Magnetisk monopol | |
---|---|
Deltar i interaktioner | Gravitation [1] , elektromagnetisk |
Status | Hypotetisk |
Vem eller vad är uppkallad efter | Icke-noll magnetisk laddning - en punktkälla för ett radiellt magnetfält |
kvanttal |
Magnetisk monopol - en hypotetisk elementarpartikel med en magnetisk laddning som inte är noll - en punktkälla för ett radiellt magnetfält . En magnetisk laddning är en källa till ett statiskt magnetfält på exakt samma sätt som en elektrisk laddning är en källa till ett statiskt elektriskt fält .
En magnetisk monopol kan ses som en enda pol av en lång och tunn permanentmagnet . Men alla kända magneter har alltid två poler, det vill säga det är en dipol . Om du skär en magnet i två delar kommer varje del fortfarande att ha två poler. Alla kända elementarpartiklar som har ett elektromagnetiskt fält är magnetiska dipoler.
Med skapandet av fysiken som en vetenskap baserad på erfarenhet fastställdes åsikten att kropparnas elektriska och magnetiska egenskaper skiljer sig avsevärt. Denna åsikt uttrycktes tydligt av William Gilbert år 1600 . Identiteten för lagarna för attraktion och avstötning för elektriska laddningar och magnetiska laddningar, magneternas poler, fastställda av Charles Coulomb , väckte återigen frågan om likheten mellan elektriska och magnetiska krafter, men i slutet av 1700-talet hittades den att det under laboratorieförhållanden var omöjligt att skapa en kropp med en total magnetisk laddning som inte är noll. Begreppet "magnetiskt laddat ämne" förvisades från fysiken under lång tid efter Ampères arbete 1820 , där det bevisades att en krets med en elektrisk ström skapar samma magnetfält som en magnetisk dipol.
1894 konstaterade Pierre Curie i en kort anteckning [2] att införandet av magnetiska laddningar i Maxwells ekvationer är naturligt och bara gör dem mer symmetriska.
Ekvationerna för klassisk elektrodynamik formulerade av Maxwell relaterar elektriska och magnetiska fält till rörelsen hos laddade partiklar. Dessa ekvationer är nästan symmetriska med avseende på elektricitet och magnetism. De kan göras helt symmetriska om, förutom elektrisk laddning och ström , en viss magnetisk laddning (magnetisk laddningstäthet ) och magnetisk ström (magnetisk strömtäthet ) introduceras:
namn | Utan magnetiska monopoler | Med magnetiska monopoler |
---|---|---|
Gauss teorem | ||
Gauss magnetiska lag | ||
Faradays induktionslag | ||
Ampères lag (med biasström ) | ||
Lorentz kraft [3] |
namn | Utan magnetiska monopoler | Med magnetiska monopoler (Weberkonventionen) | Med magnetiska monopoler (amperemeterkonvention) |
---|---|---|---|
Gauss sats : | |||
Gauss magnetiska lag | |||
Faradays induktionslag : | |||
Ampères lag (med biasström ): | |||
Lorentz kraft |
|
|
I det här fallet förvandlas de modifierade ekvationerna med magnetiska monopoler till klassiska ekvationer när och ersätts , det vill säga om det inte finns några magnetiska laddningar i det betraktade området i rymden. Således är det möjligt att skapa ett system av Maxwells ekvationer, med hänsyn till förekomsten av magnetiska laddningar, medan de klassiska ekvationerna helt enkelt återspeglar det faktum att magnetiska laddningar vanligtvis inte observeras.
Om det finns magnetiska laddningar kommer förekomsten av magnetiska strömmar att leda till betydande korrigeringar av Maxwells ekvationer , som kan observeras på makroskopiska skalor.
I den nya formen av Maxwells ekvationer uppstår svårigheter i den matematiska beskrivningen med hjälp av vektorpotentialen. I närvaro av både magnetiska och elektriska laddningar kan det elektromagnetiska fältet inte beskrivas med en vektorpotential som är kontinuerlig i hela rymden. Därför, i närvaro av magnetiska laddningar, härleds inte rörelseekvationerna för laddade partiklar från variationsprincipen om minsta verkan . Inom klassisk elektrodynamik leder detta inte till grundläggande svårigheter (även om det gör teorin något mindre vacker), men kvantdynamik kan inte formuleras utanför ramarna för den Hamiltonska eller Lagrangianska formalismen.
