Научное открытие часто происходит, когда вы меньше всего этого ожидаете. Но этого никто не мог ожидать.
Представьте, что вы ученый, идущий на риск, чтобы спроектировать и провести эксперимент, который, как все ожидают, абсолютно ничего не увидит. Вы вкладываетесь в физику на периферии: ищете признаки маловероятной, но теоретически возможной частицы, которую никогда раньше не видели. Несколько ученых на протяжении многих десятилетий предполагали, что такая частица потенциально может существовать, но все попытки обнаружить ее существование - как прямые, так и косвенные - ни к чему не привели.
Однажды на выходных вы проводите свой продолжительный эксперимент и решаете не приходить в лабораторию в это воскресенье. Когда вы вернетесь в понедельник, вы обнаружите, что произошло немыслимое: ваш детектор зарегистрировал сигнал, не похожий ни на один из тех, что вы когда-либо видели. В первый (и единственный) раз вы увидели свидетельство совершенно новой частицы. Это не просто сценарий мечты; на самом деле это произошло в День святого Валентина в 1982 году.
В науке об электромагнетизме есть два типа зарядов: положительный и отрицательный. Эти фундаментальные заряды имеют чисто электрическую природу и не имеют собственного магнитного заряда. Конечно, у вас могут быть северный и южный магнитные полюса, но не один без другого. Тот факт, что электромагнетизм не является симметричной теорией - что существуют электрические заряды, но не магнитные заряды - является фундаментальной истиной наших законов природы.
Единственный способ, которым мы можем генерировать магнитные поля, - это иметь движущиеся электрические заряды: электрические токи. Эти токи могут генерироваться на атомном или молекулярном уровне, поскольку отдельные электроны вращаются внутри гораздо более крупных макроскопических структур. Даже известные вам постоянные магниты не могут иметь отдельных северных или южных полюсов; они могут существовать только в тандеме.
В природе совместное обнаружение северного и южного полюсов является неоспоримым свойством магнетизма. Магниты существуют, но только в виде магнитных диполей. Не существует таких вещей, как северный или южный магнитный полюс сам по себе: магнитный монополь. Если мы хотим создать его, есть только два способа сделать это. (И первый способ включает в себя немного читерства.)
1.) Мы можем создавать квазичастицы, напоминающие магнитные монополи. В некоторых приложениях физики конденсированного состояния можно создавать магнитные струны, в которых длинные тонкие магниты создаются на решетке, что позволяет разделить северный и южный полюса на большие расстояния. Если вы сможете разделить их на достаточно большие расстояния, при взгляде на вашу систему окажется, что существует только один полюс. Однако другой полюс все еще существует; он просто хорошо отделен и изолирован от полюса, который вы измеряете.
2.) Мы могли бы изменить теорию электромагнетизма, включив в нее магнитные монополи. Это буквально теоретическое тщеславие: изменить известные законы физики, чтобы сделать возможным создание нового типа материи. Модификация проста: вместо просто электрического заряда предположим, что существует и новый тип заряда - магнитный заряд - . Если вы добавите это к своей теории, весь электромагнетизм станет симметричным.
- Электрические заряды существуют в положительной и отрицательной версиях; магнитные заряды существуют в северной и южной версиях.
- Двигающиеся электрические заряды генерируют магнитные поля; движущиеся магнитные заряды генерируют электрические поля.
- Изменяющиеся магнитные поля вызывают перемещение электрических зарядов; теперь изменение электрических полей приведет к перемещению магнитных зарядов.
Это впервые обыграл Дирак в 1930-х годах, но никто не воспринял это всерьез из-за отсутствия доказательств.
В 1970-х годах, однако, возобновился интерес к теориям, которые были более симметричны, чем Вселенная, которую мы знаем и наблюдаем сегодня. Теории Великого объединения вошли в моду, поскольку электрослабое объединение заставило многих предположить, что, возможно, при еще более высоких энергиях могут существовать дополнительные типы объединений.
Если бы в прошлом силы и взаимодействия были более едиными, это означало бы существование новой физики, выходящей за рамки того, что в настоящее время известно в Стандартной модели. Нарушение этих симметрий для получения Вселенной с низкой энергией, которую мы имеем сегодня, приводит к предсказанию дополнительных полей и новых массивных частиц. Во многих воплощениях магнитные монополи (разновидности т Хоофта/Полякова) являются одними из таких новых предсказаний.
