В поисках магнитного монополя

Как-то в детстве автору пришла в голову необыкновенная мысль: получить магнит с одним полюсом – монополем. У автора имелся большой подковообразный магнит, и один его край, как и половина стрелки компаса, как полагал автор, стремится на юг, а другой – на север. Середина же магнита не притягивает железа, а стало быть, никуда не стремится. И, казалось, если разломать магнит и поставить куски на колесики, а еще лучше на дощечки в воде, то одна часть магнита поплывет на юг, а другая – на север! Изготовив огромные половинки магнита и положив их на грузовик или катер, можно будет вовсе без двигателя добраться хоть до Северного полюса, хоть до Южного!

Конечно же, магнит был разломан и красная половинка водружена на кусок доски, плавающей в тазу с водой.

Но кусок магнита так и не поплыл никуда. Он только медленно развернулся, так, что его целый край стал указывать на юг, а обломанный – на север! Приблизив компас к обломанному краю, автор, к своему удивлению, убедился, что на нем… Южный полюс. А на другом куске обломанный край стал полюсом Северным. Гвоздь одинаково сильно начал притягиваться к каждому краю кусков, как будто не этот самый гвоздь отказывался притягиваться, когда куски были вместе. Вот чудеса!

Тут что-то подсказало автору соединить куски магнитов, на сей раз их целыми концами, и повторить пробу на гвоздь. И гвоздь нисколько не притянулся к месту соединения полюсов, как будто их там и не было!

Куда подевались полюса? Ведь к каждому из них гвоздь достаточно сильно притягивался. И вместо того, чтобы притянуться вдвое сильнее, он вовсе не желал делать этого. Автор почувствовал себя совсем одураченным: и магнит сломан, и путешествие на Север отменяется, и никак нельзя отделить Северный полюс магнита от Южного…

Магнит с одним-единственным полюсом, или, как его называют, монополь, оказывается, совсем не противоречит науке. И удивительно то, что мы до сих пор его не имеем, как не имеем, впрочем, и доказательств его невозможности. Поговорим об этом удивительном магните поподробнее.

В 1931 г. выдающийся физик П. Дирак (1902—1984) математически доказал возможность существования частицы с магнитным зарядом – монополя, то есть, что могут быть отдельно «северные» и «южные» магнитные заряды. Точно так же Дирак предсказал существование электрона с положительным зарядом – позитрона, и уже в 1932 г. он был обнаружен в природе.

Но прошло уже столько времени, а монополь все еще является призраком, существующим только на бумаге. Дело в том, что существование монополя дает естественное объяснение некоторым физическим явлениям, которые иначе как с помощью монополя и не объяснить.

Время от времени физики пускаются на поиски монополя, но пока каждый раз безуспешно. Магнитные и электрические явления почти во всем подобны, кроме одного. Электрических зарядов – положительных и отрицательных – оказывается достаточно для создания как электричества, так и магнетизма (последний возникает при движении зарядов). Но электричество имеет источник своего существования – электрический заряд, а магнетизм заряда не имеет. Налицо асимметрия, электричество имеет некоторые преимущества перед магнетизмом.

И как раз Дирак доказал, что такого преимущества у электричества нет и быть не может. Магнитные и электрические явления должны быть полностью подобны, симметричны. При этом получен достаточно точный портрет монополя. Единичный заряд монополя в 38,5 раза больше единичного заряда электрона. Взаимодействие двух монополей в 4 700 раз сильнее взаимодействия двух электронов, стало быть, при тех же скоростях, что и электрон, магнитный монополь в 4 700 раз сильнее ионизирует атомы окружающей среды. Такой большой магнитный заряд позволяет легко управлять монополем даже слабыми магнитными полями, разгонять его до гигантских энергий, недоступных электронам. Монополь может сотворить чудеса в электронике, физике, наконец, применяться, например, в телевидении, ускорительной технике, да мало ли еще где.

Искали монополи в пучке ускоренных частиц при их столкновении с веществом, в космических лучах. Не удалось вытянуть их с помощью мощных магнитов из железосодержащих горных пород и метеоритов, где монополи космического происхождения могли застрять и накопиться за миллионы лет. Монополь должен быть очень стабилен, он не исчезнет, пока не столкнется с другим, противоположным по знаку монополем. Даже в лунном грунте и то искали магнитный монополь, но безуспешно.

То там, то здесь появляются сенсационные сообщения о «поимке» таинственного монополя, но при тщательной проверке они оказываются несостоятельными. Около 30 лет назад китайские ученые были уверены, что обнаружили монополь, но, увы, открытие не состоялось. В 1982 г. в солидном Стенфордовском университете (США), казалось бы, уже «поймали» монополь с помощью сверхпроводникового магнита. Но повторные опыты, более точные, ничего не дали.

Наконец, в 1985 г. в Лондонском университете с помощью чувствительнейших датчиков, казалось бы, обнаружили-таки монополь. Но подтверждения этого открытия пока не последовало.

В чем причина столь длительной неудачи поиска монополя? Может быть, он очень редок? Или его не там ищут? Или Дирак ошибся и неверно определил заряд монополя? В таком случае, выходит, не то ищут?

Но доказательства невозможности монополя тоже нет, и подтвердить эту невозможность не проще, чем найти сам монополь.

Спеши, читатель, ищи и найди свой монополь. Будет обидно, если это сделает кто-нибудь другой!

Янтарь с магнитом – братья?

Оказалось, что это близко к истине, и «побратала» их молния. Ведь при электризации янтаря возникают искры, а искры – это маленькие молнии.

Но молния молнией, а при чем же здесь магнит? Как раз молния и оказалась тем, что соединило воедино янтарь и магнит, ранее «разлученные» Гильбертом. Вот три выдержки из описания удара молнии, в которых видна близкая связь между электричеством янтаря и притяжением магнита.

«…В июле 1681 г. корабль „Квик“ был поражен молнией. Когда же наступила ночь, то оказалось по положению звезд, что из трех компасов… два, вместо того, чтобы, как и прежде, указывать на север, указывали на юг, прежний северный конец третьего компаса направлен был к западу».

«…В июне 1731 г. один купец из Уэксфилда поместил в углу своей комнаты большой ящик, наполненный ножами, вилками и другими предметами, сделанными из железа и стали… Молния проникла в дом именно через этот угол, в котором стоял ящик, разбила его и разбросала все вещи, которые в нем находились. Все эти вилки и ножи… оказались сильно намагниченными…»

«…В деревне Медведково прошла сильная гроза; крестьяне видели, как молния ударила в нож, после грозы нож стал притягивать железные гвозди…»

Удары молний, намагничивающие топоры, вилы, ножи, прочие стальные предметы, размагничивающие или перемагничивающие стрелки компасов, наблюдались столь часто, что ученые стали искать связь между электрическими искрами и магнетизмом. Но ни пропускание тока через железные стержни, ни воздействие на них искр от лейденских банок ощутимых результатов не дало – железо не намагничивалось, хотя точные современные приборы, пожалуй, почувствовали бы это.

Чуть-чуть отклонялась стрелка компаса в опытах физика Романьози из города Трента, когда он приближал компас к вольтову столбу – электрической батарее. И то лишь тогда, когда по вольтову столбу шел ток. Но Романьози тогда не понял причины такого поведения стрелки компаса.

Честь открытия связи между электричеством и магнетизмом выпала на долю датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), да и то случайно. Произошло это 15 февраля 1820 г. вот как. Эрстед в этот день читал лекцию по физике студентам Копенгагенского университета. Лекция была посвящена тепловому действию тока, иначе говоря, нагреванию проводников, по которым протекает электрический ток. Сейчас это явление используется сплошь и рядом – в электроплитках, утюгах, кипятильниках, даже в электролампах, спираль которых добела раскалена током. А во времена Эрстеда такое нагревание проводника током считалось новым и интересным явлением.

Рис. 362. Опыт Х. К. Эрстеда:

а – батарея отключена, стрелка компаса параллельна проводнику; б – батарея включена, стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику

Итак, первая случайность состояла в том, что около одного из нагреваемых проводников оказался компас, совершенно не нужный при такого рода опытах. Затем произошла другая случайность – один из студентов, окружавших Эрстеда, заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда проводник подключен к источнику тока – электрической батарее (рис. 362). И третья случайность завершила рождение открытия – студент решился указать именитому профессору на, казалось бы, совершенно постороннее, не имеющее к теме лекции никакого отношения явление, и ученый прислушался к реплике ученика.

Жаль, что мы так и не знаем имени того студента – ведь он полноправный соавтор великого открытия – связи между электричеством и магнетизмом, официальным автором которого стал профессор Эрстед.

Эрстед провел целую серию опытов, поясняющих закономерности поведения магнитной стрелки. Было замечено, что протекание тока по проводнику в разные стороны вызывает изменение направления отклонения стрелки компаса. Эрстед заметил также, что такому поведению стрелки не мешала никакая изоляция. Ученый помещал самые различные изоляционные материалы между проводником и компасом, но стрелка отклонялась все так же, и ее отклонение зависело только от направления и силы проходящего по проводнику тока.

И тогда с большой поспешностью Эрстед опубликовал свой знаменитый «памфлет» – четыре страницы текста на латинском языке, понятном тогда большинству ученых. Этот памфлет произвел ошеломляющее впечатление на ученый мир. Опыты Эрстеда стали повторять во многих лабораториях, причем удивлению и восторгу присутствующих не было предела. Свидетели вспоминают, что один их присутствующих на таком опыте встал и взволнованно произнес: «Господа, происходит переворот…»

Награды и почести так и посыпались на Эрстеда. Его выбирают академиком французской академии и награждают призом, учрежденным в свое время Наполеоном Бонапартом за крупные открытия в области электричества, – 3 тысячи золотых франков, назначают членом Лондонского королевского общества и многих других научных обществ. На родине Эрстеда король Фредерик VI наградил его Большим крестом ордена Даннеброг – высшей наградой Дании и разрешил ему основать Политехнический институт. Эрстед открывает в Дании общество для «поощрения научных занятий» и даже начинает выпускать литературный журнал. Между прочим, любовь маститого ученого к литературе не прошла даром и для самой литературы: Эрстед покровительствовал «маленькому Гансу Христиану» – будущему великому сказочнику Андерсену.

Эрстед становится национальным героем Дании и популярнейшим ученым в Европе. Ханс Кристиан Эрстед скончался в 1851 г. в зените своей славы.