СЕМЬ ИСКУССТВ

Трудно поверить в то, что упорные поиски магнитных монополей — всего лишь нежелание Человека отступиться в борьбе с Госпожой Природой и Ее чудны́м «законом», кратко сформулированным А.П. Чеховым: этого не может быть, потому что этого не может быть никогда! Неужели такие колоссальные человеческие ресурсы обречены на самый настоящий коллективный сизифов труд?

[Дебют]Лев Резник

СИЗИФОВ МОНОПОЛЬ ДИРАКА

Однополюсный магнит — обыкновенное чудо

В 1981 году на конференции, посвященной 50-летнему юбилею гипотезы Поля Дирака, юбиляр заявил:

«Я склоняюсь к тому, что магнитного монополя все-таки не существует. Прошло так много лет, а экспериментального подтверждения не получено».

Не получено оно и до наших дней: монополь не обнаружен в Природе и не получен в самых современных ускорителях и физико-химических лабораториях. Появилось ощущение «тьмы в конце туннеля».

Предлагаемая популярно-научная статья — попытка рассеять эту «тьму».

Одной борьбы за вершину достаточно, чтобы заполнить сердце человека.
Сизифа следует представлять себе счастливым. Альбер Камю. Миф о Сизифе.

Первые магниты

Исканьем тайн дух человека жил…
В.Я. Брюсов. ЕГИПЕТ.

Согласно одной из многочисленных легенд древней Греции, словом магнит мы обязаны пастуху по имени Мегнес из греческого города Мегнезия (Magnesia, Megnesia); в настоящее время это западная Турция, недалеко от города Измир. Если верить этой и некоторым другим легендам, Мегнес, перегоняя в горах стадо коз, однажды почувствовал, как какая-то таинственная сила притягивает наконечник его палки. Сильно испугавшись, он отшвырнул палку и бросился бежать, но злой дух не отпускал его: если верить тем же легендам, «со-виновниками» этого важнейшего открытия были еще и гвозди его сандалий.

Первым, кто, по мнению Аристотеля, заинтересовался магнетизмом каменистой породы, был Фалес Милетский (ок. 630—550 гг. до н.э.) — древнегреческий философ из Милета в Малой Азии, «один из семи греческих мудрецов». Заранее оговоримся: высказывания древних авторов о научных заслугах своих современников или предшественников нередко бывают неполны, а иногда даже противоречат друг другу.

В древнем Китае первое упоминание о магнитном железняке — магнетите — и его свойстве притягивать железистые куски скальной породы встречается в ранних главах трактата Гуань цзы, составленного несколькими авторами в VI — III вв. до н.э. Из этих любящих камней китайцы научились выплавлять железо, поэтому такой камень считался матерью железа, а его способность притягивать железистые предметы объяснялась присущей ему материнской любовью.

Нельзя не отметить сравнительно рано обнаруженное утилитарное свойство магнетита: в некоторых государствах его использовали для морской навигации еще до новой эры. Тогдашний «морской компас» представлял собой кусок дерева (иногда пробкового) с кусочком железистой породы, прикрепленным к нему; этот кораблик плавал в чаше с водой, всегда поворачиваясь окрашенной в красный цвет стороной к Северу. В древнем Китае магнетит использовали еще и для «правильной» ориентации человека в пространстве в соответствии с учением Фэн-Шуй.

Предтеча современного магнитного компаса представляла собой полированную плиту, на которой лежала магнитная «стрелка», имеющая возможность поворачиваться на 360 градусов. В одной из конструкций компаса, изображенного на Рис. 1, стрелкой служила ложка с ручкой из магнетита. Много позже намагниченную горизонтальную иглу насаживали на вертикальную ось, а в 1302 году итальянский географ Флавио Джойя снабдил компас «циферблатом», что было большим шагом в его усовершенствовании.

Магнитный двухполюсник де Марикура

Научное исследование магнетизма в Европе началось в XIII веке. Малоизвестный французский ученый и инженер Пьер Перегрин (Pierre Pelerin de Maricourt) в письме своему приятелю написал обширный трактат, полное название которого в одном из переводов выглядит так: Послание о магните Пьера де Марикура, по прозванию Перегрин, к рыцарю (или солдату) Сигеру де Фукорур. Письмо датировано восьмым августа 1269 года, благодаря чему известно, хотя и очень приблизительно, время жизни этого разносторонне одаренного ученого (в одном из источников назван год его рождения — 1240)^[1]:

«Сердечный мой друг, по твоей просьбе я в безыскусном повествовании открою тебе по мере возможности некую тайную силу камня магнита… … …
Последняя строка: Писано в лагере, при осаде Луцерии в год от Рождества Христова MCCLXIX, в VIII день августа».