Paul Dirac föreslog existensen av en partikel med en magnetisk laddning och kom till den icke-triviala slutsatsen att den magnetiska laddningen för den föreslagna monopolen inte kan ha ett godtyckligt värde, utan måste vara lika med en heltalsmultipel av en viss mängd magnetism. [fyra]
Problemet med att bestämma vektorpotentialen som ger magnetfältet är matematiskt ekvivalent med problemet med att bestämma systemet av strömmar som skapar magnetfältet . Från en punkt som avger ett konstant flöde av ett magnetfält måste en konstant ström med en enhetlig densitet i alla riktningar flyta. För att upprätthålla det är det nödvändigt att föra en ström genom en ledande tråd till denna punkt, lika med strömmen som utgår från denna punkt i alla riktningar, och styrkan på denna ström är lika med den magnetiska laddningen . [5] Eftersom platsen för en sådan tråd är helt godtycklig, är skillnaden i vektorpotentialer lika med det magnetiska fält som skapas av strömmen som flyter till punkten längs en tråd och flyter längs den andra tråden. Ett sådant magnetfält kan representeras som en potential med flera värden, vars värde vid varje punkt i rymden ändras med varje förbikoppling av kretsen som är associerad med tråden med storleken på strömmen multiplicerat med . Det är känt från kvantmekaniken att den vågfunktion som kännetecknar en partikel med en laddning vid förändring som . När du korsar konturen . Men när man går runt konturen bör vågfunktionen inte ändras, därför . Ett komplext tal är lika med ett om det representeras som , där är ett godtyckligt heltal. Därför: , där är ett heltal. Således måste den magnetiska laddningen av partikeln vara en multipel av den elementära magnetiska laddningen , där är den elementära elektriska laddningen . [6]
Det omvända uttalandet är anmärkningsvärt: förekomsten av en magnetisk laddning motsäger inte standardkvantmekaniken endast om de elektriska laddningarna för alla partiklar kvantiseras. (Därför skulle förekomsten av åtminstone en magnetisk monopol med en viss laddning förklara den experimentellt observerade mångfalden av elektriska laddningar av partiklar med värdet ; den magnetiska laddningen skulle också nödvändigtvis kvantiseras.)
Dirac-kvantiseringsvillkoret är generaliserat till växelverkan mellan två partiklar, som var och en har både en elektrisk och en magnetisk laddning (sådana partiklar kallas dyoner )
(I systemet av enheter som används, och har samma dimension, och laddningen är fixerad av relationen .)
I den icke-relativistiska approximationen är kraften som verkar på dyon 1 med koordinater och hastighet från dyon 2, fixerad vid origo, lika med
Observera att kombinationerna av laddningar som ingår i denna formel är oföränderliga under den dubbla transformationen .
År 1974 upptäckte Alexander Polyakov och Gerard Hoft oberoende [7] att förekomsten av en magnetisk monopol inte bara är möjlig, utan obligatorisk i en viss klass av fältteorier. I stora förenade modeller , som betraktar symmetrin under fasomvandlingar av vågfunktionerna för laddade partiklar som en integrerad del av en bredare icke-abelian gaugesymmetri, är det elektromagnetiska fältet associerat med en multiplett av laddade mätfält med stora massor (dessa massor uppstår från spontan symmetribrott ). För vissa mätsymmetrigrupper finns det stabila fältkonfigurationer som är lokaliserade i ett område av storlek och skapar ett sfäriskt symmetriskt magnetfält utanför denna region. Förekomsten av sådana konfigurationer beror på mätgruppens topologiska egenskaper, närmare bestämt på hur undergruppen av symmetri som bevaras efter spontan brytning är inbäddad i den. Stabiliteten hos dessa magnetiska monopoler bestäms av det speciella beteendet hos fälten på stora avstånd från centrum. Massan av den magnetiska monopolen kan beräknas, det beror på den specifika fältmodellen, men i alla fall måste den vara stor (enligt uppskattningar för en bred klass av modeller ). Dessa magnetiska monopoler kan födas i det heta universum strax efter Big Bang under en fasövergång associerad med spontant symmetribrott och uppkomsten av enhetliga skalära fält som inte är noll i vakuum. Antalet genererade magnetiska monopoler bestäms av universums utveckling i ett tidigt skede, därför kan man bedöma denna process genom deras frånvaro för närvarande. En av förklaringarna till att relikmagnetiska monopoler inte har upptäckts ges av teorin om det expanderande universum (inflation). Hooft-Polyakov magnetiska monopoler har några ovanliga egenskaper som skulle göra dem lätta att upptäcka. I synnerhet kan interaktionen med en magnetisk monopol stimulera sönderfallet av nukleonen som förutsägs av vissa stora föreningsmodeller [8] , d.v.s. fungera som en katalysator för sådant sönderfall.
Dimensionen på laddningen av den magnetiska monopolen sammanfaller med dimensionen av den elektriska laddningen i CGS- systemet :
där är ljusets hastighet i vakuum, är Dirac-konstanten och är den elementära laddningen .
I SI- systemet är dimensionerna för magnetiska och elektriska laddningar olika ( Webers konvention[ rensa ] ):
var är Plancks konstant .
Amp Meter Convention[ förtydliga ] ( SI ):
Det är känt att elektriska laddningar har en ganska liten kopplingskonstant (den så kallade finstrukturkonstanten ). I GHS-systemet har det följande betydelse:
I SI har vi ett mer besvärligt uttryck:
var är den elektriska konstanten .
På liknande sätt kan man införa den magnetiska kopplingskonstanten för CGS-systemet:
För SI sker uttrycket:
- Weberkonvention: - amperemätarkonvention:var är den magnetiska vakuumkonstanten . Det bör noteras här att den magnetiska konstanten är mycket större än enhet, och därför är användningen av störande metoder inom kvantelektrodynamik för magnetiska laddningar inte möjlig.
Diracs teori förutsäger inte "den magnetiska monopolens massa". Därför finns det för närvarande ingen konsensus om uppskattningen av monopolmassan (experimentet indikerar bara den nedre gränsen). Det kan också noteras här att värdet på elektronmassan är ett rent experimentellt faktum och inte förutsägs av standardmodellen .
Nedre gräns för massan av en monopolDen lägre skattningen för monopolmassan kan uppskattas baserat på den klassiska elektronradien (SI-systemet):
där är Compton-våglängden för elektronen, är elektronens massa.
På liknande sätt kan du ange ett värde för den klassiska radien för den magnetiska monopolen (SI-system (Weber-konvention)):
var är monopolens massa. Genom att likställa de klassiska radierna kan man alltså få en nedre gräns för monopolmassan:
Upprepade försök att experimentellt upptäcka den magnetiska monopolen misslyckades. Särskilt intensiva sökningar efter en magnetisk monopol av kosmiskt ursprung har utförts sedan början av 1980-talet. Experiment kan delas in i flera grupper.
Från september till december 2012 ägde den första fullskaliga operationen av detektorn till Large Hadron Collider MoEDAL rum vid en kollisionsenergi på 8 TeV och en ljusstyrka på 0,75 miljarder −1 . Resultatet av sökandet efter magnetiska monopoler är negativt, men beroende på storleken på den (magnetiska) laddningen och massan (och den skannades i området från 100 GeV till 3,5 TeV) begränsades tvärsnittet från tiotals femtobarn till tiotals picobarns [12] .
2015 sökte detektorn för Large Hadron Collider MoEDAL efter magnetiska monopoler med en kollisionsenergi på 13 TeV. Inga spår av magnetiska monopoler med en massa upp till 6 TeV och en magnetisk laddning upp till 5 Dirac-enheter hittades, frågan om deras existens förblev öppen [13] .
I vissa system inom den kondenserade materiens fysik kan det finnas strukturer som liknar en magnetisk monopol - magnetiska flödesrör ( engelska flux tubes ). Magnetrörets ändar bildar en magnetisk dipol, men eftersom deras rörelse är oberoende kan de i många fall ungefär betraktas som oberoende monopola kvasipartiklar.
I september 2009 tillkännagav flera oberoende forskargrupper på en gång upptäckten i en fast kropp ( spinnis från dysprosiumtitanat Dy 2 Ti 2 O 7 ) av kvasipartiklar som imiterar magnetiska monopoler (det vill säga de ser ut som monopoler på avstånd som avsevärt överstiger kristallen gitterkonstant) [14] . I vissa media och populärvetenskapliga publikationer presenterades denna observation som upptäckten av magnetiska monopoler [15] [16] .
Dessa fenomen är emellertid orelaterade [17] och enligt en rapport i Physics World [18] skiljer sig de magnetiska monopolerna som finns i "spin ice" i sitt ursprung från de fundamentala monopolerna som förutspåtts av Diracs teori.
De upptäckta "monopolerna" är kvasipartiklar (de magnetiska kraftlinjer som kommer in i en av sådana kvasipartiklar förblir stängda och passerar genom en tunn "kabel" som förbinder två sådana kvasipartiklar, som var och en i denna mening inte representerar en isolerad magnetisk laddning), och inte elementarpartiklar , så denna upptäckt revolutionerade inte elementarpartikelfysiken . Ändå är "kvasimonopoler" intressanta i sig och är föremål för intensiv forskning. Teoretiskt kan sådana formationer existera inte bara i spin-is, utan också i ett Bose-Einstein-kondensat . De upptäcktes av en grupp forskare från Boston. De simulerade på en dator ett mycket kallt moln av Bose-gasatomer. De skapade en virvel av det och fick det som ser väldigt mycket ut som Diracs monopol, men är det inte. Sedan kunde de skapa en sådan virvel i ett experiment [19] . I januari 2014 lyckades forskare från USA och Finland skapa och fotografera en "magnetisk monopol" av samma typ [20] .
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Hypotetiska partiklar i fysik | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
grundläggande partiklar |
| ||||||||||
Kompositpartiklar _ |
|