Az olyan elektromágneses terek, amelyeket pozitív és negatív elektromos töltések generálnának, nyugalmi állapotban és mozgásban (felül), valamint azok, amelyeket elméletileg a mágneses monopólok (alsó rész) hoznának létre, ha léteznek. (A WIKIMEDIA KÖZÖS FELHASZNÁLÓI MASCHEN)

Az univerzum egyetlen mágneses monopóliumának kitartó rejtélye

A tudományos felfedezés gyakran akkor történik, amikor a legkevésbé számíthat rá. De senki sem számíthatott erre.

Képzelje el, hogy tudós vagy, és egy végtaggal megy végbe, hogy olyan kísérletet tervezzen és készítsen, amelyben mindenki elvár, hogy teljesen semmit sem fog látni. A fizikába feküdt be a szélén: a valószínűtlen, de elméletileg nem lehetetlen részecske jeleit keresi, amelyet még soha nem láttak. Néhány tudós sok évtizeden keresztül feltételezte, hogy ilyen részecske létezhet, ám létezésének közvetlen - és közvetett - próbálkozása üres.

Egy hétvégén elkészíti hosszú ideje tartó kísérletét, és úgy dönt, hogy nem érkezik a laboratóriumba azon a vasárnap. Hétfőn való visszatéréskor észreveszi, hogy elképzelhetetlen: az érzékelője jelet regisztrált, amellyel valaha látta. Az első (és csak) alkalommal bizonyítékot látott egy vadonatúj részecskére vonatkozóan. Ez nem csak egy álom forgatókönyv; valójában ez történt vissza a Valentin-nap 1982-ben.

Mágneses mező vonalak, amint azt egy oszlopmágnes szemlélteti: egy mágneses dipólus, az északi és a déli pólus kötésével. Ezek az állandó mágnesek továbbra is mágnesezve maradnak, még a külső mágneses mezők eltávolítása után is. (NEWTON HENRY FEKETE, HARVEY N. DAVIS (1913) GYAKORLATI FIZIKA)

Az elektromágnesesség tudományában kétféle töltés van: pozitív és negatív. Ezek az alapvető töltések csak elektromos jellegűek, nem tartalmaznak belső mágneses töltést. Bizonyára van északi és déli mágneses pólusa, de soha nem lehet egymás nélkül. Az a tény, hogy az elektromágnesesség nem szimmetrikus elmélet - hogy vannak elektromos töltések, de nem mágnesesek - alapvető igazság természetvédelmi törvényeinkben.

Ezért a mágneses terek létrehozásának egyetlen módja az, hogy mozgó elektromos töltések legyenek: elektromos áramok. Ezeket az áramokat atom- vagy molekuláris szinten lehet létrehozni, amikor az egyes elektronok keringnek sokkal nagyobb, makroszkopikus struktúrán belül. Még az ismert mágnesek sem választhatják el az északi vagy a déli pólusokat; csak párhuzamosan létezhetnek.

A mágneses húrok speciális laboratóriumi körülmények között hozhatók létre, ahol a húrok két vége, az északi és a déli pólusnak felel meg, rendkívül nagy távolságokkal elválasztható egymástól. Ha az egyik pólt viszonylag elszigetelten tartjuk a többitől, akkor képezhet egy olyan négyrétegű részecskét, amely mágneses monopol analógként szolgál. (D. J. P. MORRIS et al. (2009), SCIENCE VOL. 326., 5951, PP. 411–414)

A természetben az északi és a déli pólus együttes megtalálása a mágnesesség vitathatatlan tulajdonsága. Mágnesek léteznek, de csak mágneses dipólok formájában. Nincs olyan dolog, mint egy északi vagy déli mágneses pólus: önmagában egy mágneses monopólium. Ha szeretnénk létrehozni egyet, akkor csak két módon lehet megtenni. (És az első módszer egy kicsit csalás.)

1.) Készíthetünk kvaszartikulumokat, amelyek hasonlítanak a mágneses monopólusokra. A sűrített anyag fizika bizonyos alkalmazásaiban mágneses húrokat lehet létrehozni, amelyekben hosszú, vékony mágneseket hoznak létre egy rácson, lehetővé téve az északi és déli pólusok nagy távolságok közötti elválasztását. Ha elég nagy távolságokkal tud elválasztani egymástól, akkor a rendszerre nézve úgy tűnik, hogy csak egy pólus létezik. A másik pólus azonban még mindig ott van; csak jól el van választva és el van választva a mérőoszloptól.