В многостраничном Послании де Марикур подробно перечисляет магнитные свойства «камня магнита»: сообщает, что у магнита есть два разных полюса, которые невозможно разделить; объясняет, как определить один и другой полюс; как намагнитить иглу компаса; подробно описывает процедуру перемагничивания магнитных материалов. Он первый использовал слово полюс именно в таком — географическом — смысле, открыл законы взаимодействия (притяжения и отталкивания) двух магнитов между собой. Изобрел циферблат компаса с 360 градусными делениями. Все это и многие другие достижения этого талантливого человека стали известны миру лишь через три (!) столетия: Послание впервые было напечатано в Риме в 1558 году под именем Раймунда Луллия (Raymundus Lullius, каталонский миссионер, поэт, философ и теолог; 1235—1315 гг.). Какая огромная потеря для человечества — целых три столетия!

Магнетизм и электричество

В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы I Уильям Гилберт (William Gilbert, 1544—1603) издал сочинение О магните, магнитных телах и большом магните — Земле, в котором подробно описал результаты своих 18-летних исследований магнитных явлений и выдвинул первые теории электричества и магнетизма. Установил, в частности, (заметим: через три с половиной столетия после де Марикура), что любой магнит имеет два разных полюса, впоследствии — северный и южный. Одноименные полюса, как выяснилось, отталкиваются, а разноименные — притягиваются; он же обнаружил, что железные предметы под влиянием магнита сами становятся магнитами. Изучая магнитные свойства намагниченного железного шара, показал, что он действует на стрелку компаса так же, как Земля, и пришел к выводу (тоже после де Марикура), что последняя представляет собой «гигантский магнит». Предположил, что магнитные полюса Земли совпадают с географическими.

Спустя два с небольшим столетия после опубликования сочинения Уильяма Гилберта профессор Копенгагенского университета Ганс Кристиан Эрстед (Hans Christian Ørsted, 1777—1851) на одной из своих лекций продемонстрировал новое явление: провод с протекающим по нему электрическим током влияет на положение магнитной стрелки компаса, находящегося поблизости. Следовательно, существует взаимодействие между электрическими силами, с одной стороны, и магнитными — с другой, что было революционным открытием для того времени. Кроме того, сила взаимодействия зависела от силы тока, а его включение меняло направление магнитной стрелки компаса; при выключении тока стрелка возвращалась в прежнее положение. Этот простой опыт привел к еще одному научному открытию: электричество тесно связано с магнетизмом, что в значительной степени стимулировало начавшиеся в Европе интенсивные исследования электромагнитных явлений.

Система уравнений Максвелла

В 1873 году британский физик, математик и популяризатор науки Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831–1879) написал четыре знаменитых уравнения, в совокупности описывающих основные законы электричества, магнетизма и оптики. Эта система уравнений вот уже полтора столетия исправно служит физической теорией, «из которой выросла большая часть современной теоретической физики». По своей значимости уравнения сравнимы с законами Ньютона в механике. Австрийский физик, один из создателей статистической физики Людвиг Больцман (1844–1906) сказал об этих уравнениях: «Не Бог ли начертал эти письмена?»

Внимательно-придирчивый глаз, однако, вскоре высмотрел в этой системе уравнений «существенный недостаток, нарушающий в остальном безупречное изящество теории»: в ее электромагнитную сущность изначально заложена асимметрия между чисто магнитным и чисто электрическим компонентами. Несимметричность, по мнению критиков теории, кроется в том, что электричество и магнетизм неравнозначно входят в уравнения: электрическая часть содержит «свою» элементарную частицу, тогда как в магнитной части место соответствующей частицы пустует. Одно из уравнений, впрочем, содержит член, представляющий собой плотность магнитного заряда, но эта плотность равна нулю, и это значит, что в природе не существует магнитных зарядов. Соответственно, ток магнитных зарядов (уже в другом уравнении) отсутствует. А у физиков-ригористов существует еще и критерий красоты теории — для них Вселенная без магнитного заряда «подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте». Ну, и наконец, «ученым вообще нравится, когда природа устроена не только просто, но и симметрично» (Айзек Азимов). Выходит — Максвелловская теория электромагнетизма требует существенной доработки?

