Elektromagnetska polja, onako kako bi se stvarala pozitivnim i negativnim električnim nabojima, u mirovanju i kretanju (gore), kao i ona koja bi teoretski stvorila magnetski monopol (dno), da postoje. (WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

Trajna misterija otkrivanja jedinog magnetskog monopola svemira

Znanstveno otkriće se često događa kada to najmanje očekujete. Ali nitko to nije mogao očekivati.

Zamislite da ste znanstvenik, koji izlazi u ud kako bi dizajnirao i napravio eksperiment za koji svi očekuju da neće vidjeti apsolutno ništa. Uloženi ste u fiziku uz rubove: tražite znak malo vjerojatne, ali teoretski nemoguće čestice koja nikad prije nije viđena. Nekoliko znanstvenika nagađalo je tijekom mnogih desetljeća da takva čestica može postojati, ali svi pokušaji otkrivanja njezina postojanja - i izravni i neizravni - postali su prazni.

Jednog vikenda, postavili ste svoj dugotrajni eksperiment i odlučili da ne dođete u laboratorij te nedjelje. Kad se vratite u ponedjeljak, ustanovit ćete da se dogodilo nezamislivo: vaš detektor registrirao je signal za razliku od svih koje ste ikada prije vidjeli. Prvi put (i jedini) vidjeli ste dokaze za potpuno novu česticu. Ovo nije samo scenarij sna; to se, zbilja, dogodilo na Valentinovo 1982. godine.

Linije magnetskog polja, kako je prikazano pomoću magnetne trake: magnetski dipol, sa sjevernim i južnim polom povezanim zajedno. Ti stalni magneti ostaju magnetizirani čak i nakon što se oduzmu bilo koja vanjska magnetska polja. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913.) PRAKTIČNA FIZIKA)

U znanosti o elektromagnetizmu imate dvije vrste naboja: pozitivno i negativno. Ti su osnovni naboji samo u prirodi električni i nemaju svojstveni magnetski naboj. Naravno, možete imati sjeverni i južni magnetski stup, ali nikad jedan bez drugog. Činjenica da elektromagnetizam nije simetrična teorija - da postoje električni naboji, ali ne i magnetski - temeljna je istina naših zakona prirode.

Jedini način na koji možemo generirati magnetska polja jest imati pokretna električna naboja: električne struje. Ove se struje mogu generirati dolje na atomskoj ili molekularnoj razini, kao što pojedini elektroni orbiraju unutar mnogo većih, makroskopskih struktura. Čak ni trajni magneti za koje znate ne mogu odvojiti sjeverni ili južni pol; mogu postojati samo u tandemu.

Magnetski žice se mogu stvoriti u specifičnim laboratorijskim uvjetima, gdje se dva kraja žice, koja odgovaraju sjevernom i južnom polu, mogu dobro razdvojiti na ekstremno velikim udaljenostima. Ako se jedan pol drži relativno izoliranim od ostatka, može se stvoriti kvazi čestica koja služi kao analog magnetskog monopola. (D. J. P. MORRIS ET AL. (2009), SCIENCE VOL. 326, 5951, PP. 411–414)

U prirodi, pronalaženje sjevernog i južnog pola zajedno je neponovljivo svojstvo magnetizma. Magneti postoje, ali samo u obliku magnetskih dipola. Ne postoje takve stvari poput sjevernog ili južnog magnetskog pola po sebi: magnetski monopol. Ako smo ga htjeli stvoriti, postoje samo dva načina. (A prvi način uključuje malo varanja.)

1.) Možemo stvoriti kvazičestice koje nalikuju magnetskim monopolima. U određenim primjenama fizike kondenzirane materije moguće je stvoriti magnetske žice gdje se dugi, tanki magneti stvaraju na rešetki, omogućujući vam odvajanje sjevernog i južnog pola na velikim udaljenostima. Ako ih možete razdvojiti na dovoljno velikim udaljenostima, kad pogledate svoj sustav, pokazat će da postoji samo jedan pol. Drugi je pol, međutim, još uvijek tu; jednostavno je dobro odvojen i izoliran od pola koji mjeriš.

