Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Приключения великих уравнений
Начало сайта / Раритетные издания / Приключения великих уравнений

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Загадки простой воды

Генри Форд. Моя жизнь, мои достижения

Плеяда великих медиков

Смотри в корень!

Ученые – популяризаторы науки

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Приключения великих уравнений

Владимир Карцев

Новые открытия, новые трудности

Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу «передвижения на одноколесном велосипеде по канату» – задачу удержания плазмы в «магнитной бутылке», – все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.

Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не «легкие облачка», омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте явно собираются свинцовые тяжелые тучи.

Собирающаяся гроза обязана своим происхождением самой, казалось бы, невинной причине – поискам красоты, полного совершенства. Недаром один великий физик не уставал говорить, что всякая физическая теория должна быть математически элегантна.

Сегодня элегантнейшая теория Максвелла уже кажется некоторым исследователям элегантной в недостаточной степени.

И дело здесь прежде всего в том, что уравнения Максвелла, как говорят математики и физики, несимметричны.

Действительно, посмотрим еще раз на уравнения Максвелла, вернее, на два из них:

divD = 4πρ, divB = 0.

Смысл каждого из них таков: если мы возьмем ограниченную область пространства, то число электрических силовых линий (определяющее электрическое поле D), вышедших из этой области, зависит от электрического заряда ρ, располагающегося внутри нее. Чем больше заряд, тем больше D. Если повести рассуждение в отношении магнитных силовых линий, то окажется, как следует из второго уравнения, что общее количество магнитных силовых линий, выходящих из произвольной области пространства, всегда равно нулю! Другими словами, сколько магнитных силовых линий в данный объем вошло, столько оттуда и вышло.

Запишем следствия вышеприведенных уравнений следующим образом.

Электрические силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.

Магнитные силовые линии нигде не начинаются и не кончаются.

Такая несимметрия, несправедливость, если хотите, может легко поранить чью-нибудь чувствительную душу. Кроме того, если вникнуть глубже в смысл уравнений Максвелла, получится, что электричество вполне может обойтись без магнетизма, а магнетизм без электричества – нет!

Фактически уравнения Максвелла полностью сводят магнетизм к электричеству. После того как Ампер продемонстрировал две спирали с током, «притягивающиеся как магниты», магнетизм как таковой, казалось, перестал существовать.

Две великие силы природы оказались одной – электричеством. Вся тысячелетняя история этих двух явлений, казалось, восставала против такой несправедливости.

Именно отсутствие магнетизма как самостоятельного явления и утверждается уравнениями Максвелла. Магнетизма нет, есть одно электричество.

Электричество имеет источник – электрический заряд.

Магнетизм имеет источником лишь электричество.

Это смущает.

Это наводит на крамольные мысли.

К тому же – явная математическая несимметрия уравнений, которые, как говорил Герц, живут самостоятельной жизнью и иногда кажутся даже умнее человека, создавшего их.

Но классическая теория электромагнетизма не содержит ничего, что оправдывало бы, по существу, такое «неравенство» электричества и магнетизма.

В 1931 году кембриджский профессор Поль Адриен Морис Дирак, знаменитый физик-теоретик, много сил отдавший созданию квантовой электродинамики, увлекся такой задачей: не содержит ли квантовая теория нечто оправдывающее преимущество электричества перед магнетизмом?

Такого преимущества не оказалось. Как классическая, так и квантовая электродинамика «не возражала» против введения в уравнения, для того чтобы сделать их полностью симметричными, «магнитных зарядов», еще не известных науке.

Такие магнитные заряды, или, как их назвал Дирак, «монополи», должны были быть полным магнитным эквивалентом зарядов электрических.

Они могли быть отделены друг от друга, другими словами, могли бы порознь существовать «северные» и «южные» магнитные заряды. Эта «безумная» идея странным образом воскрешала воззрения XIII века, опровергнутые Гильбертом, доказавшим, что нельзя получить в магните отдельно Северный и Южный полюсы.