Спасательный круг в море ученых прений о симметричном равновесии в Природе бросил 19 января 1894 года французский ученый Пьер Кюри (Pierre Curie, 1859–1906, лауреат Нобелевской премии по физике 1903 года). В тот день 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. Рассуждая о параллелизме электрических и магнитных явлений, Кюри отметил: точно так же, как движение электрических зарядов вызывает магнитное поле, движение свободных магнитных зарядов должно вызывать электрическое поле. Поэтому он, Кюри, не видит ничего невозможного в появлении в скором времени магнитного трансформатора, аналогичного его электрическому собрату. А введение магнитных зарядов в уравнения Максвелла производится естественно и только делает их симметричными (эта встречающаяся в некоторых публикациях фраза в самой заметке отсутствует; может быть, она была произнесена в докладе, но установить, так ли это, сейчас трудно, если вообще возможно).

Не без сожаления заметим, что, несмотря на провозглашенное Пьером Кюри вполне возможное движение свободных магнитных зарядов и, как следствие, скорое появление магнитного трансформатора, последний «в скором времени» так и не появился, как не появился он и до сих пор, через 120 с лишним лет.

Поль Дирак и его монополь

Tertium non datur.

Не прошло и 40 лет после сенсационных сообщений о свободных магнитных зарядах и «обещанном» магнитном трансформаторе, как к части научной общественности вернулся угасший было интерес к свободному магнетизму Пьера Кюри. Британский физик-теоретик Поль Дирак (Paul Dirac, 1902–1984, Нобелевская премия по физике 1933 г.) принял эстафетную «магнитную» палочку, выдвинув в 1931 году смелую гипотезу о возможности существования элементарного магнитного заряда [2a, b]^[2]. Так как «существует полная теоретическая взаимность между электричеством и магнетизмом», то наряду с электрическим элементарным зарядом должен существовать и магнитный элементарный заряд. А возможную причину неразделимости магнитных полюсов противоположного знака Дирак объясняет тем, что рассчитанная сила притяжения между ними в 4692 раза больше, чем между электроном и протоном. И магнитный однополюсник будет либо открыт экспериментально, либо «закрыт» теоретически [2b, С. 8]. Третьего — не дано.

Такая смелая и физически важная гипотеза не могла не обратить на себя внимание физиков-теоретиков. Появился (правда, не сразу, через пару десятков лет) ряд статей, авторы которых пытались решить по-своему эту ставшую актуальной задачу. Со временем некоторые статьи получали экспериментальное «подкрепление», но победных реляций среди всех этих работ не было — орешек оказался довольно твердым. Сам Дирак защищал свою точку зрения в присущем ему стиле:

«было бы удивительно, если бы Природа не использовала эту возможность».

Отрицательные результаты этих научных изысканий иллюстрировали незавершенность теории магнитного заряда. Как считали составители сборника статей [2b], причина незавершенности состоит в том, что «проблема магнитного заряда (монополя) является по существу “пасынком” теоретической физики». Между тем,

«обнаружение магнитного заряда представляло бы собой событие неизмеримо более важное, чем открытие “рядового” резонанса или мезона, и могло бы сравниться по значимости лишь с открытиями протона, электрона и позитрона» [2b, C. 9].

К 1970-м годам заметно увеличившееся количество теоретических и экспериментальных работ так и не перешло в «качество», а несколько триумфальных сообщений о «поимке» неуловимой частицы через небольшое время были дезавуированы 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, так как

«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» [2b, C. 9].

В такой тупиковой ситуации полученный отрицательный результат — не просто «тоже результат», важность «абсолютного запрета» для теоретической физики трудно переоценить.

Гипотеза — всего лишь гипотеза, это еще не закон: Дирак вовсе не утверждал, что магнитные монополи должны существовать, он полагал лишь, что они могут существовать. Возможно, еще и поэтому через пятьдесят лет, в 1981 году на конференции, посвященной 50-летнему юбилею его гипотезы, он заявил:

«Я склоняюсь к тому, что монополя все-таки не существует. Прошло так много лет, а экспериментального подтверждения не получено».

Этот скепсис ученого был подавлен его же собственным авторитетом, общепризнанным после предсказания им существования новой элементарной частицы — «антиэлектрона, или электрона с положительным зарядом» — позитрона, открытого экспериментально в 1932 году. Так что нет ничего удивительного в том, что его гипотеза со временем превратилась для многих физиков в самое настоящее руководство к действию, а саму эту, пока еще гипотетическую частицу назвали «просто»: магнитный монополь Дирака. Монополь — потому что уже несколько веков было известно, что любой магнит представляет собой диполь, т.е. двухполюсник, и попытка разделить его на два однополюсника — монополь северный и монополь южный — заведомо обречена на неудачу (напомним: об этом писал де Марикур еще в 1269 году).