Lehetséges különféle egyenleteket felvenni, például Maxwell-egyenletekkel, amelyek leírják az Univerzumot. Különféle módokon írhatjuk le őket, de csak azáltal, hogy összehasonlítják előrejelzéseiket fizikai megfigyelésekkel, bármilyen következtetést vonhatunk le érvényességükről. Ez az oka annak, hogy a Maxwell-egyenletek mágneses monopóliumokkal (jobbra) szereplő verziója nem felel meg a valóságnak, míg a (bal) nélküli verziója (ED MURDOCK)

2.) Módosíthatjuk az elektromágnesesség elméletét, hogy magában foglalja a mágneses monopolekat is. Szó szerint ez egy elméleti koncepció: változtassa meg az ismert fizikai törvényeket, hogy lehetővé váljon egy új típusú anyag létrehozása. A módosítás egyszerű: az elektromos töltés helyett feltételezzük, hogy egy új típusú töltés - mágneses töltés is létezik. Ha ezt hozzáadjuk az elméletünknek, az összes elektromágnesesség szimmetrikus lesz.

  • Az elektromos töltések pozitív és negatív változatban léteznek; a mágneses töltések északi és déli változatban léteznek.
  • A mozgó elektromos töltések mágneses teret generálnak; a mozgó mágneses töltések elektromos mezőket generálnak.
  • A mágneses mezők megváltozása az elektromos töltések mozgását okozza; az elektromos mezők megváltoztatása mágneses töltések mozgását okozza.

Ezt először Dirac vetette körül az 1930-as években, de senki sem vette komolyan a bizonyítékok hiánya miatt.

Az egyesítés gondolata szerint a standard modell mindhárom erő, és talán még a magasabb energiák gravitációja is egységes keretben van. Ez az ötlet hatalmas, sok kutatáshoz vezetett, de teljesen bizonyított sejtés. Ennek ellenére sok fizikus meg van győződve arról, hogy ez a természet megértésének fontos megközelítése, és érdekes, általános és tesztelhető előrejelzésekhez vezetett. (© ABCC AUSTRALIA 2015 NEW-PHYSICS.COM)

Az 1970-es években viszont megújult az érdeklődés az olyan elméletek iránt, amelyek szimmetrikusabbak voltak, mint az a világegyetem, amelyet ma ismertünk és megfigyeltünk. A nagy egyesülési elméletek jöttek létre a divatban, mivel az elektromos áramcsökkentés sokan arra késztették a feltevést, hogy talán még magasabb energiáknál további típusú egyesülések is létezhetnek.

Ha az erők és az interakciók a múltban egységesebbek lennének, az új fizika létezését vonná maga után, ami jelenleg a standard modellben ismert. Ha megszerezzük ezeket a szimmetriákat, hogy megkapjuk az alacsony energiájú univerzumot, akkor a további mezők és új, hatalmas részecskék jósolhatók meg. Számos inkarnációban a mágneses monopolok (a 't Hooft / Polyakov fajta) ezek az új jóslatok.

A mágneses monopólus fogalma, amely ugyanúgy bocsát ki mágneses mező vonalakat, mint egy izolált elektromos töltés elektromos mező vonalakat bocsát ki. A mágneses dipolokkal ellentétben csak egyetlen, elkülönített forrás létezik. (A BPS ÁLLAPOT AZ OMEGA HÁTTÉRBEN ÉS INTEGRÁTHATÓSÁGÁBAN ÁLLAPOT - BULYCHEVA, KSENIYA ÉS AL. JHEP 1210 (2012) 116)

Ha van egy érdekes, vonzó elméleti előrejelzése, meg akarja találni a módját annak kipróbálására. Ha voltak mágneses monopóliumok, amelyek áthatolják az Univerzumot, akkor eshetünk rá, hogy egyiket észleljük, ha az huzalhurokon halad át. Ha egy mágnest átvezetünk egy vezető hurkon, akkor egy jelet regisztrálunk: egy adott nagyságú pozitív egy, amikor az első pólus áthalad rajta, majd egy ugyanolyan nagyságrendű negatív, amikor a második pólus áthalad.

Ha a mágneses monopóliumok valósak, akkor olyan jelet kapsz, amelynek csak egy iránya volt: pozitív vagy negatív, és ezt nem sikerült visszatérni a nulla alapvonalhoz. Az 1970-es évek során néhány kutató éppen ilyen típusú kísérletet tervezett és épített. A leghíresebbet messze Blas Cabrera fizikus készítette.

Noha a mágneses monopóliumokat kereső eredeti kísérletek primitívek voltak, összehasonlítva az olyan detektorokkal, mint az IceCube vagy az LHC MoEDAL, amelyek ugyancsak egzotikus részecskék, például mágneses monopólok detektálására készültek, sok alapvető tervezési elem univerzális. (CERN / MOZDÁLIS EGYÜTTMŰKÖDÉS)

Cabrera úgy tervezte meg kísérletét, hogy hideg, kriogén hőmérsékleten működjön, és nemcsak egy huzalból hurkot készített, hanem egy nyolc hurkot tartalmazó tekercset is. A tekercset úgy tervezték és optimalizálták, hogy mérje a mágneses fluxust, tehát ha egy magneton monopóliuma (a kvantált mágnesesség elméleti egysége) áthaladna rajta, pontosan 8 magnetont jelez.

