Что такое искусственный магнит с одним полюсом

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью. 

Магниты. Мы видим их в бесчисленном множестве различных форм и размеров и во множестве различных устройств. Это было настолько распространенной частью нашего детства, что мы все знаем самые основные и распространенные свойства магнитов.

Во-первых, они притягивают материалы с содержанием железа.

Второе — они имеют два полюса (диполи), северный и южный.

И, наконец, когда мы пытаемся разломать магнит на части, чтобы отделить каждый полюс, мы все равно получаем два магнита с двумя полюсами. Полюса просто неразделимы!

В старые времена мы называли такие вещи «магией», но в физике магнит просто демонстрирует свойство линий магнитного поля. Эти линии поля представляют собой замкнутые петли между двумя противоположными полюсами. Короче говоря, мы никогда не находили магнит только с одним полюсом и поэтому считаем, что магниты могут существовать только в виде диполей.

Теперь мы знаем, что это верно лишь отчасти. Мы никогда не сможем разделить диполи… но что, если мы скажем вам, что магнитные монополи существуют? Именно с этой целью проводятся обширные исследования и дорогостоящие эксперименты!

Удивительно, но разговоры о монополях ведутся уже давно, еще со времен Пьера Кюри. Однако потребовалось много времени, чтобы идея укоренилась, и теперь, когда у нас есть значительные теоретические наработки, начались реальные поиски монополей. Давайте рассмотрим, как возникла идея монополей, и на каком этапе мы сейчас находимся.

Монополь Дирака

Дирак был первым, кто использовал настоящую физику и математику для описания монополя. Его картина монополя выглядела очень просто. Сначала он придумал соленоид — устройство, состоящее из спиральных проводов, длина которых больше диаметра. Когда по этим проводам проходит электрический ток, создается магнитное поле. Эти силовые линии магнитного поля похожи на те, что мы видели для стержневых магнитов.

Вы заметите, что линии поля находятся очень далеко друг от друга вблизи центра (снаружи) магнита, что означает, что магнитное поле здесь самое слабое.

Теперь Дирак представил свой соленоид бесконечно длинным, настолько длинным, что линии магнитного поля находятся очень далеко друг от друга, что делает магнитное поле практически несуществующим. Это почти разъединяет два полюса, но линии поля, проходящие внутри соленоида, все еще существуют, соединяя два полюса.

Чтобы решить эту проблему, Дирак представил соленоид настолько тонким, что его практически невозможно увидеть, настолько тонким, что линии поля, соединяющие два полюса, отсутствуют. Так он представлял образ монополей, и эта картина и есть то, что называется струной Дирака.

Это может показаться абсурдным, но Дирак настолько твердо верил в монополи, что идея несуществования монополей была для него абсурдной.

Однако у его теории был один большой недостаток. Энергия его монополя была бесконечной.

Когда Дирак растягивал воображаемый соленоид в длину и утончал его до нуля, теоретически все магнитное поле этого бесконечно большого магнита должно было концентрироваться на двух его полюсах. Таким образом, его воображаемые монополи обладали бесконечно большой энергией.

К счастью, это была всего лишь предложенная модель монополя. Очевидно, что изготовить такой магнит невозможно, а частица с бесконечной энергией не может существовать. Тем не менее сама идея монополей была настолько интригующей, что другие ученые также пытались доказать их существование в теории.

Монополь ТВО

Именно Хофт и Поляков предложили лучшую картину монополий в своей теории, которую они назвали «Теорией Великого Объединения (ТВО)».

Чтобы сначала понять название, мы должны иметь базовое представление о квантовой теории поля (КТП).

Представьте, что КТП — это дом, в котором живет семья, состоящая из различных полевых теорий элементарных частиц.

Строительные блоки этого дома (КТП) — квантовая механика, специальная теория относительности и теория поля. Проще говоря, КТП дает приют различным наукам об элементарных частицах. Теория Великого Объединения (ТВО) — это то, что вы получите, если замените всех членов семьи одной фигурой, которая играет все их роли.

Итак, вместо разных теорий поля для разных типов частиц у нас есть одна теория для всех частиц в ТВО.

Хофт и Поляков использовали эту одну большую теорию, называемую Теорией Великого Объединения, чтобы подтвердить существование магнитных монополей.

Согласно ТВО, монополи существуют! Эта теория также предсказывает, что они имеют энергию около 1016 ГэВ!!! Вам может понадобиться помощь в визуализации того, сколько это энергии.

Один электронвольт (эВ) представляет собой энергию одного электрона, проходящего через один вольт потенциала. Теперь один ГэВ — это энергия одного миллиарда таких электронов. Теперь представьте себе энергию 10¹⁶ (то есть 16! нулей после единицы) раз больше энергии одного миллиарда электронов! Довольно большая величина!

Это энергия одного монополя.

Сегодня их метко называют сверхмассивными монополями, поскольку теперь у нас есть теории и для менее энергичных монополей.

