила и сомневалась. Мне казалось, что это мудрое решение. Казалось — но не оказалось: уже меньше, чем через год, из двух «несогласных» половин сотрудников Лаборатории образовался самый настоящий «восточный базар» из не то пяти, не то шести групп «продавцов фруктов, овощей и прочей снеди, привозимой из самых разных мест». К счастью, эта разношерстная разноплеменность нисколько не мешала (скорее — наоборот) работе нашего еженедельного brainstorm-семинара. Наверное, правильнее всего ответить на Ваш вполне уместный вопрос так: мы и верили, и не верили, и то верили, то не верили. Кто-то из сотрудников однажды повесил на стене своевременный плакат: «сомнение — путь к истине». Тогда же я подумал, что хотя этот «истинный путь» — не самый короткий, но он нужен.

АС. — Да, с Декартом не поспоришь… В свое время Поль Дирак якобы предлагал проделать такой мысленный эксперимент — разнести на большое расстояние полюса магнита, чтобы их можно было рассматривать как два отдельных монополя. Но такие опыты — реальные, не мысленные — проводились многократно: наша Земля как раз и представляет собой естественный магнитный диполь с полюсами, разнесенными на огромное расстояние — около 12700 километров. Что́ бы Вы ответили на это Дираковское предложение?

ФЭ. — Ответил бы и отвечу сейчас — якобы.

АС. — Намек понятен. Магнитный монополь попал в Ваш «карман» случайно — как говорят, нежданно-негаданно — или после долгой кропотливой и целенаправленной работы, Вашей и всех сотрудников Вашей Лаборатории?

ФЭ. — Как только я «дорос» до уровня завлаба, ни разу не начинал работу без определенного целеполагания. Так было и на этот раз. Правда, за эти труднейшие, полные неуверенности годы мы несколько раз твердо решали закрыть тему. К тому же было известно о нескольких обескураженных неудачами группах, отказавшихся продолжать такую «бесперспективную» работу. Но каждый раз нас что-то останавливало — то ли Бог, то ли Черт, то ли черт его знает — кто или что. Если серьезно, отчасти нас удерживал тот факт, что большие международные коллективы, которые не уменьшались в числе, а скорее, умножались, находились (согласно их сообщениям) все ближе и ближе к заветной цели. Вы не хуже меня знаете, что такое «заветная цель» для ученого. И серьезным вызовом была еще и высокая конкурентность атмосферы, которую можно сравнить разве что со «столпотворением» в гонке под флагом управляемый термояд. К финишу нужно было прийти обязательно первым, только первым — или никаким. Судя по последним публикациям в солидных физических журналах, большинство участников этого «марафона» пока не сходят с дистанции.

АС. — Давайте попробуем немного приблизиться к самой важной для нас цели — ответу на кардинальный вопрос — быть или не быть однополюсной магнитной частице, уже получившей увековеченное имя Магнитный монополь Дирака.

ФЭ. — Да, давайте приблизимся. Вы гость, я — гостеприимный хозяин, поэтому Вы, как это принято во всяком благородном собрании, в нашей «шахматной партии» будете играть за белых. Хочу надеяться, что это будет не тот случай, когда белые начинают и выигрывают. Итак, мы начинаем, часы включены — Ваш ход.

АС. — Спасибо! — е2-е4: Вы помните, что́ побудило Вас сравнительно поздно взяться за эту животрепещущую проблему существования/несуществования магнитного монополя?

ФЭ. — с7-с5: очень хорошо помню. В конце 2009 года мне на глаза попалась научно-популярная статья о магнитном монополе, делающим «первые шаги». И тогда же, чуть ли не в том же месяце — о каком-то новом перспективном виде энергии — магнетричестве, собрате электричества. Покопавшись в обширной на тот момент научной литературе, я «с грустью понял, что почта сюда слишком долго шла». Однако, поезд еще не ушел — проблема, несомненно, была все еще достаточно актуальной. Не буду скрывать — исповедуя обычно оптимистическую ма́ксиму «большому кораблю — большое плавание», на этот раз я не забывал и про вполне возможное разочаровывающее «большому кораблю — большое кораблекрушение». Разумеется, это опасение тщательно скрывалось от всех моих присных, да и от самого себя. В конце концов, даже если попытка окажется всего лишь «пыткой», в таких многообещающих обстоятельствах не попробовать рискнуть …потом будешь долго кусать себе локти. Так что после нескольких месяцев сомнений и раздумий я начал, не торопясь, набирать сотрудников лаборатории. Еще через полгода довольно нервной работы — поиски субсидий, кастинг, приобретение оборудования и прочие непредвиденные и «накладные» расходы — наша Лаборатория моно-магнитных исследований провела первый семинар под ёрническим приглашением на входной двери: войди, но если не знаешь — не спрашивай!

