Un monopol magnetic este o particulă elementară ipotetică cu o încărcătură magnetică nonzero, o sursă de punct a unui câmp magnetic radial. O sarcină magnetică este sursa unui câmp magnetic static, în același mod în care o sarcină electrică este o sursă de câmp electric static.
Un monopol magnetic poate fi reprezentat ca un singur pol al unui magnet permanent și subțire. Totuși, toți magneții cunoscuți au întotdeauna doi poli, adică un dipol. Dacă tăiați magnetul în două părți, atunci fiecare parte va avea în continuare doi poli. Toate particulele elementare cunoscute. care posedă un câmp electromagnetic. sunt dipoli magnetici.
Odată cu crearea fizicii ca știință pe baza experienței, a confirmat opinia că proprietățile electrice și magnetice ale corpurilor sunt semnificativ diferite. Această opinie a fost clar exprimată de William Hilbert în 1600. Charles Coulomb a stabilit identitatea legilor atracției și respingerii sarcinilor electrice și a taxelor magnetice - poli magnetici, din nou, a ridicat problema similitudinii forțelor electrice și magnetice, dar până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, sa constatat că în laborator este imposibil de a crea un corp cu încărcătură magnetică totală nenul. Conceptul de „substanță încărcată magnetic“ a fost mult timp expulzat din fizică după locul de muncă Ampere în care, în 1820. Sa dovedit că circuitul cu curent electric creează același câmp magnetic ca un dipol magnetic.
În 1894, Pierre Curie a expus într-o scurtă notă că introducerea taxelor magnetice în ecuațiile lui Maxwell se face în mod natural și le face mai simetrice.
Simetria ecuațiilor Maxwell
Ecuațiile electrodynamicii clasice formulate de Maxwell conectează câmpurile electrice și magnetice cu mișcarea particulelor încărcate. Aceste ecuații sunt aproape simetrice în ceea ce privește energia electrică și magnetismul. Ele pot fi făcute complet simetrice dacă în plus față de încărcarea electrică și curent, introduceți o anumită încărcare magnetică și un curent magnetic:
Fără monopole magnetice
Cu monopoluri magnetice
În acest caz, ecuațiile modificate din coloana din dreapta devin ecuații clasice sub substituția u, adică dacă nu există încărcături magnetice în regiunea considerată a spațiului. Astfel, este posibil să se creeze un sistem de ecuații Maxwell ținând cont de existența încărcărilor magnetice, în timp ce ecuațiile clasice reflectă pur și simplu faptul că, de obicei, nu se observă sarcini magnetice.
Dacă există încărcări magnetice, atunci existența curenților magnetici va duce la corecții semnificative ale ecuațiilor Maxwell. care poate fi observată la scară macroscopică.
În noua formă de ecuațiile lui Maxwell au dificultăți în utilizarea descrierea matematică a potențialului vectorului. În prezența atât a încărcăturilor magnetice cât și a celor electrice, câmpul electromagnetic nu poate fi descris prin intermediul unui potențial de vector care este continuu pe tot spațiul. Prin urmare, prezența taxelor magnetice ale ecuației particule încărcate de mișcare este scoasă din principiul variațional minimei acțiune. În electrodinamicii clasice, aceasta nu duce la dificultăți fundamentale (deși face teoria un pic mai puțin frumoasă), dar este imposibil de a formula dinamicii cuantice în afara hamiltonianul sau formalismul Lagrangian. [sursa nu este specificată 1113 zile]
Diracov Monopolis
Paul Dirac a creat o teorie cuantică a interacțiunii unei încărcături electrice cu o sarcină magnetică, care este aplicabilă în condiția: unde este un număr întreg. Astfel, încărcătura magnetică a unei particule trebuie să fie un multiplu al sarcinii magnetice elementare, unde este sarcina electrică elementară.
În mod remarcabil, contrariul este adevărat: existența unei încărcări magnetice nu contrazice mecanica cuantică standardă numai dacă încărcăturile electrice ale tuturor particulelor sunt cuantizate. (Astfel, existența în natură a cel puțin unui monopol magnetic cu o anumită încărcare ar explica multiplicitatea încărcărilor electrice ale particulelor observate în experiment, magnitudinea și încărcătura magnetică ar trebui, de asemenea, să fie cuantizată).
Condiția de cuantificare Dirac este generalizată la interacțiunea a două particule, fiecare dintre ele având o încărcătură electrică și una magnetică (astfel de particule se numesc dioane)
(În sistemul de unități folosite, ele au aceeași dimensiune, iar sarcina este fixată de relație.)
În aproximarea nerelativistă, forța care acționează asupra dionului 1 cu coordonatele și viteza din partea dionului 2 fixată la origine este egală cu
Rețineți că combinațiile de sarcini incluse în această formulă sunt invariabile în ceea ce privește transformarea dublă.