К словам Дирака о необходимости экспериментального подтверждения присоединим подобные высказывания других Великих мира сего. Роджер Бэкон: опытная наука — владычица умозрительных наук. Леонардо да Винчи (1452–1519): единственным критерием истины является опыт. Роберт Милликен (1868–1953), «взвесивший» электрон, в своей Нобелевской лекции сказал, что «наука шагает вперед на двух ногах — на теории и эксперименте. Наконец, самое решительное: существует лишь то, что можно измерить — Макс Планк (1858–1947), создатель квантовой физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1918 года.

Попробуйте возразить хотя бы одному из них. Можно, конечно, обойтись без критериев и опытов, объединив противоборствующие или просто не совпадающие точки зрения на возможность/невозможность существования магнитного монополя, сформулировав одну «дуальную» точку зрения, как это сделал J.S. Song в работе [3] — Theory of Magnetic Monopoles and Electric—Magnetic Duality:

«Несмотря на всю свою привлекательность, современная теория не требует существования магнитных монополей. Точно так же она не запрещает их существования».

«Мильон терзаний»

Ниже мы приведем лишь небольшую часть из большого числа проб и ошибок — многотрудных и многодневных, подчас многолетних попыток обнаружить то, что соответствовало бы «единственному критерию истины» (по да Винчи) — магнитный монополь. Редчайший случай в истории науки — почти столетие крупные силы ученых, вооруженных самой передовой для своего времени техникой, не в силах одолеть упрямство Природы, не желающей быть во всем симметричной, как это «нравится ученым». Это упрямство еще и подрывает основы Теории Великого Объединения, окончательное создание которой тоже с нетерпением ждет своего часа. Этот час непременно настанет, когда и как только появится убедительное сообщение о том, что магнитный монополь наконец-то обнаружен в эксперименте, а не на кончике пера ученых.

Попробуем проследить за ходом событий этого «мильона терзаний»^[3]. Дираковский Магнитный Монополь (далее ММ) — гипотетическая, во всяком случае, пока, элементарная частица, обладающая единичным магнитным зарядом. Его можно представить себе как каким-то образом изолированный полюс обычно двухполюсного магнита — магнитного диполя. ММ, появившись где-нибудь в нашей Вселенной, должен стать точечным источником статического радиального магнитного поля, подобно тому, как точечный электрический заряд (такой, например, как электрон или протон) создает статическое радиальное электрическое поле.

На Рис. 2(a) кроме кольцевых магнитных силовых линий видны незамкнутые «иголки ёжиков», торчащие в торцах магнита. Эти ёжики навели увлеченных идеей ММ на простую и, казалось бы, вполне здравую мысль: если создать стационарный магнит большой длины, то иголки ежиков не образуют замкнутой петли, и тогда… тогда будет, вернее, было, вот что: в свое время Поль Дирак уже предлагал подобный мысленный эксперимент — разнести на большое расстояние полюса магнита, чтобы их можно было рассматривать как два отдельных монополя. Но такие опыты — реальные, а не мысленные — проделаны уже многократно: наша Земля как раз и представляет собой естественный магнит вполне достаточной длины — около 12700 километров (радиус земного шара равен приблизительно 6350 километрам). Сообщений об утрате или хотя бы маломальском нарушении кольцевой природы этого гигантского магнита пока не поступало.

Не лишним будет напомнить, что еще в 1826 году французский ученый, «Ньютон от электричества» Анри Ампер (André-Marie Ampère, 1775–1836) объявил в своей Циркуляционной теореме о том, что магнитное поле носит циркулярный характер, в отличие от электрического поля, имеющего начало и конец. Рис. 2 иллюстрирует полное согласие с этой теоремой.

Первые попытки получить опытным путем какие-либо доказательства существования ММ датируются первой половиной ХХ века [4]:

«Эренхафт в 1910–1940 гг. проводил эксперименты по его [MM] поиску, но результаты этих опытов не вызвали доверия физиков и вскоре были забыты. Вторая волна экспериментальных работ поднялась в конце 50-х годов. Это было связано с бурным развитием ускорительной техники и методов регистрации частиц. Монополи искали в первичном и вторичном космическом излучении, метеоритах, земных и лунных породах, в глубоководных отложениях, а также в мишенях, облученных на ускорителях. Все эксперименты дали отрицательные результаты».

