Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Физическим теориям свойственна одна замечательная особенность: если их математические формулы правильно отражают природу, то они не просто описывают некий опыт, а являются его обобщением; по этой причине их содержание значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые, неизвестные факты, экспериментальное подтверждение которых убеждает нас в правильности теории. Все это относится и к теории Максвелла. Вместе с механикой Ньютона она составляет фундамент физики. Правда, вскоре после eе создания ученые заметили удивительную особенность. Несмотря на то что электрическое и магнитное поля являются двумя равноправными половинками единого поля или, точнее, двумя сторонами одной модели и входят в уравнения теории Максвелла совершенно симметрично, полного равноправия электричества и магнетизма все же нет. Электричество имеет источники-заряды, а магнитных зарядов нет: магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися. Каждый школьник знает что, распилив магнит, он не получит двух кусков с разными магнитными зарядами — каждый кусок снова окажется магнитом с двумя полюсами. Другими словами, в природе встречаются только двухполюсные или как говорят физики, дипольные магнитные системы и нет изолированных полюсов-монополей.

Даже элементарные частицы, и те, подобно магнитной стрелке, имеют по два магнитных полюса. Ведь каждая из них окутана облаком испущенных ею виртуальных частиц. Их движение создает внутренние электротоки, и весь объект становится похожим на микроскопический электромагнит. Например, магнитные свойства протона обусловлены в основном током заряженных мезонов в его периферической оболочке. Электрон, правда, в этом смысле сложнее. Никаких внутренних частей у него не обнаружено, во всех опытах он проявляет себя как точечная частичка, и в то же время он магнит. Впрочем, у протона тоже есть небольшая часть магнетизма, которую не удается объяснить движением входящих в его состав зарядов. Некоторые физики связывают это с глубинной, кварк-глюонной структурой. Не исключено, впрочем, что магнитные свойства частиц имеют и более глубокие корни — где-то внутри самих глюонов и кварков.

Как бы там ни было, факт остается фактом: электрические заряды есть, а одиночные магнитные полюса никогда и нигде не наблюдались. Сразу же возникает вопрос: для чего природе потребовалась такая асимметрия, разве не проще было бы иметь два типа зарядов — электрические и магнитные? Почему природа не воспользовалась такой возможностью, а пошла по более сложному пути — ведь просто так ничего не бывает? Эта загадка уже давно не дает физикам покоя.

Может быть, это всего лишь свойство той части Вселенной, где мы живем, а в других ее областях, наоборот, есть магнитные, но нет электрических зарядов? А может, нас окружает совершенно симметричный нашему электромагнитный мир, только магнитные заряды-монополи мы по какой-то причине еще не обнаружили? По какой же?

На этот счет существует несколько гипотез. Но и о них чуть позже. А пока вернемся в Англию.

Первым проблему монополей стал всерьез исследовать английский физик Оливер Хевисайд. Ему удалось записать уравнения Максвелла в симметричном виде — с электрическими и магнитными зарядами. Однако его статья осталась почти не замеченной. Даже сегодня мало кто о ней слышал, хотя она на 40 лет опередила схожую с ней работу Дирака, с которой сегодня знакомы все физики. Сыграла, очевидно, свою роль репутация Хевисайда, как очень талантливого, но непонятного «кустаря-одиночки», чьи научные выводы, быть может, и верны, но выглядят не очень убедительно.

Хевисайд был действительно человек весьма оригинальный. Кажется невероятным, но, занимаясь расчетами, связанными с увеличением надежности телеграфных линий, с прокладкой кабеля через Атлантический океан, то есть имея дело с самыми передовыми по тому времени отраслями техники, Хевисайд впервые сел в автомобиль лишь в конце своей жизни (он умер в 1921 г.), да и то потому, что иначе нельзя было добраться до больницы. Гениальный чудак-отшельник, чьи открытия буквально озолотили телеграфные компании, Хевисайд жил и умер бедняком в одном из захолустных английских городков. Рассказывают, что, будучи избранным в члены Лондонского Королевского общества, самого почетного научного учреждения Великобритании, он не счел нужным хотя бы раз появиться на его заседаниях. Единственной его страстью была наука. Он не считал возможным тратить

время и силы на обоснование своих выводов, и научные журналы только и делали, что отвергали его статьи.

Полученные им результаты часто были необычайно остроумны, но пользоваться ими можно было с осторожностью, так как часто оставалось неясно, где они справедливы, а где нет.