Moguće je napisati različite jednadžbe, poput Maxwell-ove jednadžbe, koje opisuju Svemir. Možemo ih zapisati na različite načine, ali samo usporedbom njihovih predviđanja s fizičkim opažanjima možemo izvući bilo kakav zaključak o njihovoj valjanosti. Zbog toga verzija Maxwell-ove jednadžbe s magnetskim monopolima (desno) ne odgovara stvarnosti, dok inačica bez (lijevo). (ED MURDOCK)

2.) Mogli bismo izmijeniti teoriju elektromagnetizma tako da uključuje magnetske monopole. Ovo je doslovno teoretska koncepcija: promijeniti poznate zakone fizike kako bi se omogućilo stvaranje nove vrste materije. Modifikacija je jednostavna: umjesto samo električnog naboja, postavite hipotezu da postoji i nova vrsta naboja - magnetski naboj. Ako tome dodate svoju teoriju, sav elektromagnetizam postaje simetričan.

  • Električni naboji postoje u pozitivnoj i negativnoj verziji; magnetski naboji postoje u sjevernoj i južnoj verziji.
  • Kretanje električnih naboja generira magnetska polja; pokretni magnetski naboji generiraju električna polja.
  • Promjena magnetskog polja uzrokuje pomicanje električnih naboja; sada promjena električnih polja uzrokovat će pomicanje magnetskih naboja.

O tome se Dirac prvi put poigrao u 1930-ima, ali nitko ga nije shvatio ozbiljno zbog nedostatka dokaza.

Ideja o ujedinjenju drži da su sve tri sile standardnog modela, a možda čak i gravitacija pri višim energijama, ujedinjene u jedan okvir. Ova ideja je moćna, dovela je do velikog broja istraživanja, ali je potpuno neprovjerena pretpostavka. Ipak, mnogi fizičari uvjereni su da je ovo važan pristup razumijevanju prirode i da je to dovelo do zanimljivih, općih i ispitivačkih predviđanja. (© ABCC AUSTRALIA 2015 NEW-PHYSICS.COM)

Međutim, u 1970-ima se ponovilo zanimanje za teorije koje su bile simetričnije od Svemira kakvog poznajemo i promatramo danas. Teorije velikih sjedinjenja ušle su u modu, jer je elektronizijsko slabljenje navelo mnoge da sugeriraju da možda postoje još veće vrste objedinjavanja koja bi mogla biti prisutna.

Kada bi se snage i interakcije u prošlosti više ujedinile, to bi podrazumijevalo postojanje nove fizike izvan onoga što je danas poznato u Standardnom modelu. Razbijanje tih simetrija za dobivanje Svemira niske energije danas imamo za predviđanje dodatnih polja i novih, masivnih čestica. U mnogim utjelovljenjima magnetski monopoli (sorte 't Hooft / Polyakov) su neka od tih novih predviđanja.

Koncept magnetskog monopola, koji emitira magnetske linije na isti način, izolirani električni naboj emitirao bi linije električnog polja. Za razliku od magnetskih dipola, postoji samo jedan, izolirani izvor. (BPS STATES U OMEGA POZORU I INTEGRABILNOSTI - BULYCHEVA, KSENIYA ET AL. JHEP 1210 (2012) 116)

Kad god imate zanimljivo, uvjerljivo teorijsko predviđanje, želite pronaći način kako to testirati. Ako postoje magnetski monopoli koji prožimaju Svemir, postoji vjerojatnost da bismo mogli otkriti jednog od njih ako prođe kroz petlju žice. Prolazeći magnet kroz provodnu petlju registrirao bi signal: pozitivan koji ima određenu veličinu kada je prvi pol prošao kroz njega, a zatim negativan jednake veličine kada je drugi pol prošao.

Ako su, međutim, magnetski monopoli stvarni, dobili biste signal koji je imao samo jedan smjer: pozitivan ili negativan, nakon čega slijedi neuspjeh vraćanja na početnu nulu. Tijekom 1970-ih nekoliko istraživača je dizajniralo i gradilo upravo ovu vrstu eksperimenta. Daleko najpoznatije sastavio je fizičar Blas Cabrera.

Iako su originalni eksperimenti u potrazi za magnetskim monopolima bili primitivni u usporedbi s detektorima poput IceCube-a ili LHC-ovog MoEDAL-a, koji su također dizajnirani za otkrivanje egzotičnih čestica poput magnetskih monopola, mnogi su osnovni elementi dizajna univerzalni. (CERN / MOEDALNA SARADNJA)

Cabrera je svoj eksperiment dizajnirao da djeluje na hladnim, kriogenim temperaturama, ne proizvodeći samo jednu petlju od žice, već i zavojnicu koja sadrži osam petlji. Zavojnica je dizajnirana i optimizirana za mjerenje magnetskog toka, tako da ako monopol jednog magnetona (teorijska jedinica kvantiziranog magnetizma) prođe kroz nju, vidjet ćete signal od točno 8 magnetona.