Всякий раз, когда у вас есть интересное, убедительное теоретическое предсказание, вы хотите найти способ проверить его. Если бы Вселенную пронизывали магнитные монополи, есть шанс, что мы могли бы обнаружить один из них, если бы он прошел через проволочную петлю. Прохождение магнита через проводящую петлю регистрировало бы сигнал: положительный определенной величины, когда через него проходил первый полюс, а затем отрицательный такой же величины, когда проходил второй полюс.
Если бы магнитные монополи были реальными, вы бы получили сигнал, который имел только одно направление: положительное или отрицательное, после чего не удалось бы вернуться к исходной нулевой линии. На протяжении 1970-х годов несколько исследователей разрабатывали и строили эксперименты именно такого типа. Безусловно, самый известный из них был составлен физиком Бласом Кабрерой.
Кабрера разработал свой эксперимент для работы при низких криогенных температурах, соорудив не одну петлю из проволоки, а катушку, содержащую восемь витков. Катушка была разработана и оптимизирована для измерения магнитного потока, поэтому, если через нее пройдет монополь в один магнетон (теоретическая единица квантованного магнетизма), вы увидите сигнал ровно в 8 магнетонов.
Если, с другой стороны, вы пропустите через него дипольный магнит, вы получите сигнал +8, за которым следует один из -8 (или -8, за которым следует +8), так что вы можно отличить монополь от диполя. Если бы сигнал отличался от 8 магнетонов (или кратен 8), вы бы знали, что не видите магнитных монополей.
Итак, он собрал это устройство и стал ждать. Устройство было не идеальным, и время от времени один из контуров посылал сигнал, давая ложноположительный результат +1 или -1 магнетон. В еще более редких случаях два контура посылали сигнал одновременно, давая ложный сигнал +2 или -2. Помните, что вам понадобится сигнал 8 (и ровно 8), чтобы он был магнитным монополем.
Прибор никогда не обнаруживал три или более.
Этот эксперимент длился несколько месяцев безуспешно, и в конечном итоге его сократили до проверки всего несколько раз в день. В феврале 1982 года День святого Валентина выпал на воскресенье, и Кабрера не пришел в лабораторию. Когда он вернулся в офис 15-го числа, он с удивлением обнаружил, что компьютер и устройство зафиксировали ровно 8 магнетонов чуть меньше 14:00 14 февраля 1982 года.
Открытие пронеслось в сообществе, вызвав огромный интерес. Были построены огромные устройства с большей площадью поверхности и большим количеством петель, и многие новые группы присоединились к поиску магнитных монополей. Несмотря на большие вложения ресурсов, другого монополиста так и не увидели. Стивен Вайнберг, знаменитый лауреат Нобелевской премии и разработчик Стандартной модели, написал Кабрере стихотворение на следующий День святого Валентина:
Розы красные, Фиалки синие, Пришло время монополии
номер два!
Но монополия два так и не пришла. Спустя 37 лет после первого (и единственного) обнаружения поиск магнитных монополей в значительной степени прекратился, а эксперимент IceCube в Антарктике установил самые строгие ограничения.
Мы никогда не узнаем, что происходило внутри этого детектора в День святого Валентина 1982 года. Был ли действительно магнитный монополь, прошедший через него, где нам посчастливилось найти его, но никогда не видели другого? Был ли это беспрецедентный сбой в оборудовании? Самый необычный космический луч с необъяснимыми до сих пор свойствами? Или, может быть, розыгрыш студента, соперника или профессионального диверсанта?
В экспериментальной науке самое главное - иметь возможность воспроизвести свои результаты, а обнаружение второго монополя никогда не происходило. Какой бы прекрасной ни была симметричная Вселенная, она просто не похожа на ту Вселенную, которая у нас есть. Никто не знает, что случилось, что заставило нас думать, что мы обнаружили магнитный монополь, но без повторного подтверждения у нас нет другого выбора, кроме как сделать вывод, что это не было реальным. Магнитных монополей, насколько мы можем судить, не существует.