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.

С начала 1980-х годов поиски ММ проводились более интенсивно. 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 [5], авторы которой сообщали, что с помощью особых квантовых детекторов, работавших круглосуточно в течение пяти месяцев, удалось зафиксировать «единственное событие — кандидат, который вполне может оказаться Дираковским единичным магнитным зарядом». Именно так: может оказаться, так как по теоретическим оценкам самих авторов вероятность такого счастливого 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 лет это редкое событие так и не воспроизвелось, и обескураженная неудачами группа отказалась продолжать такую «бесперспективную» работу.

Новый вид энергии — магнетричество

Нам магнетричество сделать все сумеет,
Нам магнетричество тьму и мрак рассеет.
Парафраз шуточной песенки.

Новое, XXI столетие принесло новым поколениям ученых неведомый дотоле всплеск самых разных технических, технологических и теоретических достижений. Физики-«элементарщики» (область их интересов — элементарные частицы) получили фантастически богатую возможностями лабораторную аппаратуру, а физики-теоретики вместе с математиками, благодаря прогрессу в области вычислительной техники, получили современный инструмент для быстрой математической обработки огромных массивов экспериментальных данных, что, в частности, может (должно!) привести и к удаче в «поимке» неуловимого ММ. Так что затянувшаяся на многие годы пессимистическая трагедия с ее «тьмой в конце туннеля» постепенно перерастала в «оптимистическую», о чем с большим энтузиазмом сообщали многочисленные СМИ. Характерным примером такого журналистского оптимизма могут служить две статьи 2009 года [6a, b], речь в которых идет, правда, не о ММ Кюри или Дирака, а о синтетических частицах, причем, не существующих в свободном состоянии, а только будучи встроенными в так называемые спиновые льды. В статье [6a], опубликованной 14.10.2009 в еженедельнике NewScientist, сообщается о впервые наблюденном магнетричестве (‘Magnetricity‘ observed for first time) — магнитном «эквиваленте» электричества:

«Точно так же, как движение электронов порождает электрический ток, свободное движение отдельных северного и южного магнитных полюсов генерировало магнитный ток… этот результат может привести к созданию магнетроники с последующей разработкой наноразмерной компьютерной магнитной памяти».

Заметим: из псевдо-монополей, существующих только в среде, причем среде определенной, создать движение свободных северных либо южных монополей невозможно.

В статье [6b], опубликованной 19.10.2009, речь идет о том же, о магнетричестве:

«… и вот в сентябре физикам наконец удалось получить нечто, весьма похожее на магнитный монополь, а в октябре это нечто уже потекло, пусть пока ещё не по трубам, в закрома Родины — однако о перспективах практического использования магнитного тока теперь говорят всерьёз. “Мы пока делаем лишь первые шаги, но кто знает, в каком виде магнетричество будет использовано лет через сто” — говорят учёные».

ММ почти у нас в кармане, т.е. в кольце БАКа

БАК — Большой Адронный Коллайдер (LHC — Large Hadron Collider) — самый большой в мире ускоритель на встречных пучках адронов — протонов, нейтронов и более тяжелых сильновзаимодействующих частиц. Его строительство началось в 2001 году после завершения работы Большого электрон-позитронного коллайдера, на месте которого и построен БАК. 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.

Первая «проба пера» состоялась 10 сентября 2008 года, однако жестокий антинаучно-вредоносный закон первый блин комом не замедлил заявить о себе. Уже 19 сентября произошла авария, в результате которой БАК вышел из строя, причем поломка оказалась настолько серьезной, что ремонт занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года. На полную запроектированную мощность ускоритель заработал в 2012 году. Но за 2009–2012 годы, пока инженеры улучшали рабочие характеристики ускорителя, физики получили немало новых научных данных. Наиболее известным результатом стало одно из самых выдающихся в современной науке достижений: 4 июля 2012 года состоялась официальная регистрация открытия «частицы Бога» (или «чёртовой частицы») — Бозона Хиггса. За частицей охотились полстолетия, после того как Питер Хиггс постулировал ее в статьях, опубликованных в 1964 году. О важности этого открытия для физики свидетельствует тот факт, что всего через год с небольшим после подтверждения открытия — невиданный в истории науки случай — 8 октября 2013 года британцу Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру была присуждена Нобелевская премия по физике за теоретическое обоснование существования этого бозона.

