Магнитный монополь

Магнитный монополь - гипотетическая частица, аналог элементарного электрического заряда для магнитного поля.


1. Суть идеи

Магниты имеют два полюса. Этим свойством магнитное взаимодействие корне отличается от электрической. Электрическое поле создается положительными и отрицательными зарядами - частицами с одним единственным полюсом. Аналогом постоянного магнита для электрического поля диполь, который всегда можно разбить на два заряда разного знака. Т.е. электрическое и магнитное поле, которые являются равнозначными составляющими электромагнитной волны, коренным различаются по своим истокам.

Отсутствие такой симметрии вызвала гипотезу о возможном существовании частицы с магнитным зарядом.

До экспериментального свидетельства о существовании магнитного монополя получить не удалось за исключением одного случая, когда экспериментальная установка сработала 14 февраля 1982 года. Этот случай получил название монополь святого Валентина.


2. История понятия

На ранних этапах развития физики, которая базируется на экспериментальных исследованиях, распространилась мысль о принципиальном различии электрических и магнитных свойств физических тел. Эта мысль четко была сформулирована (W. Gilbert, 1600). Установка Шарлем Кулоном тождества законов притяжения и отталкивания для электрических и магнитных зарядов (полюсов магнитов) - снова подняло вопрос о сходстве электрических и магнитных сил, однако в конце 18 века было показано, что в лабораторных условиях невозможно разделить дипольное магнитное тело на отдельные магнитные заряды. Поэтому понятие о магнитно заряжен субстанцию ​​было надолго изгнаны из физики после работ Ампера в 1820, где было доказано, что контур с электрическим током создает такое же магнитное поле, как и магнитный диполь.

Восстановление концепции магнитных зарядов приходится на начало 30-х годов 20-го века, то есть в период пересмотра основ физики в связи с созданием квантовой механики. Поль Дирак опубликовал несколько статей посвященных проблеме т.н. магнитного монополя (поэтому в дальнейшем эту гипотетическую долю стали называть монополий Дирака).


3. Монополь Дирака

Поль Дирак создал квантовую теорию взаимодействия электрического заряда e с магнитным зарядом g , Которая справедлива при выполнении условия: \ Frac {eg} {2 \ pi c} = n , Где n - целое число. Таким образом, магнитный заряд частицы должен быть кратным элементарному магнитном заряда g_0 = \ frac {2 \ pi \ hbar c} {e} , Где e - элементарный электрический заряд.

Достаточно примечательно обратное утверждение, что существование магнитного заряда не противоречит стандартной квантовой механике только в том случае, когда электрические заряды всех частиц квантуются. Таким образом, существование магнитного монополя пояснувало бы кратность электрических зарядов частиц величине e, что наблюдается на практике.

Условие квантования Дирака обобщается на взаимодействие двух частиц, каждая из которых имеет как электрический так и магнитный заряды (такие частицы называются Дион)

(E_1 g_2 - e_2 g_1) / 2 \ pi \ hbar c = n .

(В использованной Дираком системе единиц e и g имеют одинаковую размерность, причем заряд е фиксированный соотношением e ^ 2/4 \ pi \ hbar c = 1/137 .) В нерелятивистском приближении сила, действующая на дион 1 из координатами r и скоростью v со стороны диона 2, закрепленного в начале координат, равна

F = \ frac {(e_1 e_2 + g_1 g_2) \ mathbf {r} + (e_1 g_2 - e_2 g_1) \ frac {\ mathbf {\ left [vr \ right]}} {c}} {4 \ pi r ^ 3} .

Следует отметить, что комбинации зарядов, входящих в эту формулу является инвариантным относительно дуального преобразования.

В СИ размерности электрических и магнитных зарядов разная. Более того, в ней магнитный заряд определяется через отношение двух фундаментальных констант:

\ Mu = \ frac {h} {e} = 4.135701 \ cdot 10 ^ {-15} Дж / А,

где h - постоянная Планка и e - электрический заряд электрона.


4. Формальное введение магнитного заряда

По аналогии с законом Кулона для электрических зарядов, можно ввести закон взаимодействия между одноименными магнитными зарядами \ Mu \ . Сила отталкивания (притяжения) между двумя магнитными зарядами может быть представлена ​​в форме [1] :

F_ {\ mu} = \ frac {\ mu ^ 2} {4 \ pi \ mu_0r ^ 2} ,

где \ Mu_0 \ - Магнитная проницаемость вакуума, а r - \ расстояние между двумя зарядами. Постоянная тонкой структуры для магнитных зарядов имеет вид:

\ Beta = \ frac {\ mu ^ 2} {2 \ mu_0hc} = \ frac {1} {4 \ alpha} = 34,259009 ,

где h - постоянная Планка, c - скорость света в вакууме, а \ Alpha - постоянная тонкой структуры для электрических зарядов.


См.. также

Примечания

  1. Yakymakha OL, High Temperature Quantum Galvanomagnetic Effects in the Two-Dimensional Inversion Layers of MOSFET's, p.91. Vyscha Shkola, Kyiv (1989) djvu - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Yakimaha1989ru.djvu


Литература

  • "Монополь Дирака". Сборник статей, перевод с английского, под редакцией Б. М. Болотовского и Ю. Д. Усачева, М., 1970.
  • Стражев В.И., Томильчик Л. М. электродинамики с магнитным зарядом - Минск, 1975.
  • Коулмен С. Магнитный монополь пятьдесят лет спустя - пер. с англ. - "Успехи физических наук", 1984, т. 144, с.277. текст - data.ufn.ru / / ufn84/ufn84_10/Russian/r8410e.pdf.
  • Дэвонс С. Поиски магнитного монополя - "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4, с. 755-760 (Дополнение Б. М. Болотовского, там же, с. 761-762).
  • Швингер Ю. Магнитная модель материи - "Успехи физических наук", 1971, т. 103, в. 2, с. 355-365.
  • Shnir, Yakov M. Magnetic Monopoles - Springer-Verlag, Berlin, 2005 (ISBN 3-540-25277-0).