Ako, s druge strane, prođete dipolni magnet kroz nju, dobit ćete signal od +8, a slijedi jedan od -8 (ili -8, a zatim +8), tako da možete razlikovati monopol od dipola , Ako je signal išta osim 8 magnetona (ili više od 8), znali biste da ne vidite magnetske monopole.

Prije događaja 14. veljače 1982. jedini događaji registrirani u Cabrerinom detektoru bili su 2 magnetona ili manje. Jedan događaj od 8 magnetona bio je bez presedana i bio je u skladu s magnetskim monopolom predviđenog (Dirac) naboja koji je prolazio kroz njega. (CABRERA B. (1982). PRVI REZULTATI SUPERPRODUKTIVNOG DETEKTORA ZA PRIJENOS MAGNETNIH MONOPOLA, FIZIČKI PREGLEDI 48, 20 (13) 1378–1381)

Dakle, izgradio je ovaj uređaj i čekao. Uređaj nije bio savršen i povremeno bi jedna od petlji slala signal dajući lažne pozitivne vrijednosti od +1 ili -1 magnetona. U još rjeđim prilikama dvije petlje bi istovremeno poslale signal dajući lažni signal od +2 ili -2. Zapamtite, za magnetski monopol potreban vam je signal 8 (i točno 8).

Aparat nikad nije otkrio tri ili više.

Ovaj je eksperiment trajao nekoliko mjeseci bez uspjeha, a na kraju je odbačen da se provjerava samo nekoliko puta dnevno. U veljači 1982., Valentinovo je palo u nedjelju, a Cabrera nije ušla u laboratorij. Kad se 15. dana vratio u ured, iznenadio je da su računalo i uređaj zabilježili točno 8 magnetona, baš sramežljivih 14. veljače 1982. godine u 14:00.

Godine 1982. pokus pod vodstvom Blas Cabrera, jedan s osam navoja žice, otkrio je promjenu fluksa od osam magnetona: indikacije magnetskog monopola. Nažalost, nitko nije bio prisutan u trenutku otkrivanja i nitko nije reproducirao taj rezultat niti pronašao drugi monopol. (CABRERA B. (1982). PRVI REZULTATI SUPERPRODUKTIVNOG DETEKTORA ZA PRIJENOS MAGNETNIH MONOPOLA, FIZIČKI PREGLEDI 48, 20 (13) 1378–1381)

Otkriće je prolazilo kroz zajednicu, generirajući ogromnu količinu interesa. Izgrađeni su ogromni uređaji s većom površinom i većom petljom, a mnogo novih skupina pridružilo se potrazi za magnetskim monopolima. Unatoč velikim ulaganjima resursa, drugi monopol nikada nije viđen. Stephen Weinberg, poznati nobelovac i programer Standardnog modela, napisao je Cabrera pjesmu sljedećeg Valentinova:

Ruže su crvene,
Ljubičice su plave,
Vrijeme je za monopol
broj dva!

Ali monopola dva nikad nisu stigla. 37 godina nakon prvog (i jedinog) otkrivanja, potraga za magnetskim monopolima uvelike je napuštena, a najstrožija ograničenja na Antarktikinu eksperimentu IceCube.

Eksperimentalna ograničenja postojanja magnetskih monopola. Najniža linija na grafikonu predstavlja najstrože ograničenje, a dolazi iz pokusa IceCube. Drugi magnetski monopol, u 37 godina koje smo tražili, nikada nismo pronašli (KATZ, U.F. ET AL. PROG.PART.NUCL.PHYS. 67 (2012) 651–704)

Nikad ne možemo znati što se događalo u tom detektoru na Valentinovo 1982. Je li stvarno magnetski monopol prošao kroz njega, gdje smo ga imali sreću da ga pronađemo, ali drugog nikad nismo vidjeli? Je li to bio neviđeni propust u opremi? Najneobičnija kozmička zraka s dosad neobjašnjivim svojstvima? Ili, možda, poteškoća koju igra učenik, suparnik ili profesionalni saboter?

U eksperimentalnoj znanosti najvažnije je biti u stanju ponoviti svoje rezultate, a otkrivanje drugog monopola nikada nije došlo. Koliko god bio simetričan Svemir, to jednostavno ne izgleda kao Univerzum koji imamo. Nitko ne zna što se dogodilo kako bi nas zavaravalo da mislimo da smo otkrili magnetski monopol, ali bez ponovljene potvrde nemamo izbora nego zaključiti da nije stvarno. Koliko možemo reći, magnetski monopoli ne postoje.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.