Разумеется, упустить такую возможность — искать (и обнаружить!) ММ, рождающиеся в коллайдерном кольце, было бы непростительным проступком против научной части человечества. Плюс к тому, в самом конце 2011 года в кольце БАКа был установлен сверхчувствительный детектор MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC). Возникли многочисленные международные коллаборации с большим количеством участников, достигающим иногда нескольких сотен, — их так и называли: MoEDAL Collaboration — см., например, [7]. James Pinfold, руководитель проекта MoEDAL из университета Альберты в канадском Эдмонтоне, сообщил в 2018 году, 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 БАК 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 великое множество «монопольных» работ, выполненных на БАКе. Итог интенсивной работы десятилетия: даже с помощью суперсовременной аппаратуры ученым так и не удалось отыскать какие-либо следы естественных ММ. Так что ключевым словом заглавия этого параграфа остается слово почти. Зато появились обнадеживающие попытки синтеза искусственных монополей в современных физико-химических лабораториях [8].

Все это время СМИ держали руку на пульсе: БАК в очередной раз не смог раскрыть главную магнитную загадку Вселенной, сообщило 15 января 2018 года РИА Новости:

«Анализ данных, полученных на БАКе после его перезапуска, в очередной раз не позволил физикам найти следы магнитных монополей. И это несмотря на повышение чувствительности детекторов и удвоение мощности самого БАКа». В заключении статьи читаем: настоящих кандидатов не выявлено (имеются в виду, разумеется, кандидаты на «монопольность»).

Описанные выше неудачи, преследовавшие физиков не одно десятилетие, не смогли обескуражить многих из них — тех, в головах которых прочно поселилась твердая уверенность в том, что ММ должен существовать. Так, физик-теоретик Феликс Фликер (Dr. Felix Flicker, Cardiff University, UK) в лекции Why Magnetic Monopoles SHOULD Exist (Oct. 5, 2021) сказал:

«…за одной из частиц [магнитным монополем] физики охотятся, возможно, дольше, чем за любой другой… однако не следует недооценивать возможностей одержимых физиков».

Профессор Алан Теннант (Prof. Alan Tennant, European Physical Soc., Condensed Matter Division) сообщил о том, что «имеются убедительные теоретические аргументы, почему магнитные монополи должны существовать. Несмотря на то, что интенсивные поиски не дали результатов, магнитные монополи сыграли центральную роль в нашем понимании физики на высочайшем фундаментальном уровне».

Один из не слишком убедительных аргументов в пользу существования ММ основан на том, что симметрия родилась раньше нас. Интересно сравнить этот аргумент с названием и содержанием книги [9]: В начале было слово, и слово было… СИММЕТРИЯ. Если это действительно так, то возникшая при Большом Взрыве Вселенная должна была родиться абсолютно и во всем симметричной: материя антисимметрична антиматерии. То есть, если бы родился, например, единственный электрон с зарядом –1, непременно родился бы и один антиэлектрон (позитрон) с зарядом +1; или магнитный монополь с магнитным зарядом +1 — северный магнитный полюс — одновременно с южным полюсом с магнитным зарядом –1 (не очень понятно, впрочем, чем должен отличаться магнитный заряд +1 от заряда –1). Сопоставление же северного магнитного полюса с протоном, южного с электроном — или наоборот — напоминает сравнение сантиметра с миллилитром.

БАК — не единственный современный инструмент для поисков ММ

2 февраля 2022 года в журнале Phys. Rev. Lett. была опубликована статья [10] 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 (скорости, соответственно, 0.750 с и 0.995 с, здесь с — скорость света в вакууме) 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».

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 [11].

«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, и компас в его сторону указывать не будет. Холл добавляет, что «сегодня «охота» на Дираковский монополь не заканчивается. Есть надежда, что их открытие вдохновит сотрудников ЦЕРН на проведение эксперимента в Большом адронном коллайдере. И тогда, возможно, удастся обнаружить и естественные монополи или, по крайней мере, понять, где во Вселенной их следует искать».

Монополь монополю рознь

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 Иванов, разразившийся в том же 2014 году критической статьей [12], один из параграфов которой называется Монополь монополю рознь. Приведем цитатно некоторые соображения автора на эту магнито-монопольную тему:

«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. Более того, можно сказать, что это еще более ненастоящий магнитный монополь, чем объекты в предыдущих примерах. Если те примеры относились, по крайней мере, к реальному магнетизму, то этот — к так называемому синтетическому магнитному полю. И это необычное понятие уже само по себе требует пояснения».

