Российские учёные бросают вызов вековой загадке магнитного заряда

Уже почти сто лет физики пытаются найти монополи — гипотетические частицы с магнитным зарядом, которые могли бы перевернуть наше представление о мире. Ищут их повсюду: и на Земле, и в космосе.

И тут российские учёные из Нижегородского университета (ННГУ) предлагают свежую идею: искать их не абы где, а в самых мощных магнитах Вселенной — магнитарах (или магнетарах, кому как нравится).

Что такое монополи и зачем их ищут?

Давайте разберёмся, что это за частицы такие. Магнитные монополи — гипотетические частицы, которые не должны быть диполями, то есть с «севером» и «югом» на одном объекте. Если монополь существует, то он, по сути, один из полюсов, и у него только один магнитный заряд: северный или южный.

Это странно звучит, но такой магнит — не пара, а один, и он мог бы стать частью общей картины симметрии в природе. Считается, что эти монополи могли бы добавить баланс и завершить уравнения Максвелла.

Тут стоит немного остановиться на этих самых уравнениях. Всего их четыре, и они описывают, как взаимодействуют электрические и магнитные поля. Фактически, они объясняют, как свет, радио, рентгеновские и другие электромагнитные волны могут существовать и распространяться в пространстве.

Каждое из уравнений отвечает за отдельную сторону этих взаимодействий. Если совсем просто, то они описывают следующее:

• Как заряды создают электрическое поле. Например, если взять обычную батарейку, то положительный заряд на одном конце будет создавать электрическое поле, которое тянется к отрицательному заряду на другом конце.
• Как магнитные поля создаются токами (движением зарядов) и меняющимися электрическими полями. Это объясняет, почему вокруг проводов с током, например в электроприборах, появляется магнитное поле.
• Как замкнуты магнитные поля. В отличие от электрических, магнитные поля не имеют начала или конца, поэтому у обычных магнитов всегда есть два полюса — северный и южный. Это одно из самых сложных понятий, потому что пока что невозможно найти магнит с одним полюсом, и уравнения Максвелла как раз это подтверждают.
• Как меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле и наоборот. Это объясняет работу генераторов и трансформаторов — благодаря изменению полей, они создают электричество и позволяют его передавать.

Теперь, что касается магнитных монополей. Если бы такие частицы существовали, это изменило бы третье уравнение: тогда магнитное поле могло бы иметь начало или конец, как электрическое.

Так что монополи стали бы ключом к изменению или даже «завершению» — уравнений Максвелла и показали, что природа ещё более разнообразна, чем мы можем себе представить!

И это перевернёт наше понимание физики. Монополи могли бы объяснить целый ряд вещей — от того, как работают на разных уровнях поля, до таких вопросов, которые мы ещё даже не задавали.

Кстати, в 1982 году физик Блас Кабрера вдруг стал героем забавной истории: в его лаборатории, где уже несколько месяцев искали монополи, случилось чудо — детектор зафиксировал нужный сигнал ровно на День святого Валентина.

Только вот, как назло, это произошло тогда, когда учёного даже рядом не было — он отмечал праздник. А прибор показал ровно восемь магнетонов — именно столько, сколько предсказала теория для одного монополя.

На следующий день, Кабрер увидел запись и был потрясён. Новость всколыхнула физиков по всему миру, а коллега Стивен Вайнберг спустя год в ожидании «монополя номер два» даже написал Кабрере шуточный стишок.

Однако ни сам Кабрера, ни другие физики так и не смогли поймать ещё один сигнал. Было ли это случайностью, или всё же на мгновение мы столкнулись с единственным известным монополем? Ответа пока нет.

И понятно, почему так много учёных гоняются за этими частицами: ведь их наличие закроет многие пробелы в нашем представление о Вселенной.

Самые мощные магниты во Вселенной

Но что это за магнитары, на которых наши учёные собираются искать монополи? Представьте себе звезду, в которой после взрыва суперновой остаётся невероятно плотное ядро — нейтронная звезда.

Это крошечное, но суперплотное тело, масса которого сопоставима с массой нашего Солнца, но размер — всего несколько километров.

Некоторые из нейтронных звёзд становятся магнитарами, потому что их магнитное поле в миллиарды раз мощнее, чем любое магнитное поле на Земле.

Магнитары настолько мощные, что способны «скручивать» пространство вокруг себя. А магнитное поле у них настолько сильное, что может достигать 10^11 тесла (для сравнения, у обычного бытового магнита — около 0,01 тесла).

И вот в этих монструозных полях, по идее, и могут рождаться монополи, потому что чем сильнее магнитное поле, тем больше шансов на рождение частиц с ненулевым магнитным зарядом.

Слышите шум?

Радиофизики из ННГУ рассуждают так: если монополи действительно рождаются в таких мощных магнитных полях, они могут оставить след — шум, который, в свою очередь, зафиксируют современные телескопы и обсерватории. Тут можно провести простейшую аналогию со стаканом кипятка в озере.

Вроде бы такое крошечное изменение, но если хорошо присмотреться, можно заметить разницу температур.

Здесь похожий принцип: монополи, если их рождение и происходит, могут немного ослаблять магнитное поле и замедлять вращение звезды, что создаёт слабые, но характерные шумы.

Авторы исследования предполагают, что если эти частицы действительно рождаются, то это будет происходить массово, и этот шум будет заметен. В результате учёные смогут зафиксировать такие события, пока наблюдают за изменениями в магнитном поле и скорости вращения магнитаров.

От теории к эксперименту

Чтобы проверить всю гипотезу, необходимо провести эксперимент. Сейчас исследователи описали, какой спектр изменений они ожидают увидеть, и это может помочь обсерваториям, которые оснащены соответствующей аппаратурой, заметить даже малейшие отклонения.

В этом и кроется вся сложность задачи: мы ищем крошечные изменения на расстоянии многих световых лет. И если учёные смогут обнаружить такие изменения, это станет большим достижением для физики.

Также стоит помнить, что в поисках монополей учёные опираются на теории, которые до конца не доказаны, так что любой результат, будь он «за» или «против», — всё равно ценные данные. Если удастся уловить хоть малейшие сигналы, то учёные получат, возможно, доказательства, а может, и новое представление о физике частиц.

А если гипотеза опровергнется? Ну, отрицательный результат — тоже результат. Ведь, даже если учёные не найдут монополи, они узнают больше о магнитарах, нейтронных звёздах и мощнейших магнитных полях.

Кто знает, возможно, эти исследования приведут нас к открытиям, которые сделают более понятным тот космический хаос, что мы наблюдаем вокруг.

Так или иначе, идея ННГУ — новая страница в науке, а может, и начало большой главы, где магнетизм и частицы обретут новые значения.

«Так а что с этого мне?» — мог бы подумать любопытный читатель. Вроде бы всё это про какие-то там монополи и магнитные поля, которые и не замечаешь, если не посмотришь в нужную сторону. А вот и нет!

Всё, что мы изучаем в космосе, рано или поздно находит применение и на Земле. После того, как учёные сумеют разгадать эту тайну, они смогут не только расширить наши знания о Вселенной, но и создать новые технологии, которые могут изменить нашу жизнь.

Так что, зачем сидеть на месте, если можно сделать шаг в будущее?