Как магнитные явления возникают при движении электрических зарядов, так и электрические явления могли бы стать следствием движения зарядов магнитных.

Как и электроны, монополи могли бы испускать и поглощать электромагнитное излучение, например свет. И наоборот, если очень энергичные фотоны могут создавать пару – отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон (кстати говоря, тоже предсказанный Дираком и вскоре обнаруженный), они же могут рождать и пару – северный и южный монополи.

Как мы упомянули, идея магнитных монополей была высказана Дираком вместе с идеей о существовании «положительного электрона» – позитрона. И то и другое предположения были одинаково дики для физиков. Взять хотя бы идею о положительном электроне. Ясно, что когда-нибудь положительный электрон встретится с «настоящим», отрицательным электроном, в результате чего произойдет аннигиляция – превращение в электромагнитную энергию двух элементарных частиц. В конце концов такие процессы, казалось бы, должны были привести к уничтожению и мира, и физиков, изобретающих подобные теории.

Однако и одно и другое продолжают благополучно существовать. Стало быть, позитронов не бывает?

Такая или примерно такая точка зрения существовала до того момента, пока американский физик К.Д. Андерсон в 1932 году заметил в камере Вильсона след частицы, по всем данным идентичной электрону, однако отклоняющейся в магнитном поле в «неправильную» сторону.

Это был предсказанный Дираком позитрон.

Многие физики были раздосадованы – не один видел уже такой след у себя, в камере Вильсона, но не смог по той или иной причине отождествить частицу, оставившую его, с позитроном. В их числе, к сожалению, оказался и известный советский физик Д.В. Скобельцын, первым применивший к исследованию космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Именно метод Скобельцына использовал Андерсон, когда открыл позитрон.

После такого триумфа предсказаний Дирака доверие к его монополям резко возросло. Исследователи ринулись на поиски новых частиц. Раз монополи не противоречат ни классической, ни квантовой электродинамике, раз уж они предсказаны, раз они могут существовать, значит, они существовать должны.

Но где? И как?

И вообще что известно о монополе?

Что искать?

Как ни странно, Дирак из самых общих соображений смог предсказать и основные свойства монополя. Прежде всего оказалось, что заряд монополя не может принимать любое значение – он должен быть квантованным, точно так же, как и электрический заряд.

Величина этого заряда оказалась опять-таки связанной с «магическим числом» 137 (в квантовой физике есть два «магических числа» – 137 и 208; их происхождения и физического смысла никто не знает, но числа с поразительным упорством снова и снова всплывают в уравнениях и расчетах). Если заряд электрона равен 1/√137, то заряд монополя должен быть равен √137/2.

Отсюда можно вычислить и силу взаимодействия между двумя магнитными зарядами – она в (137/2)·(137/2) = 4 692 раза больше, чем сила взаимодействия электронов.

Можно вычислить и массу монополя – он довольно тяжел, по крайней мере в 3 раза тяжелее протона, причем число «сортов» монополей может быть очень велико – точно так же, как и число электрически заряженных частиц. Другими словами, мир магнитных частиц должен быть не менее разнообразен, чем мир электрически заряженных частиц.

Как могут создаваться монополи? Логично предположить, что они образуются примерно так же, как пара электрон – позитрон, например, в результате сильных столкновений между другими частицами. Таким образом, монополи могут быть найдены в продуктах взаимодействия разгоняемых в ускорителях частиц. Как их выделить? Очевидно, рядом с камерой, регистрирующей взаимодействия, нужно поставить очень мощный магнит, который смог бы «вытянуть» монополи из области взаимодействия.

С пуском в СССР, США и Швейцарии крупнейших ускорителей надежды найти монополи в продуктах реакций ускоренных частиц резко возросли. Создаются и очень мощные магниты.

Что же, будем ждать вестей об открытии (или «закрытии») монополей.

