Физика — это наука о том, как элегантно объяснить мир, а потом обнаружить, что твоё объяснение дырявое, как швейцарский сыр после артобстрела. И нет лучшего примера этой интеллектуальной трагикомедии, чем история о магнитных монополях — частицах, которые обязаны существовать по всем законам красоты и симметрии, но при этом старательно избегают любых попыток их обнаружить, словно должники при встрече с коллекторами.
Почему физики сходят с ума по монополям
Возьмите любой магнит. Хоть с холодильника, хоть из динамика наушников. Разломите его пополам. Что получите? Два магнита, каждый со своими северным и южным полюсами. Разломите ещё раз — получите четыре магнита. Можете дробить до атомарного уровня, результат будет тем же: магнитные полюса всегда ходят парами, как носки из стиральной машины (ну, в идеальном мире).
А теперь посмотрите на электричество. Там всё иначе. Электрон — это отрицательный заряд сам по себе, одиночка, интроверт электромагнитного мира. Протон — положительный, и тоже прекрасно существует без пары. Они могут разлучаться, встречаться, игнорировать друг друга — полная свобода. Так почему магнетизм такой закомплексованный? Почему магнитные заряды обречены на вечный брак?
Этот вопрос не давал покоя физикам с того момента, как Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х годах сформулировал свои знаменитые уравнения. Четыре изящные формулы, которые описывают всё электромагнитное взаимодействие во Вселенной — от молнии до радиоволн. Вот только в этих уравнениях зияет асимметрия, которая раздражает физиков примерно так же, как криво повешенная картина раздражает людей с обсессивно-компульсивным расстройством.
Максвелл ошибся или природа издевается
Давайте разберёмся с этой асимметрией, не убегая в математические дебри. В уравнениях Максвелла есть источники электрического поля — это электрические заряды. Есть источники магнитного поля — это электрические токи, то есть движущиеся заряды. Но вот источника магнитного поля в виде магнитного заряда — нет. Зеро. Пустота.
Представьте себе ресторан, где подают только вторые блюда, а первые принципиально отсутствуют в меню. Работать будет, еда будет вкусной, но что-то определённо не так, правда?
Физики — люди, одержимые симметрией. Для них красивая теория — это теория, где левое зеркально отражает правое, где каждой частице соответствует античастица, где законы природы одинаковы во всех направлениях. И электромагнетизм в его нынешнем виде — это как лицо с одной бровью: функционально, но эстетически невыносимо.
Если бы магнитные монополи существовали, уравнения Максвелла стали бы абсолютно симметричными. Электрические заряды порождали бы электрическое поле, магнитные заряды — магнитное. Электрические токи создавали бы магнитное поле, магнитные токи — электрическое. Гармония. Красота. Да вот только природа, похоже, плевала на наши эстетические предпочтения.
Дирак и его безумная струна
В 1931 году британский физик Поль Дирак — тот самый, который предсказал существование антиматерии — решил подойти к проблеме с другого конца. Он не искал монополи в природе. Он задал вопрос: а противоречит ли их существование квантовой механике?
Ответ оказался ошеломляющим: нет, не противоречит. Более того, Дирак обнаружил нечто экстраординарное. Если во Вселенной существует хотя бы один магнитный монополь — всего один, хоть где-нибудь, хоть в самой далёкой галактике — это автоматически объясняет, почему электрический заряд квантуется, то есть существует только порциями, кратными заряду электрона.
Это было как найти ключ от сейфа, не зная, где сам сейф. Квантование заряда — один из самых загадочных фактов физики. Почему заряд электрона именно такой? Почему не в два раза больше или меньше? Ответа не было — пока Дирак не показал, что само существование монополей делает квантование неизбежным.
Правда, была одна техническая заковырка. В теории Дирака монополь тащил за собой бесконечно тонкую «струну» — линию сингулярности, на которой физические законы давали сбой. Словно монополь — это воздушный шарик, а струна — нитка, за которую его держат. Можно сделать эту нитку ненаблюдаемой математическими фокусами, но её присутствие всё равно ощущается.
Современные физики научились обходить эту проблему более элегантными методами, но сама идея Дирака осталась: монополи не запрещены законами физики. Они — желанные гости, которых никто не видел, но место за столом для них накрыто.
Охота на невидимку
С тех пор как Дирак дал теоретическое благословение, охота на монополи превратилась в один из самых длительных и разочаровывающих квестов в истории физики. Это как искать иголку в стоге сена, только стог размером с галактику, а иголка может быть замаскирована под соломинку.
Детекторы строили везде: глубоко под землёй, на горных вершинах, в Антарктиде, на воздушных шарах в стратосфере. Логика простая — если монополь пролетит через вещество, он оставит характерный след. Магнитный монополь индуцировал бы электрический ток в любой проводящей катушке, через которую пройдёт. Сигнал должен быть уникальным, безошибочным.
В 1982 году произошло событие, которое до сих пор вызывает споры. Физик Блас Кабрера из Стэнфорда зарегистрировал сигнал в своём сверхпроводящем детекторе — идеальный скачок тока, точно такой, какой ожидался от пролетающего монополя. Научное сообщество затаило дыхание. Неужели?
Увы. За сорок с лишним лет эксперимент Кабреры повторялся бесчисленное количество раз на куда более чувствительном оборудовании. Ни одного повторного сигнала. Тот единственный импульс остался загадкой — то ли космическая случайность, то ли аппаратный глюк, то ли действительно одинокий монополь, который решил заглянуть в гости и больше не возвращаться.
Почему мы их не видим: три версии апокалипсиса
Современная физика предлагает несколько объяснений, почему монополи играют с нами в прятки. И каждое объяснение — это маленький научный триллер.
Версия первая: космологическая инфляция. Согласно стандартной модели космологии, монополи должны были рождаться в огромных количествах в первые мгновения после Большого Взрыва, когда Вселенная была горячее, чем преисподняя на максималках. Но затем произошла инфляция — экспоненциальное расширение пространства. Вселенная раздулась так быстро, что все эти первичные монополи оказались разбросаны по объёму, в триллионы триллионов раз превышающему наблюдаемую Вселенную. Они где-то есть, но шанс встретить хоть один — как выиграть в лотерею, играя чужим билетом в несуществующем розыгрыше.
Версия вторая: монополи слишком тяжёлые. Теоретические расчёты показывают, что масса магнитного монополя должна быть чудовищной по меркам субатомного мира — примерно в 10^16 раз тяжелее протона. Это масса бактерии, сконцентрированная в точке меньше атомного ядра. Чтобы создать такую частицу в ускорителе, потребовалась бы энергия, недостижимая для любых технологий даже в самых смелых фантазиях. Большой адронный коллайдер — это детская рогатка по сравнению с тем, что нужно для рождения монополя.
Версия третья, самая провокационная: монополей не существует вовсе. Возможно, асимметрия в уравнениях Максвелла — не баг, а фича. Возможно, природа действительно фундаментально асимметрична, и наше стремление к красивым симметричным теориям — просто проекция человеческих эстетических предпочтений на равнодушную реальность. Некоторые физики шёпотом признают: может, пора перестать искать.
Но большинство не готово сдаваться. Потому что альтернатива — признать, что одна из самых красивых идей в физике была миражом.
Что изменится, если мы их найдём
Давайте пофантазируем: завтра в детекторе появляется неопровержимый сигнал. Монополь пойман. Что дальше?
Во-первых, это будет Нобелевская премия размером с небольшой государственный бюджет. Открытие монополя по значимости сравнимо с обнаружением бозона Хиггса, а возможно, и превосходит его.
Во-вторых, придётся переписывать учебники. Не только по физике, но и по технологиям. Монополи могли бы стать основой для совершенно новых устройств хранения данных, принципиально иных электромоторов, экзотических источников энергии. Магнетизм без двуполюсного «брака» — это как электроника без проводов: открывает пространства, о которых мы даже не догадываемся.
В-третьих, это подтвердит ряд теорий Великого объединения — попыток объединить все фундаментальные взаимодействия в единую суперсилу. Почти все такие теории предсказывают монополи как неизбежный побочный продукт. Найти монополь — значит получить ключ к физике за пределами Стандартной модели, туда, где гравитация наконец-то договорится с квантовой механикой.
И всё же главный вопрос остаётся: а стоит ли продолжать поиски чего-то, что может не существовать? Физики отвечают: да, безусловно. Потому что сам поиск — это не погоня за конкретной частицей. Это проверка наших представлений о Вселенной. Каждый эксперимент, не обнаруживший монополь, ставит ограничения на теории. Говорит: «Если монополи есть, то они должны быть тяжелее этого, или реже этого, или прятаться лучше этого». Отрицательный результат — тоже результат.
Философия отсутствия
Магнитный монополь — это больше, чем частица. Это символ научного метода, его силы и его ограничений. Мы построили теории, которые говорят: вот здесь должно быть что-то. Мы создали инструменты, способные зафиксировать присутствие этого чего-то. И мы терпеливо ждём, год за годом, десятилетие за десятилетием.
В этом ожидании есть что-то почти религиозное. Вера в симметрию, в красоту законов природы, в то, что Вселенная должна быть логичной и элегантной. Но в отличие от религии, наука готова принять отрицательный ответ. Если монополей нет — значит, нет. Мы пересмотрим свои убеждения, перестроим теории, пойдём дальше.
Пока же охота продолжается. Детекторы работают, данные анализируются, физики спорят на конференциях. Где-то там, в глубине материи или в просторах космоса, возможно, прячется частица, которая сделает нашу картину мира полной. Или не прячется — и тогда нам придётся смириться с тем, что совершенная симметрия — это мечта, а не закон.
Как бы то ни было, поиск магнитного монополя учит нас важнейшему уроку: в науке нет окончательных поражений. Есть только вопросы, которые мы ещё не научились правильно задавать. И может быть, когда-нибудь правильный вопрос приведёт нас к частице, которая перевернёт всё, что мы знаем о магнетизме, электричестве и самой ткани реальности. А пока — наблюдаем, измеряем, надеемся. Это и есть настоящая физика: искусство ждать, не теряя любопытства.