Одной из самых громких научных сенсаций этого года, привлекших к себе повышенное внимание мировых СМИ, стала информация о долгожданном экспериментальном обнаружении магнитных монополей.
Эти полулегендарные частицы — носители базового магнитного заряда («придуманные» физиками-теоретиками по аналогии с электронами и протонами — носителями единичных электрических зарядов) были якобы найдены сразу несколькими группами ученых при исследованиях особого класса ферромагнитных веществ, так называемых спиновых льдов (spin ice).
Первые статьи на эту тему появились летом этого года в известном электронном хранилище научных публикаций arXiv, а в начале сентября две наиболее интересные работы, проделанные группами Джонатана Морриса и Тома Феннелла, удостоились внимания столпа мирового научпопа — журнала Science.
Не успела немного утихнуть первая волна противоречивых комментариев по поводу полученных этими исследовательскими командами эффектных результатов, как уже через месяц с небольшим в гонку публикаций включился один из первооткрывателей спинового льда Стивен Брэмвелл из Лондонского центра нанотехнологий. На страницах конкурирующего журнала Nature группа Брэмвелла представила общественности ни много ни мало первые данные экспериментальных измерений величины магнитного заряда и магнитного тока, искусственным образом созданного в результате изощренных манипуляций с кристаллической решеткой титаната диспрозия (Dy2Ti2O7), одной из важнейших разновидностей спинового льда. Брэмвелл и его коллеги вполне резонно предложили назвать обнаруженное ими новое физическое явление — магнитный эквивалент электричества — магнетричеством (magnetricity).
Отдельно юг, отдельно север
Так что же на самом деле удалось увидеть группам Брэмвелла, Морриса, Феннелла и другим исследователям свойств таинственного спинового льда? Неужели они и вправду наконец нашли магнитный монополь, безуспешными поисками которого занимались на протяжении многих десятилетий сотни, если не тысячи их коллег? И есть ли в обозримом будущем у человечества шансы на то, что магнетричество найдет широкое практическое применение в различных областях науки и техники?
Однозначных ответов на эти вопросы пока, пожалуй, не рискнет дать никто из специалистов, но по крайней мере в главном практически все они солидарны: как бы ни хотелось отдельным горячим головам выдать желаемое за действительное, пресловутый магнитный монополь в его исходном классическом понимании (в виде отдельной частицы) отловить все еще никому не удалось. То есть реальных частиц с одним изолированным магнитным полюсом (северным или южным), гипотезу о возможном существовании которых в природе впервые выдвинул в 1931 году выдающийся британский физик Поль Дирак, Брэмвелл и Ко отнюдь не детектировали.
Скажем, по мнению доцента кафедры общей и прикладной физики Нижегородского технического университета Бориса Булюбаша, «найдено всего лишь своеобразное состояние специфически организованного твердого тела. Такие состояния называют квазичастицами, и переносят они квазиимпульсы и квазизаряды. Магнитный квазизаряд у квазимонополя оказался отличным от нуля».
В свою очередь постоянный автор известного научно-популярного интернет-сайта «Элементы.ру» Игорь Иванов, комментируя в своем блоге опубликованные еще в сентябре результаты, отметил, что «речь тут, конечно, не идет об открытии магнитного монополя как отдельной элементарной частицы. Такие частицы как были, так и остаются гипотетическими объектами, существуют они в природе или нет — до сих пор не известно. То же, что было экспериментально обнаружено в результате сразу нескольких работ, — это коллективные электронные возбуждения в особых магнитных средах, выглядящие мезоскопически, то есть на расстояниях много больше атомных, словно (выделено нами. — “Эксперт”) магнитные монополи».
Наконец, в беседе с корреспондентом «Эксперта» доцент кафедры магнетизма физического факультета МГУ Николай Перов, отдельно подчеркнув, что «все эти эксперименты, безусловно, следует признать выдающимися, осуществленными на высочайшем технологическом уровне и обладающими большим фундаментальным значением», вместе с тем уточнил: «Все-таки, несмотря на то что поведение исследованных специфических материалов вполне соответствует теоретическим предсказаниям относительно магнитных монополей, напрямую связывать обнаруженные процессы с “монополями Дирака” я бы не стал. Почему? Ну хотя бы исходя из того факта, что они проявляют себя подобным образом лишь при экстремально низких температурах и их “монополеобразные” свойства жестко ограничены кристаллической решеткой спинового льда».
На пути к великому объединению
Как известно, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом в 60–70-е годы XIX века знаменитые уравнения классической электродинамики связали воедино электрическое и магнитное поля. Эти уравнения характеризуются удивительной красотой и почти полной симметрией относительно электричества и магнетизма. Однако хотя электрическая и магнитная силы в них тесно взаимосвязаны, «магнитная составляющая» все же выглядит в теории несколько ущемленной. В то время как электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, последние создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями.
В идеале (для достижения полной симметрии) уравнения Максвелла можно было бы немного видоизменить, введя в дополнение к электрическому заряду и току еще и магнитный заряд и ток. И хотя, казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не создавались магнитными зарядами (а электрические поля — магнитными токами), в реальности магнитные заряды не наблюдаются, а равно нет в ней места и отдельно взятым магнитным полюсам (северному и южному): все обычные магниты представляют собой диполи, имеют одновременно и северный, и южный полюса.
Таким образом, по всей совокупности известных современной науке экспериментальных данных получается, что магнитные монополи, гипотетические частицы, обладающие ненулевым магнитным зарядом — точечным источником радиального магнитного поля, природе вроде бы ни к чему. А сам магнетизм — всего лишь вторичный продукт электричества.
Однако по крайней мере в физической теории, точнее в ее странной квантовой составляющей, для магнитных монополей зарезервирована весьма почетная роль. И начало теоретической реабилитации магнитных монополей положил уже упоминавшийся Поль Дирак, обосновавший принципиальную возможность существования полностью симметричной квантовой электродинамики. Как отмечает в своей известной научно-популярной книге «Суперсила» британский физик Пол Дэвис, «Дирак постулировал, что в квантовой физике магнитные монополи определенно нужны, хотя в природе такая возможность и не используется. Связав существование магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил и весьма любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь действительно существует, утверждал ученый, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь вдруг заявит о себе, мы по крайней мере будем знать, какой величины должен быть магнитный заряд». Тем не менее, хотя проведенный Дираком анализ и выявил место магнитного монополя в физике, из самой его теории еще отнюдь не следовало, что магнитные монополи обязательно должны реально существовать в природе.
Надо сказать, что в начале 70-х годов ХХ века в теоретической физике делались попытки объяснить все и вся в рамках теории Великого Объединения (ТВО, или GUT — Grand Unified Theory), и, что удивительно, обязательным атрибутом большинства разработанных идеологами ТВО моделей оказалось реальное существование магнитных монополей. Точнее, в моделях ТВО постулируется существование целого класса гипотетических частиц, так называемых дионов, обладающих одновременно электрическим и магнитным зарядами, а магнитные монополи — своего рода элементарная основа этого класса (самые первые магнитные монополи могли родиться в горячей Вселенной вскоре после Большого взрыва).
Так, одну из наиболее известных модельных разновидностей — монополь Великого Объединения (МВО) — в 1974 году совместно предложили голландец Герард т’Хоофт и советский ученый Александр Поляков. Согласно расчетам ученых, если эти МВО действительно есть в природе, они должны обладать целым рядом странных свойств, в частности чудовищно большой по меркам микромира массой (верхний оценочный предел их массы в энергопересчете порядка 1017 ГэВ), а также весьма сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из множества силовых зон. Впрочем, модель МВО т’Хоофта—Полякова оказалась не уникальной — схожие оценки по предполагаемой массе магнитных монополей были сделаны и другими разработчиками GUT. По образному сравнению американского физика Джеймса Трефила, «Вселенная без магнитного монополя для современных теоретиков подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте». И на протяжении последних двух-трех десятилетий в качестве непременной составляющей рабочей программы на каждом из вновь создаваемых ускорителей частиц значатся поиски пресловутых «дираковских монополей».
Присутствуют они и в планах по эксплуатации Большого адронного коллайдера (LHC) в швейцарском ЦЕРНе. И, по словам Николая Перова, у физиков сегодня есть определенная надежда, что в ходе экспериментов на этом новейшем ускорителе магнитные монополи все-таки будут обнаружены. Правда, полагает Перов, для того чтобы эта надежда оправдалась, ученым, скорее всего, необходимо будет придумать новую нетривиальную методику поимки монополей, поскольку, исходя из текущих ограничений на энергетическую мощность, доступную LHC, достичь требуемых ТВО величин пока не представляется возможным.
Ледорубы физической теории
Как это часто бывало в истории физики, упорные экспериментаторы придумали интересный обходной маневр. В качестве палочки-выручалочки ими была использована необычная природная субстанция, тот самый спиновый лед.
Оказалось, что топологическая конфигурация некоторых специфических кристаллических структур, обладающих ферромагнитными свойствами, по ряду внешних признаков сильно напоминает структурные особенности водяного льда. Уже сравнительно давно физики установили, что обычный водяной лед не вполне упорядоченная кристаллическая структура. Точнее, он состоит из упорядоченной решетки атомов кислорода, зато атомы водорода расположены в нем до некоторой степени случайно: множество конфигураций с разным пространственным расположением водорода имеют одинаковую энергию. И хотя на каждом «отрезке», соединяющем соседние атомы кислорода, находится по атому водорода, эти атомы водорода расположены не точно посередине «отрезка» — всегда есть два ближних атома водорода и два дальних. В результате такого произвольного пространственного разброса в расположении атомов водорода в кристаллах водяного льда возникает остаточная энтропия.
За последние десять с небольшим лет ученые смогли обнаружить в природе целый ряд сложных веществ-ферромагнетиков (титанат гольмия, а также станнат гольмия и титанат диспрозия; гольмий и диспрозий — редкоземельные металлы-лантаноиды), которые обладают аналогичной водяному льду остаточной энтропией. Более того, общая модель описания их свойств практически совпадает с моделью льда, только в ферромагнетиках играют роль не положение отдельных атомов, а направление спинов — магнитных моментов — ионов. Отсюда, собственно, и возникло обобщающее название для этого нового класса веществ — спиновые льды, где составляющие их кристаллическую решетку ионы формируют сетку тетраэдров, в вершинах которых спины ионов направлены либо к центру, либо от центра.
При этом дипольное магнитное взаимодействие пытается ориентировать соседние спины в противоположных направлениях, что, однако, невозможно одновременно для всех пар спинов в силу особой топологии решетки. Компромисс заключается в том, что в каждом тетраэдре два спина направлены к центру, а другие два — от центра, минимизируя таким образом, насколько это возможно, полную энергию. Результирующее состояние оказывается разупорядоченным. Причем при температурах, близких к абсолютному нулю (нижнем энергетическом состоянии), в каждой ячейке таких кристаллов находятся две пары магнитных зарядов разного знака, так что ее полный магнитный заряд равен нулю.
Однако уже при небольшом повышении температуры спиновый лед приходит в неравновесное возбуждение, и если один из магнитных диполей случайным образом «переворачивается» (меняет свой спин на противоположный), то это сразу приводит к возникновению у двух соседних ячеек пресловутых магнитных зарядов с различными знаками. В случае дальнейшего постепенного повышения температуры в спиновом льде начинается цепная волна последовательных переворачиваний соседних магнитных диполей, и благодаря этой волне происходит пространственное перемещение некомпенсированного магнитного заряда по кристаллу.
Группе Джонатана Морриса из Центра материалов и энергии им. Гельмгольца в Берлине первой удалось получить косвенные свидетельства возникновения в титанате диспрозия подобного явления. К спиновому льду, охлажденному почти до нуля градусов по Кельвину, было приложено внешнее магнитное поле, а затем лед подвергся массированной бомбардировке нейтронами. В результате этого комбинированного воздействия Моррис и его коллеги смогли детектировать в изучаемом веществе возникновение струн Дирака — нитевидных магнитных линий, согласно теории самого Дирака, соединяющих образовывавшиеся соседние магнитные монополи (или сильно похожие на такие струны объекты). Правда, измерить магнитный заряд и величину этих «магнитных токов» экспериментаторам так и не удалось.
Схожий эксперимент, но только с использованием титаната гольмия, практически параллельно провела и группа ученых Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция) под руководством Тома Феннелла. Феннелл тоже сумел зафиксировать образование в спиновом льде при незначительном повышении температуры пресловутых нитеподобных структур.
В последнем по времени эксперименте, проведенном командой британских физиков под началом Стива Брэмвелла, в качестве бомбардировщиков кристаллов спинового льда (титаната диспрозия, как и в работе группы Морриса) были использованы уже не нейтроны, а мюоны. Возникновение в спиновом льде магнитных потоков (производных от расходящихся внутри кристаллической решетки северных и южных магнитных монополей) было выявлено группой Брэмвелла благодаря специфическому явлению — мюонному спиновому резонансу. При распаде короткоживущих мюонов внутри кристаллической решетки образовывались позитроны (антиэлектроны), которые, в свою очередь, покидали ее и на вылете попадали в детекторы. Причем направление вылета эмитированных позитронов напрямую зависело от магнитной поляризации их предшественников-мюонов.
В отсутствие магнитных монополей фиксируемый детекторами резонансный сигнал напоминал обычную затухающую синусоиду. Однако при предполагаемом создании в спиновом льде этих объектов устойчивость резонансного сигнала под воздействием случайных местных магнитных полей сразу нарушалась, и сигнал затухал значительно быстрее. Соотнеся скорость затухания мюонного спинового резонанса с магнитной проводимостью спинового льда, Брэмвелл с коллегами в итоге определили величину элементарного магнитного заряда монополей, и она, как ни странно, оказалось довольно близкой к оценочным теоретическим расчетам.
Иными словами, британские физики вроде бы наконец смогли реально уловить движущийся в спиновом льде магнитный ток и даже количественно измерить его. Но, как и в любом другом принципиальном эксперименте, все точки над i можно будет расставить лишь после серии других независимых проверок, которые либо подтвердят, либо опровергнут эти удивительные результаты.