А пока их ищут в космосе научные космические спутники-лаборатории. Дело в том, что среди космических частиц встречаются частицы со столь грандиозной энергией, что получить ее на Земле в ускорителях физики не предполагают даже в самых голубых своих планах.

Интересный способ поимки монополей придумал японский физик Гото. Он утверждает, что наиболее легко извлечь их из... метеоритов.

Метеориты пролетают миллионы километров в космосе. Метеориты бомбардируются там космическими лучами. В метеоритах могут образоваться монополи. Раз разъединенные, они уже не могут аннигилировать. Поэтому монополи в метеоритах будут сохраняться практически вечно.

Одна из богатейших коллекций метеоритов собрана в Гарварде. Метеориты под страшные клятвы брались и уносились оттуда искателями монополей и подвергались действию сверхсильных магнитов. И с грустью относились обратно... Монополей в метеоритах, в том числе в знаменитом сихотэ-алиньском – никто не отыскал.

Не обнаружили ни одного монополя и исследователи, пытавшиеся «вытянуть» их с помощью мощного магнита из горных магнетитовых пород, выходящих на поверхность Земли.

Ни одного монополя не обнаружили и энтузиасты, пытавшиеся «выудить» их из вековой донной грязи океанов.

Что это? Почему столько неудач? Неужели уже система?

А может быть, ищут не то? Или не там? Или, наконец, не так?

Споры вокруг монополей, частиц, которые сделали бы уравнения Максвелла полностью симметричными, не утихают.

Может возникнуть вопрос: а зачем все это? Не слишком ли дорогую цену платят энтузиасты за то, чтобы найти наконец «монопольную» красоту полностью симметричных уравнений Максвелла?

Разумеется, нет. Уравнения Максвелла лежат в основе современной физики, и любое изменение в них, естественно, повлечет за собой переворот в нашем представлении о мире. А это гораздо важнее даже, чем та практическая польза, которую могло бы принести открытие монополей. Но и о ней, практической пользе, не стоит забывать. Подсчитано, что ускоритель, «стреляющий» монополями, а не электрически заряженными частицами, был бы при той же энергии ускоряемых частиц в тысячи раз дешевле аналогичных сегодняшних машин. Это происходит потому, что заряд монополя (как пока считают) очень велик, и его ускорение в магнитном поле происходило бы быстро и очень эффективно. Таким образом монополи, если бы их открыли, помимо всего прочего, сразу же смогли бы сэкономить нам и многие миллионы рублей.

Находка монополей будет грандиозным событием в физике, сравнимым, может быть, с открытием радиоактивности или электрона.

Ну а если монополей нет и они не будут найдены? Ведь вполне возможно, что поиски «монопольной» красоты не имеют под собой почвы и сама вожделенная симметрия уравнений Максвелла иллюзорна.

Видимо, окончательное «закрытие» монополей будет не меньшим праздником для физиков, чем их возможное открытие. Для того чтобы наложить окончательный безапелляционный «запрет» на существование монополей, потребуется выработать какие-то новые физические принципы, заново пересмотреть всю теорию электромагнитных явлений. Сегодняшние представления в большой мере поддерживаются интуитивной убежденностью в равноправии электрических и магнитных явлений. Именно этой интуитивной убежденностью и вызваны поиски симметрии максвелловских уравнений.

Но если окажется, что уравнения все же умнее нас, в чем был убежден Генрих Герц, то на все, даже самое очевидное, придется посмотреть с новых позиций – на этот раз с позиций уже принципиального «неравноправия» электрических и магнитных явлений.

Пока уравнения стоят незыблемо...

Стоят, хотя их позиции ослабляются еще и с другой стороны.

В последнее время среди физиков начинает утверждаться еретическая мысль: заряд электрона – зарядовая единица, основной кирпичик электронной и квантовой теории – вовсе не так элементарен и неделим, как казалось в начале века.

Чем больше становится ускорителей, тем больше открывают новых «элементарных» частиц.