АС. — Из системы уравнений Максвелла, которая вот уже полтора столетия служит своеобразной «Библией электромагнетизма», как будто следует, что магнитный монополь не имеет права на существование. И многолетние экспериментальные исследования пока подтверждают это «бесправие» — без единого исключения, не считая, разумеется, Вашего.

ФЭ. — Вот именно, что как будто! Любая Библия, а Библия электромагнетизма — не исключение — со временем должна обновляться, соответствовать времени. Уже вскоре после появления специальной теории относительности Эйнштейна некоторые научные «догмы» подлежали пересмотру. И появление квантовой механики, а затем и квантовой электродинамики привели к более современной — «подправленной» — системе уравнений Максвелла, в которой уже нашлось место и для магнитного заряда. Что же до экспериментальных достижений — уверен, что «еще не вечер», и наш успех только «зачинает рассвет».

АС. — А с какой из Библий Вы «делаете жизнь»?

ФЭ. — Когда как и где. Надеюсь, Вам известна притча о священнике, который, несмотря на его довольно высокий сан, преподавал еще и физику в университете?

АС. — Напомните, будьте добры.

ФЭ. — На вопрос одного из студентов, кому он молится — Богу или Дарвину — он ответил: «когда как — в церкви, естественно, Богу, а в университете, так же естественно, Дарвину». Признаюсь, подобная раздвоенность меня изрядно смущает, я не верю, что религия — еще один метод познания законов Природы: вся история религий свидетельствует об обратном. Тогда как физика была и остается самой точной из наук о природе вещей.

АС. — Я сейчас подумал — можно ли считать эту пару — электрический монополь и магнитный монополь — представителями, соответственно, Мира и Антимира, или, что то́ же, веществом и антивеществом? Наверное, нельзя, ведь оба — наши, земные «жители».

ФЭ. — Вы сами и ответили на Ваш вопрос — полностью согласен с таким ответом.

АС. — Хорошо, мы уже достаточно пофилософствовали, хватит с нас теорий, перейдем к делу — к практике. Вам удалось измерить величину заряда пойманного монополя, как это сделал в свое время с электроном Роберт Милликен? Насколько мне известно, у теоретиков нет единой точки зрения на величину заряда магнитного монополя. Кстати, в каких единицах измеряется этот заряд?

ФЭ. — Если хотя бы через год-полтора мы сможем утвердительно ответить на первую часть Вашего вопроса (после чего ответ на вторую часть наверняка будет уже готов), … пока помолчу, боюсь сглазить. Как отвечают в подобных случаях вашему брату-журналисту — «без комментариев».

АС. — Я не спрашиваю, какой именно монополь попал в ваши «уловистые» сети — Северный или Южный — наверняка это top secret. Но есть вопрос, вернее, цепочка вопросов гораздо серьезней. Предположим, ваша добыча — Северный монополь. Мог ли он родиться без симметричного ему Южного антипода?

ФЭ. — Конечно, НЕТ! Так же как электрон не мог родиться без позитрона. Но огромная мощность Большого взрыва и многомиллионноградусная температура в доли секунды разнесли их очень далеко друг от друга — как, собственно, материю и антиматерию.

АС. — Могло так случиться, что «в некотором Царстве, некотором Государстве» объявился некий докторант-физик — неимоверный везунчик, в «сеть» которого совершенно случайно попала «золотая рыбка» — Южный магнитный монополь. Как бы в подтверждение только что сказанного Вами («так же как электрон не мог родиться без позитрона…», ну, и так далее), теперь существуют отдельно — Северный и Южный монополи.

ФЭ. — Ну, и…?

АС. — И… если, скажем, Северный монополь — представитель Мира, то его Южный антипод — из Антимира, т.е. это атом антивещества, либо наоборот — что совсем неважно. А важно то, что вещество и антивещество спокойно соседствуют в нашем земном мире, — не грозит ли человечеству это соседство еще одним Большим взрывом?

ФЭ. — … Знаете что? С Вашей богатой фантазией, еще пара-другая таких «умных» вопросов — и Вы загоните меня в темный угол. Полагаю, если бы при сформулированных Вами условиях это могло случиться, оно бы уже случилось — значит, этого не может быть!

АС. — Потому что не может быть никогда?

ФЭ. — Не шутите так зло — «заниматься первыми принципами — последнее дело», и дело далеко не простое.

АС. — Мне казалось, что для физика первые принципы — первое дело, потому что на этих принципах-аксиомах строится любая физическая теория. Если я неправ, прошу прощения за мое неведение, а вопрос про атом антивещества снимается. Тоже без комментариев.

ФЭ. — Хочу напомнить, что в нашем мире есть бесконечно много такого, «что и не снилось нашим мудрецам». А нам — самое разное такое — только и снится. И не только по ночам. Но за вопрос — действительно серьезный — спасибо!