Ha viszont áthaladt volna egy dipólusmágnesen, akkor +8 jelet kap, majd ezt követi -8 (vagy -8, majd +8), tehát megkülönböztetheti a monopolt és a dipolt. . Ha a jel 8 magnetontól (vagy 8-szorostól) eltérő, akkor tudta, hogy nem látott mágneses monopolekat.

Az 1982. február 14-i esemény előtt a Cabrera detektorában csak 2 magnetont regisztráltak. A 8 magnetont érintő esemény példátlan volt, és összhangban volt a rajta áthaladó előrejelzett (Dirac) töltés mágneses monopóliumával. (CABRERA B. (1982). ELSŐ EREDMÉNYEK Mágneses monopólok mozgatására szolgáló szupervezető detektorból, fizikai áttekintő levelek, 48 (20) 1378–1381)

Tehát felépítette ezt az eszközt és várt. A készülék nem volt tökéletes, és alkalmanként az egyik hurok jelet küldött, hamis pozitív +1 vagy -1 magnetont adva. Még ritkábban is két hurok jelet küldött egyszerre, +2 vagy -2 hamis jelet adva. Ne felejtse el, hogy 8 (pontosan 8) jelre van szüksége ahhoz, hogy mágneses monopólium legyen.

A készülék soha nem észlelt három vagy annál többet.

Ez a kísérlet néhány hónapig zajlott sikertelenül, végül napi néhányszor ellenőrizték. 1982 februárjában a Valentin nap vasárnap esett vissza, és Cabrera nem került a laborba. Amikor 15-én visszatért az irodába, meglepő módon azt találta, hogy a számítógép és az eszköz pontosan 8 magnetont rögzített, csak félénk, 1982 február 14-én 14:00 óráig.

1982-ben egy kísérlet, amely Blas Cabrera vezetésével zajlott, egy nyolc huzalfordulattal, nyolc magneton fluxusváltozását észlelte: egy mágneses monopólium jelzéseit. Sajnos senki sem volt jelen a felderítés idején, és még senki sem reprodukálta ezt az eredményt, vagy nem talált második monopolt. (CABRERA B. (1982). ELSŐ EREDMÉNYEK Mágneses monopólok mozgatására szolgáló szupervezető detektorból, fizikai áttekintő levelek, 48 (20) 1378–1381)

A felfedezés a közösségen keresztül felrepedt, óriási érdeklődést váltott ki. Hatalmas eszközöket építettek nagyobb felülettel és több hurokkal, sok új csoport csatlakozott a mágneses monopólok kereséséhez. Az erőforrások jelentős befektetése ellenére soha nem láttak még egy monopolt. Stephen Weinberg, a híres Nobel-díjas és a standard modell fejlesztője a következő Valentin-napon verset írt Cabrera-nak:

A rózsák pirosak,
Az ibolyák kékek,
Itt az ideje a monopóliumnak
második!

A monopólus soha nem jött. 37 évvel az első (és egyetlen) kimutatás után a mágneses monopólok keresését nagymértékben elhagyták, az Antarktisz IceCube kísérletével a legszigorúbb határértékekkel.

Kísérleti korlátok a mágneses monopolok létezésére. A diagram legalacsonyabb sora a legszigorúbb határértéket képviseli, és az IceCube kísérletből származik. A 37 éven belül keresett második mágneses monopoltot soha nem találtak. (KATZ, U.F. ET AL. PROG.PART.NUCL.PHYS. 67 (2012) 651–704)

Soha nem tudhatjuk, mi történt az érzékelő belsejében vissza az 1982-es Valentin-napon. Valóban volt-e egy mágneses monopólium, amely áthaladt rajta, ahol elég szerencsések voltunk megtalálni, de soha nem láttunk újat? Soha nem látott hiba volt a berendezésben? A legszokatlanabb kozmikus sugár, amely eddig megmagyarázhatatlan tulajdonságokkal rendelkezik? Vagy talán egy tréfa, amelyet egy diák, rivális vagy hivatásos szabotázs játszik?

A kísérleti tudományban a legfontosabb dolog az, hogy megismételjük az eredményeket, és a második monopólus észlelése soha nem történt meg. Akár olyan szép, mint egy szimmetrikus világegyetem, ez egyszerűen nem tűnik úgy, mint a mi világegyetem. Senki sem tudja, mi történt azzal, hogy becsapjon bennünket arra gondolva, hogy egy mágneses monopolt észlelünk, ám ismételt megerősítés nélkül nincs más választásunk, mint arra következtetni, hogy nem volt igazi. A mágneses monopóliumok, amennyire meg tudjuk mondani, nem léteznek.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.