Прошли те времена, когда элементарные частицы насчитывали в своем семействе два члена: электрон и протон. То был золотой век электромагнитных теорий, когда все в мире, казалось, можно было объяснить электромагнитными взаимодействиями.

«Электромагнитный мир» рухнул, когда был открыт нейтрон (Чадвик, 1932 год) – электрически нейтральная частица с массой протона, принципиально не способная ввиду отсутствия заряда на электромагнитное взаимодействие.

Затем – всего за 25 лет – еще 30 «элементарных» частиц.

В 1947 году появились «странные» частицы с особым, неэлектрическим видом заряда, не подчиняющиеся законам сохранения, – К-мезоны и гипероны. Затем – мюон, «тяжелый электрон», эквивалентный электрону по свойствам, по тяжелее его в 208 раз. Зачем нужна такая частица, когда уже есть электрон? «Посмотрите на мюон, – говорил один видный физик. – Кем и когда заказана эта частица»?

А ведь были еще лептоны, андроны, барионы, антибарионы, гипероны, резонансы.

Каждый год – десяток новых частиц. Уже – неслыханное дело! – не хватает букв всех алфавитов для их обозначения. Физики считают, что общее число «элементарных» частиц перевалило за несколько тысяч. Не многовато ли для «элементарных»?

Не мудрено, что нашлись ученые, решившие покончить с беспорядком в мире частиц и свести их все к комбинациям «поистине элементарных» частиц.

И тут появились «кварки». Частицы, отрицающие и электрические и магнитные единичные заряды. Кварки – против монополей.

«Кварк» по-немецки – творог, в переносном смысле – чепуха. Название взято американцем М. Гелл-Маном из романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану», где этим словом обозначаются явления фантасмагорические.

Итак, нечто «бредовое, чепуховое, немыслимое, абсурдное, невообразимое» – вот что такое кварки. И это в большой мере оправданно, потому что свойства частиц, придуманных Гелл-Маном, никак не назовешь заурядными.

И первое, самое дикое – заряд кварка не равен единице (заряду электрона) и не кратен ему! Один из кварков обладает зарядом +2/3, другой – – 1/3!

И еще масса других безумных свойств – но здесь уже не наша тема. Один пример: для того чтобы составить всего один протон, нужны три кварка массой в 30 (!) протонов.

Кварки ищутся не менее настойчиво, чем монополи. И с тем же успехом.

Ищут на ускорителях. Ищут в космосе. Уже при запуске первой двенадцатитонной орбитальной лаборатории «Протон-1» в 1965 году «Правда» сообщила:

«...В будущем открывается возможность для решения одной из фундаментальных задач – поиска элементарных частиц, в частности, предсказываемых теорией так называемых кварков...»

Ищут на далеких звездах, где излучаются частицы громадных энергий, способные создать «кварко-атомы», в которых вокруг протона вращается не электрон, а кварк.

Ищут физики и астрономы.

Ищут зоологи и биологи. Известно, что некоторые растения могут избирательно потреблять элементы из почвы. Нет ли растений – «поедателей» кварков?

Вообще если бы кварки на Земле были, их, казалось бы, было бы нетрудно отыскать – ведь из-за своего дробного заряда они не могут ни к чему присоединиться. Как выразился некогда профессор А.С. Компанеец, «кварк непременно валяется у нас под ногами, если он когда-либо вообще был. Но никто не сумел пока найти его».

Итак, ни монополи, ни кварки еще не найдены, и еретические веяния никак не затрагивают уравнений Максвелла и основанных на них теорий.

А стоит ли бояться «ереси»?

Ведь любое открытие, уточняющее картину мира, неизбежно приведет отнюдь не к краху, а к упрочению, укреплению уравнений Максвелла.

Единственное, что может «случиться», – то, что будут вскрыты более глубокие пласты научного знания, будет построена еще более общая теория.

Теория, частным случаем которой обязательно будут уравнения Максвелла.

 

Оглавление

 

Дата публикации:

10 августа 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика