Отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер постоянно размышлял о создании сверхмощного оружия. Как-то он обедал с известным физиком-теоретиком и космологом Нилом Тьюроком, и тот рассказал, что занимается магнитными монополями — гипотетическими частицами, обладающими не электрическим, а магнитным зарядом. К ужасу собеседника, Теллер немедленно начал прикидывать, как использовать монополи в роли начинки для супербомбы.
Монопольная бомба: бомба на монополях
Вакуумное поле в центре монополя сохраняет экзотические свойства, которое имело до автономизации сильного взаимодействия. Как объяснил «Популярной механике» профессор теоретической физики Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, такое поле должно катализировать распад протона. Поэтому протон при столкновении с монополем обязан превращаться в более легкие частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Это будет настоящей аннигиляцией, причем для нее не нужна никакая антиматерия. Идеальная начинка для супербомбы!

Что же это за частица? Согласно классической и квантовой электродинамике, источником электромагнитного поля служат электрические заряды и электрические токи. В принципе, можно предположить, что существуют и магнитные заряды, которые переносят особого рода частицы, проявляющие себя как одиночные магнитные полюса. Поток таких магнитных монополей может сформировать специфический ток — опять-таки, не электрический, а магнитный. Магнитные заряды и магнитные токи легко вводятся в уравнения Максвелла, отчего те только делаются более симметричными. В 1894 году эта идея пришла в голову Пьеру Кюри, который не только работал с радиоактивными элементами, но также много занимался магнитными явлениями. Кюри ограничился тем, что изложил ее в короткой заметке, поскольку такие заряды и токи никто и никогда не наблюдал.


Замороженные монополи

Осенью 2009 года в журнале Science были опубликованы работы двух научных групп — германо-британской под руководством ученых из немецкого Центра Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) и французско-британской под руководством исследователей из Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле — которые продемонстрировали твердотельные модели магнитных монополей, реализованные на титанате диспрозия (Dy2Ti2O7). У этого материала в каждом узле кристаллической решетки имеются четыре свободных магнитных спина, допускающих различную ориентацию. Это похоже на конфигурацию молекул воды во льду, поэтому такие материалы носят общее название «спиновый лед». Используя рассеяние нейтронов, ученым удалось показать, что в спиновом льду при низких температурах в магнитном поле возникает сеть из переплетенных спиновых цепочек (авторы назвали его «спиновое спагетти»), которые выглядят «со стороны» (на расстояниях много больше атомных) подобно струнам Дирака — гипотетическим одномерным объектам, на концах которых находятся монополи с зарядами разных знаков, то есть монополи и антимонополи (причем в оригинальной модеди Дирака сами струны ненаблюдаемы, благодяря чему их концы и можно считать независимсыми частицами). Разумеется, это не настоящие монополи, а специфические квазичастичные коллективные возбуждения в средах с особыми магнитными свойствами, которые при нейтронном сканировании проявляют себя как магнитные монополи. В более мелких масштабах это сходство исчезает. Например, микроскопическое магнитное поле спиновых спагетти не образует особенностей даже на их концах, в то время как поле настоящего монополя вблизи него стремится к бесконечности.

Ровесники Вселенной

Следующий шаг сделал Поль Дирак в 1931 году. Он обнаружил, что гипотеза магнитного монополя не только не противоречит принципам квантовой физики, но даже ведет к весьма интересным следствиям. Его вычисления показали, что произведение любого электрического заряда на заряд монополя равно половине произведения постоянной Планка на скорость света, помноженной на целое число или ноль (последнее означает отсутствие монополей в природе, поскольку электрические заряды заведомо существуют). Из формулы Дирака вытекает, что в системе СГС минимальный заряд монополя почти в 70 раз превышает заряд электрона. Поэтому монополь очень сильно отклоняется магнитными полями и может быть легко обнаружен — на фотоэмульсии или же в камере Вильсона. С 1951 года эти частицы искали в космических лучах, а позднее и на ускорителях, но неизменно без всякого успеха. Все говорило за то, что либо монополей не существует вообще, либо они не появляются в окрестностях Солнечной системы.

Струны Дирака и магнитные монополи

В своей статье о монополях Дирак отметил, что, поскольку они разрешены квантовой механикой, «было бы удивительно, если бы природа не воспользовалась такой возможностью». А в 1974 году Александр Поляков и Герард Хоофт показали, что при определенных условиях в юной Вселенной монополи просто обязаны были появиться на свет. Этот вывод следует из целого класса теорий, описывающих отношения между фундаментальными взаимодействиями вскоре после Большого взрыва. Когда возраст Вселенной составлял 10−36 секунды, сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и обрело самостоятельное существование. При этом в вакууме образовались точечные топологические дефекты, своего рода узлы, несущие в своих центральных ядрах гигантскую энергию и потому обладающие огромной массой, как минимум в 1015 раз превышающей массу протона. Это и были магнитные монополи — вернее, их зародыши. В монополи они превратились после того, как электрослабое взаимодействие тоже разделилось надвое и появился настоящий электромагнетизм. И тогда-то протомономоли предстали в завершенном обличье частиц с одиночными магнитными полюсами.

Имитация магнитных монополей в спиновом льду

Неуловимые и опасные

Если эта теория верна, почему монополи не удается обнаружить? Частицы со столь гигантской массой невозможно создать ни на одном ускорителе, но нет их и в космических лучах. Согласно стандартной космологической теории, монополи возникли перед началом инфляционного расширения Вселенной, которое так растянуло пространство, что их плотность снизилась до ненаблюдаемых значений. Если верить циклической космологии, о которой «ПМ» рассказала в прошлом номере, Вселенная никогда не нагревалась до температур, при которых возможно рождение монополей. Так что либо плотность этих частиц чересчур мала, либо они просто не существуют.

А как насчет монопольной бомбы? Оказывается, у Теллера были основания на нее надеяться. Дело за малым — где добыть монополи?

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2010).