Кварки, протоны, Вселенная

Барашенков Владилен Сергеевич

А потом все затихло. Оказалось, что результаты наблюдений можно объяснить без магнитных зарядов. Манящая дверь в волшебный магнитный мир так и не открылась.

Но возможен ли вообще такой мир? Откуда физики взяли, что между электрическими и магнитными свойствами природы должна быть симметрия?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, придется мысленно перенестись на 150 лет назад — в Англию позапрошлого века. Это было время бурного развития промышленности. По всей стране возникали фабрики и заводы со сложными (по тем временам, разумеется) станками и механизмами. Для их создания и совершенствования требовались научные изыскания. Важными становились разделы науки, еще недавно считавшиеся чисто кабинетными, не имеющими никакого практического значения. А это, в свою очередь, подталкивало

ученых к исследованию новых явлений, тем более что физические приборы были еще очень просты, и любой человек со средствами, даже относительно скромными, мог создать домашнюю лабораторию, оборудованную на «уровне мировых стандартов».

Наверное, тогда и вошел в литературу образ гениального ученого-одиночки, ниспровергающего мировые законы в подвале своего дома. Как мало это похоже на современную науку! Ученые тогда, по существу, еще только приступали к детальному изучению окружающей природы, и их интересовало все. В поисках новых законов они сопоставляли и связывали явления, которые до того, казалось, не имели межу собой ничего общего. Исследования «на вольную тему», эксперименты для проверки «сумасшедшей» идеи — все это было обычным делом. И результаты часто бывали просто поразительными. Настоящий калейдоскоп открытий! Именно тогда была установлена связь трех явлений, на первый взгляд не имеющих между собой ничего общего: электричества магнетизма и света. Человечество обязано этим нескольким ученым, но прежде всего Майклу Фарадею.

Самое важное достижение Фарадея — открытие электромагнитного поля. Оказалось, что электричество и магнетизм — это две части единого целого — распределенного в пространстве поля. Если до того считалось, что мир состоит из вещества, то теперь к этому добавилась новая сущность — электромагнитное поле, которое может быть либо «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.

Сотни опытов проделал Фарадей, изучая свойства открытого им электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Целый каскад неожиданных догадок и остроумных гипотез! Можно только поражаться фантазии и изобретательности этого человека. И вот что интересно: каждый новый эксперимент свидетельствовал о замечательной симметрии электричества и магнетизма. Любому электрическому явлению всегда можно было, как в зеркале, найти соответствующее магнитное.

Когда знакомишься с поражающим воображение перечнем опытов, проделанных Фарадеем, может показаться, что он действовал методом слепого перебора вариантов, или, как грубовато говорят физики, «методом тыка», перебирая наугад различные комбинации. Но, это не так. Атмосфера смелых экспериментов, свойственная его времени, безусловно, наложила отпечаток на творчество ученого, однако в процессе своих опытов Фарадей сумел составить глубокие и в целом правильные представления о природе электромагнетизма. Эти представления и были тем внутренним компасом, которым он руководствовался при постановке все новых и новых экспериментов.

Правда, в статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, его представления были наглядно-качественными, с помощью его силовых, линий и трубок трудно делать точные расчеты. Строгий математический вид электромагнитной теории придал другой великий английский физик — Джеймс Клерк Максвелл, родившийся на 40 дет позже своего предшественника, как раз тогда, когда тот сделал главное свое открытие — доказал, что магнетизм может превращаться в электричество.

Современникам новая теория казалась чрезвычайно сложной. Даже значительно позже, уже в начале нашего столетия, профессор Московского университета Станкевич говорил своим студентам: «Теперь мы переходим к новой главе нашего курса. Это теория Максвелла, которая настолько сложна, что лекционному изложению не поддается. Вы можете с ней познакомиться по моему монографическому курсу, а курс приобретите у швейцара Андрея. Переходим к следующей главе».

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