«Синтетическое магнитное поле — это такое “нечто”, которое подчиняется тем же формулам, что и настоящее магнитное поле, пусть даже оно к магнетизму не имеет отношения. Это некий математический мостик, который связывает две разные физические системы… мы можем создавать какие-то необычные магнитные ситуации, которые в случае настоящего магнетизма получать затруднительно. Если полученный в этой работе синтетический магнитный монополь настолько далек от реального, так давно искомого монополя Дирака, то почему авторы статьи усиленно подчеркивают связь между их объектом и Дираковским монополем? Разгадка кроется в формулах».

Действительно, не стоит забывать, что математика с ее формулами была, есть и, по-видимому, долго еще будет царицей всех наук. Хотя бы потому, что «в каждой естественной науке столько истины, сколько в ней математики» (Иммануил Кант).

Сизифов монополь

С чисто математической точки зрения система уравнений Максвелла представляет собой самую настоящую лемму, из которой можно вывести множество теорем. Одна из них практически сформулирована в самой лемме, причем предельно лаконично: ММ в нашей Вселенной отсутствует — см. стр. 4. С другой стороны, больших достижений науки, особенно современной физико-теоретической, никто не рискнет оспаривать — она, как это давно и хорошо известно, умеет много гитик^[4], очень много. Так что теоретики довольно быстро нашли возможность обойти эту «гору» — как сказано, «умный в гору не пойдет, умный гору обойдет». Сказано — сделано, и система уравнений Максвелла была так замечательно преобразована, что ММ вообще улетучился из нее, после чего экспериментаторы бросились пахать и перепахивать эту плодородную ниву, которая сулила, в случае благоприятных «погодных условий», богатейший из урожаев. И вплоть до настоящего времени многие из них «не сходят с дистанции» — см., например, работы [7, 8, 10] и списки литературы в них. В наше быстротекущее время промедление в науке, особенно в таких многоконкурентных (зато многообещающих) условиях, научной смерти подобно: publish or perish — публикуйся или исчезни.

В случае действительно «благоприятной погоды», если этот пока неуловимый ММ будет пойман, нужно будет проверить его действие, например, на движущийся в его поле электрический заряд. Выяснить, какое поле создает эта частица — привычное циркулярное магнитное или же какое-нибудь другое, нам пока неведомое. Во втором случае можно и нужно будет назвать эту частицу иным, не магнитным именем, например, странный (или даже коварный) монополь, монополь-фантом, но никак не магнитный монополь Дирака. Если же обнаружить ее не удастся еще с десяток-другой лет, но и не получится доказать теорему несуществования, в самый раз можно будет повесить на это иллюзорное нечто ярлык Сизифов монополь. Возможно — временно. 

Заключение

В одну телегу впрячь не можно коня
и трепетную лань. А.С. Пушкин. Полтава. 

За сто с лишним лет физических исследований огромное количество экспериментов с участием магнитного поля подтвердили справедливость Циркуляционной теоремы Анри Ампера (см. стр. 8) — магнитное поле действительно носит циркулярный характер, причем независимо от источника поля — будь то магнитная «палочка» (Рис. 2(a)), т.е. явный диполь; соленоид, по виткам которого протекает постоянный ток, или линейный провод с постоянным током. Если в такое циркулярное магнитное поле каким-то образом попадет магнитный монополь с его радиальным полем, то вектор напряженности такого гибридного поля должен представлять собой не известный (пока?) ни векторной алгебре, ни физике полярно-аксиальный «дуальный вектор». Но именно против этой гибридности, вот уже полтора столетия не отступая ни шагу назад, короткое уравнение Максвелла div H = 0^[5] утверждает: нет и не может существовать магнитных зарядов. Вообще-то гибриды из несочетаемых сущностей — явление крайне редкое: нельзя же, сложив, например, скорость с ускорением или килограмм с километром, получить в сумме нечто удобоваримо-определенное. Правда, у Человека такие гибриды иногда все же составляют нечто вполне определенное, хотя и — нередко — недолговечное: пушкинский Мазепа, подумавший с горьким сожалением о том, что «в одну телегу впрячь не можно…», был по-своему прав.