Modelul t Hoofta - Polyakova
În 1974, AM Polyakov și Gerard 't Hooft au descoperit independent [1]. că existența unui monopol magnetic nu este numai posibilă, ci și necesară în teoriile de teren ale unei anumite clase. În modelele unificatoare. considerând simetria în ceea ce privește transformarea de fază a funcțiilor de undă ale particulelor încărcate ca o componentă a unei simetrii gauge non-abeliene mai mare, câmpul electromagnetic asociat cu câmpurile de calibrare multiplet încărcate cu mase mari (mase de acestea apar într-o rupere spontană de simetrie). Pentru anumite grupuri de simetrie de gabarit, există configurații stabile de câmpuri localizate într-o regiune de dimensiuni și crearea unui câmp magnetic simetric sferic în afara acestei regiuni. Existența unor astfel de configurații depinde de proprietățile topologice ale grupului de calibrare, mai precis, cu privire la modul în care este încorporat într-un subgrup de simetrie conservată după rupere spontană. Stabilitatea acestor monopoluri magnetice este determinată de comportamentul special al câmpurilor la distanțe mari de la centru. o masă magnetică monopole se poate calcula, depinde de modelul de domeniu specific, dar în orice caz, trebuie să fie mare, (estimat pentru o modele de mare clasă). Aceste monopolii magnetice pot fi produse într-un univers fierbinte la scurt timp după Big Bang la tranziția de fază asociată cu rupere spontană de simetrie și apariția non-zero, câmpuri scalare omogene în vid. Cantitatea produsă de monopoli magnetice determinate de procesul universului într-un stadiu incipient, astfel încât absența lor acum este posibil de a judeca despre proces. O explicație pentru faptul că monopolurile magnetice relicve nu se găsesc este dată de teoria universului inflaționist (inflația). Monopolurile magnetice ale lui Hooft-Polyakova au unele proprietăți neobișnuite, datorită cărora ar fi ușor de detectat. În special, interacțiunea cu un monopol magnetic poate stimula degradarea unui nucleon. prezis de unele modele de mare unificare [2]. care este, să acționeze ca un catalizator pentru o astfel de dezintegrare.
Proprietăți fizice de bază
Încărcarea monopolului magnetic
Dimensiunea încărcării monopolului magnetic coincide cu dimensiunea încărcăturii electrice din sistemul SGS:
unde este viteza luminii într-un vid, constanta lui Planck și este o sarcină elementară.
În sistemul SI, dimensiunile încărcăturilor magnetice și electrice sunt diferite:
Constanta de cuplare monopol
Se știe că încărcăturile electrice au o constantă de cuplare suficient de mică (așa-numita constantă a structurii fine). În sistemul GHS, are următorul înțeles:
În sistemul SI, avem o expresie mai greoaie:
În mod similar, putem introduce constanta de cuplare magnetică pentru sistemul CGS:
Pentru sistemul SI, expresia:
unde este constanta magnetica a vidului. Trebuie notat aici că constanta magnetică este mult mai mare decât unitatea și, prin urmare, nu este posibilă utilizarea metodelor perturbative în electrodinamica cuantică pentru încărcăturile magnetice.
Monopolul în greutate
Teoria lui Dirac nu prezice "masa monopolului magnetic". Prin urmare, în prezent nu există o opinie unică privind estimarea masei monopole (experimentul indică doar limita inferioară). De asemenea, se poate observa aici că valoarea masei de electroni este pur experimentală și nu este prevăzută de modelul standard.
Estimarea masei monopole inferioare
Limita inferioară a masei monopole poate fi estimată din raza electronică clasică (sistemul SI):
unde este lungimea de undă Compton a electronului, este masa electronului
În mod similar, puteți introduce o valoare pentru raza clasică a monopolei magnetice (sistem SI):
unde este masa monopola. Astfel, echivalând razele clasice, se poate obține o limită inferioară pentru masa monopole:
Încercările de a găsi un monopol
Încercările repetate de detectare experimentală a unui monopol magnetic nu au avut succes. Încă de la începutul anilor 1980 au fost efectuate cercetări intensive pentru un monopol magnetic de origine cosmică. Experimentele pot fi împărțite în mai multe grupuri.
Magnetice cvasi-monopoluri
În unele sisteme din fizica materiei condensate pot exista structuri care seamănă cu un tub magnetic de monopol - flux. Capetele tubului magnetic formează un dipol magnetic, dar din moment ce mișcarea lor este independentă, în multe cazuri acestea pot fi considerate ca fiind cvasiparticule independente - monopoluri.
Cu toate acestea, aceste fenomene nu sunt legate [9] și, potrivit unui raport din Lumea Fizică [10]. monopolurile magnetice găsite în "gheața de spin" sunt diferite în originea monopolurilor fundamentale prezise de teoria lui Dirac.
Detectat „monopole“ sunt cvasiparticulelor (liniile de câmp magnetic care aparține uneia dintre aceste cvasiparticulelor rămân închise, care trece printr-o „linie“ subțire conectează două astfel de cvasiparticulelor, fiecare dintre care, în acest sens, se percepe o taxă magnetică izolat) în loc de elementar particule. astfel încât această descoperire nu a revoluționat fizica particulelor elementare. Cu toate acestea, "cvasi-monopolurile" sunt interesante în sine și fac obiectul unei cercetări intensive. Teoretic, o astfel de educație poate exista nu numai în gheață de spin, dar, de asemenea, în Bose - condensați Einstein.