АС. — Электрон отличается от позитрона только знаком электрического заряда — полная антисимметрия. А чем отличается Северный магнитный полюс от Южного — существует ли такое понятие, как знак магнитного заряда? И есть ли еще какие-нибудь «разницы» между полюсами?

ФЭ. — Полагаю, что есть. Например, Северный полюс магнита притягивается к Южному полюсу Земли и наоборот. Любой компас это подтвердит. Как это связано со структурой магнитного вещества — пока непонятно. Собственно говоря, с электрическим веществом ситуация ненамного лучше. И еще: вектор напряженности магнитного поля «выходит» только из Северного полюса и «входит» только в Южный, и никогда — наоборот.

АС. — Во всяком случае, оба эти полюса магнитного диполя — материя. А что такое магнитная антиматерия, существует ли она? Сравните электрон с позитроном — у них в этом смысле всё в полном порядке. Вам не кажется, что этот «магнитный непорядок» льет воду на мельницу «магнитно-монопольных» скептиков?

ФЭ. — Похоже, Вы как раз из этих скептиков, да еще и специалист по припиранию оппонентов к стенке. Не хочу выкручиваться, могу лишь сказать, что пока этот вопрос, и не один он, остается без ответа. Надеюсь, почти уверен — пока. Нужно еще хорошенько поработать хотя бы с одним-единственным магнитным монополем, прежде чем можно будет ответить на те или иные из Ваших многочисленных вопросов. А сейчас — прошу прощения, через 10 минут у меня семинар…

АС. — Благодарю Вас за Ваше терпение — у меня остался последний вопрос, который, возможно, нужно было задать первым: как Вы думаете — магнитный монополь, в отличие от других монополей, может стать источником кольцевого (роторного) поля, каковым является известное нам уже больше двух столетий магнитное поле?

ФЭ. — На этот вопрос я уверенно смогу ответить только через пару-тройку лет, когда мы существенно продвинемся в эксперименте. Спасибо за интервью, и удачи в Вашей работе по освещению в СМИ наших скромных достижений. До свидания, до следующей встречи в удобное для нас обоих время.

Секретарь последовавшего семинара после трехчасовой баталии записал в Протоколе № 76: 1. Партию за белых Завлаб по крайней мере не проиграл, скорее, выиграл. 2. Вопросов было явно недостаточно — не хватило времени. 3. «Дело» о поимке магнитного монополя придется временно отложить, возможно — до греческих календ.

4. Предварительный результат голосования (без голоса Завлаба) — fifty-fifty. Свой решающий голос Завлаб придержал до следующего семинара.

Заключение

Рис. 1. Иллюстрация к Циркуляционной теореме Анри Ампера:

(a) — магнитный диполь; протон (b) и электрон (c) — электрические монополи;

«магнитное поле носит циркулярный характер, в отличие

от электрического поля, имеющего начало и конец».

Уважаемые читатели, посмотрев на рисунок, как бы вы ответили на такой вопрос:

может ли однополюсная частица, т.е. монополь, стать источником циркулярного поля, каковым было, есть и, по-видимому, всегда будет магнитное поле?

«Думайте сами, решайте сами» — навязывать ответ мы не будем, зато будем вам благодарны, если пришлете ваш.

Приложение

The questions are never difficult, it’s the answers that sometimes are (вопросы не бывают трудными, лишь ответы иногда таковы — перевод мой, Л.Р.) — несерьезный взгляд одного из заглавных героев пьесы Оскара Уайльда Как важно быть серьезным. В названии пьесы — The Importance of Being Earnest — непереводимая (в частности, на русский язык) игра слов: Earnest — мужское имя Эрнест, еarnest — серьезный, искренний. По содержанию пьесы герою до́лжно быть Эрнестом и не обязательно серьезным, поэтому при переводе названия пьесы с английского языка на русский герой перестает быть заглавным. Не всегда, к сожалению, трудности перевода с языка на язык преодолимы.

Литература

1. 1. Curie Pierre. J. Phys. Theor. Appl., 1894, 3 (1), pp. 415-417.
2. Dirac P. A. M. a) Proc. Roy. Soc., A133, 60 (1931); b) Phys. Rev., 74, 817 (1948).
3. Монополь ДИРАКА. Сборник статей под редакцией Б.М. Болотовского и Ю.Д. Усачева. Издательство МИР, Москва (1970).

4. Резник Лев. Сизифов Монополь Дирака; a) I, https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer3_4/lreznik/; b) II, https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer7/lreznik/
5. Яковленко С. ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ — “ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ”? Семь искусств, 3–4 (154), 2023,https://7i.7iskusstv.com/y2023/nomer3_4/jakovlenko/