Общественное мнение в науке значит очень много. В большинстве случаев оно защищает науку от скоропалительных гипотез и непроверенных фактов, но иногда и мешает признанию принципиально новых идей. К таким идеям принадлежало и то, о чем писал Хевисайд в статье про магнитные заряды.

Впрочем, не только Хевисайд размышлял о странной асимметрии электрических и магнитных зарядов. Пьер Кюри, открывший вместе со своей женой Марией Кюри-Склодовской радий, пытался экспериментально обнаружить магнитные заряды и их токи. Попытки его ни к чему не привели. В течение 20 лет австрийский ученый Эренхафт опубликовал в физических журналах более 50 статей, в которых доказывал, что в своих опытах он наблюдает магнитные заряды-монополи. Эренхафт наблюдал движение железных пылинок в магнитном поле. Когда пылинка освещалась сильным лучом света, ее движение изменялось так, как если бы свет выбивал с ее поверхности магнитный заряд. До сих пор непонятно, чем объясняется наблюдавшийся Эренхафтом эффект. А он не ошибался: его опыт был повторен другими физиками. Совсем недавно их еще раз повторили в Институте физики высоких энергий в Алма-Ате, и опять было замечено аномальное движение железных пылинок. Может быть, в эксперимент вкралась какая-то тонкая методическая погрешность? Во всяком случае опыты другого рода к открытию монополей не привели.

Конечно, может быть и так, что в каком-то одном, очень специфическом опыте монополь проявляется, а в других нет. Например, если опыт отличается большей точностью или в нем используются те свойства монополя, которые не сказываются в других экспериментах. К сожалению, опыты с железными пылинками не имеют преимущества ни в том, ни в другом отношении.

Но вернемся снова в Англию. Уж так получилось, что история монополя тесно связана с этой страной.

В 1931 г. к идее магнитных монополей пришел Поль Дирак, тогда двадцатидевятилетний теоретик из университета в Кембридже, получивший уже широкую известность благодаря выдвинутой им и блестяще подтвердившейся на опыте гипотезе об античастицах. Новая идея знаменитого физика сразу привлекла к себе внимание теоретиков и экспериментаторов. В отличие от Хевисайда Дирак был преувеличенно скрупулезен в обосновании своих выводов. Одно из его любимых выражений было такое: «Необходимо все хорошенько обдумать». Человек крайне немногословный, он старался выражать свою мысль как можно более лаконично и четко. Число статей и книг, написанных Дираком, невелико, но каждая из них стала классической.

Интересно, что по образованию Дирак был инженер, специалист по строительству гидроэлектростанций. После окончания института он не мог найти себе работу и вынужден был переквалифицироваться в физика-теоретика. По сравнению с профессией инженера это была не очень престижная специальность и денег сулила много меньше. Не знаю, потеряла ли что-нибудь от этого гидроэнергетика, но физика, несомненно, выиграла. Имя Дирака сегодня известно каждому, кто хотя бы немного соприкоснулся с квантовой физикой или просто читал о ней популярные статьи.

К идее монополей Дирак пришел, решая совсем другую задачу. Он старался понять, почему электрический заряд всегда принимает только дискретные значения, кратные заряду электрона. Масса, энергия, размеры макроскопических тел и микрочастиц могут быть любыми, никаких ограничений здесь нет, а вот их электрические заряды почему-то всегда пропорциональны заряду электрона и коэффициент пропорциональности — непременно либо целое число, либо нуль.

Этой закономерности, как мы уже знаем, не подчиняются кварки, заряд у них дробный — одна и две третьих заряда электрона. Но о кварках Дирак тогда еще ничего не знал. Если бы он выполнял свои расчеты в наше время, за минимальную порцию электричества ему пришлось бы принять не заряд электрона, а его треть — заряд кварка. Но дискретность зарядов остается экспериментальным фактом по-прежнему.

Размышляя о ее причинах, Дирак неожиданно обнаружил, что если в природе наряду с квантом электричества существует квант магнетизма, то в соответствии с теорией получается интересный парадокс: перемещая измерительный прибор по замкнутому контуру и выполняя измерения в одних и тех же точках, мы для некоторых величин при каждом повторном обходе будем получать новые значения, чего никогда не наблюдалось. Наоборот, во всех экспериментах наблюдаемые величины оказывались зависящими только от точек, в которых они измеряются, и ни от чего другого. Никакой «памяти о прошлом» у измеряемых величин нет. Казалось бы, этот парадокс — убедительное доказательство того, что никаких квантов магнетизма в природе быть не может.