Из всего вышеизложенного следует, что магнитный монополь не может быть «открыт экспериментально», поскольку еще полтора столетия назад он был надежно «закрыт теоретически» системой уравнений Максвелла (см. стр. 4). Тем не менее, несмотря на то что на февраль 2023 года не поступило ни одного надежного сообщения об обнаружении или о сотворении хотя бы одного-единственного магнитного монополя, автор не может отказать себе в праве на сомнения, которые «чужды только гениям». К тому же нельзя недооценивать возможностей людей Науки. И да поможет Им Бог!  

Post Scriptum

Per aspera ad astra

Трудно поверить в то, что упорные поиски магнитных монополей — всего лишь нежелание Человека отступиться в борьбе с Госпожой Природой и Ее чудны́м «законом», кратко сформулированным А.П. Чеховым: этого не может быть, потому что этого не может быть никогда! Неужели такие колоссальные человеческие ресурсы обречены на самый настоящий коллективный сизифов труд? Кто и за что мог так наказать Человека, всего лишь жаждущего удовлетворить свое любопытство?

Несмотря на описанное здесь, причем далеко не полно, «хождение по мукам», к счастью — творческим, нельзя сказать, что поиски магнитного монополя закончились ничем, полностью безрезультатно. Как показывает многолетний опыт самых разных исследований и поисков, все эти бессонные ночи, надежды и разочарования, многочасовые дискуссии и раздумья в одиночестве не проходят даром. Во-первых, «отрицательный результат — тоже результат». Иногда он оказывается важнее искомого. Во-вторых, полученные за время поисков знания о природе вещей часто не только с лихвой «окупают» затраченные силы и средства, но время от времени дарят миру то бесценно новое, которое без этих затрат вообще не могло быть получено или получено значительно позже. Пока исследователь осозна̜́ет, что взялся за неразрешимую задачу, он может узнать или даже открыть многое и важное, нужное не только ему самому или «какому-нибудь Джону из Пенсильвании», но еще и всему человечеству. И кроме того, возможно, что не так уж неправ был Альбер Камю, когда написал, что одной борьбы за вершину достаточно, чтобы заполнить сердце человека. Может статься, что именно так, через тернии к звездам, прокладывается бесконечная кремнистая Дорога Жизни. 

Примечания

[1] Еще известно, что способности этого изобретательного экспериментатора высоко ценил его современник, английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (1220–1292).

[2][2a] — Статья: P.A.M. Dirac, Proc. Roy. Soc., A 133, 60 (1931); [2b] — МОНОПОЛЬ ДИРАКА. Сборник статей (перевод с английского). Издательство «МИР», Москва, 1970.

[3] Мильон терзаний — критический этюд И.А. Гончарова, посвященный комедии А.С. Грибоедова «Горе от ума».

[4] Наука умеет много гитик — иронично-шутливая фраза, ставшая крылатой пословицей. Изначально предназначалась для заковыристого карточного фокуса, основанного на «двоичной системе»: каждая буква повторяется в ней дважды. Не обратив внимания на эту «двоичность», разгадать фокус невозможно. Иногда эта фраза ошибочно передается как Наука имеет много гитик.

[5] div — дивергенция, т.е. расходимость (см. Рис. 2b), H — вектор напряженности магнитного поля.

Литература

1. 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.
2. a) Dirac P. A. M. Proc. Roy. Soc., A133, 60 (1931). Quantised singularities in the electromagnetic field.
   b) Монополь ДИРАКА. Сборник статей (на русском языке). Издательство МИР, Москва (1970).
3. Song J. S. Theory of Magnetic Monopoles and Electric-Magnetic Duality. J. Undergrad. Sci. 3: 47-55 (1996).
4. 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).
5. Cabrera Blas. First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles. Phys. Rev. Lett. 48, 20, 1378 (1982).
6. a) ‘Magnetricity’ observed for first time. NewScientist (14.10.2009). https://www.newscientist.com/article/dn17983-magnetricity-observed-for-first-time/
   b) Магнитный монополь делает первые шаги (по материалам мембрана.ру): https://alt.livejournal.com/91513.html (19.10.2009).
7. Acharya B. et al. Search for Magnetic Monopoles with the MoEDAL Detector. Phys. Lett. B 782, 510 (2018).
8. Acharya B. et al. Search for magnetic monopoles produced via the Schwinger mechanism. Nature 602, 63 — 67 (2022).
9. Резник Л. В начале было слово, и слово было… СИММЕТРИЯ. Новосибирск: Издательство Сибирского отделения РАН (2015).
10. Abbasi R. et al.Search for Relativistic Magnetic Monopoles with Eight Years of IceCube Data. Phys. Rev. Lett. 128, 051101 (2022).
11. 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).
12. 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).