Заключение

С тех пор как были придуманы сверхмассивные монополи, появились предсказания о промежуточных и меньших монополях, но вопрос в том, что если не в нашем естественном мире, то где мы их вообще можем найти?

Ответ, как и на многие другие вопросы, лежит в небе.

Считается, что сверхмассивные монополи существовали в изобилии в ранние времена существования Вселенной, а промежуточные и сверхмассивные монополи, вероятно, существуют в космосе.

Только благодаря многочисленным исследованиям начались поиски этой частицы. Теории настолько убедительны, что по всему миру проводятся чрезвычайно дорогостоящие эксперименты по поимке этих гипотетических частиц.

Однако это не первый случай, когда такие дорогостоящие эксперименты проводятся на основе теорий. Возможно, вы знаете самый известный из этих случаев. Теория бозона Хиггса была впервые предложена в 1964 году! Был долгий период обширных исследований на эту тему, после чего начались дорогостоящие эксперименты. Спустя годы этих экспериментов, наконец, был сделан вывод, что он действительно существует.

Нам остается только ждать того дня, когда объявят о существовании монополей, и тогда, кто знает… возможно, когда-нибудь у нас даже появится монопольный магнит, с которым можно будет поиграть!

Физики создали синтетический монополь при помощи конденсата Бозе – Эйнштейна

Команда физиков из США и Финляндии сумела смоделировать и сфотографировать синтетический магнитный монополь – элементарную частицу, считавшуюся многие десятилетия лишь гипотетической, сообщает журнал Nature.

Все известные в настоящий момент частицы, обладающие магнитным полем, являются диполями, т.е. имеют всегда два полюса. Существование же «магнита с одним полюсом» теоретически обосновал Поль Дирак в 1931 году, однако обнаружить его в природе так и не удалось, в том числе и при помощи Большого адронного коллайдера.

Синтетический монополь удалось создать в искусственном магнитом поле, генерируемом конденсатом Бозе – Эйнштейна, т.е. при помощи газа, охлажденного до температуры близкой к абсолютному нулю ( −273 °C). В рамках эксперимента ученые, используя систему лазерных импульсов, сделали в конденсате Бозе – Эйнштейна своеобразные «воронки», начинающиеся и заканчивающиеся объектами, которые вели себя как магниты с одним полюсом.

Обнаруженный синтетический монополь не является по сути «настоящим», так что говорить об их существовании в природе еще рано. Однако, это открытие может привести к созданию сверхпроводящих материалов, способных работать в комнатных температурах, – мечте многих исследователей и производителей.

Добавить BFM.ru в ваши источники новостей?

Создать первый в мире постоянный магнит не с двумя, а с одним полюсом удалось американским физикам. Предсказанный Дираком монополь родился вблизи абсолютного нуля.

Все, кому с детства знакомы постоянные магниты, знают, что, разбив магнит, нельзя получить две половинки с одним положительным и одним отрицательным полюсом: каждый из осколков становится полноценным магнитом.

Иначе говоря, практика показывает, что все магниты являются диполями и невозможно создать магнитный монополь — частицу с единственным, северным или южным, полюсом. Однако физики из частного Амхерстского колледжа (США) сделали невозможное и фактически создали магнит-монополь.

Споры о существовании магнитной частицы с единственным полюсом ведутся уже сотни лет, с тех пор как началось детальное изучение феномена магнетизма.

Схожесть электрических и магнитных сил природы вызывала недоумение из-за того, что электрические заряды существуют, а магнитные — нет.

В 1931 году английский физик Поль Дирак опубликовал статью, в которой предсказал возможность обнаружения магнитного монополя, в честь его гипотетическую частицу и назвали — монополь Дирака.

И хотя за восемь десятилетий эксперименты не привели к успеху, а диполь пытались найти в образцах лунного грунта и древних минералах, ученые продолжали ее поиски все более изощренными методами.

Ученые из международной коллаборации под руководством профессора Дэвида Холла попытались сами создать монополь Дирака в лабораторных условиях с помощью искусственного магнитного поля, созданного внутри так называемого конденсата Бозе—Эйнштейна из сверхохлажденных атомов рубидия.

Это особое агрегатное состояние вещества, температура которого превышает температуру абсолютного нуля лишь на миллиардные доли градуса. При такой температуре вещество начинает демонстрировать квантовые свойства.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature, ученые опирались на теоретическое предсказание того, что, меняя особым образом внешнее магнитное поле вокруг конденсата Бозе—Эйнштейна, в нем можно получить искусственный монополь. Решив ряд технических трудностей, команда ученых была вознаграждена снимками, на которых монополь Дирака был виден на краях мельчайших квантовых вихрей. Физики смогли увидеть и так называемую струну Дирака — предсказанную Дираком линию в квантовой системе, ограничивающую область монополя.

«Создание искусственного магнитного монополя позволит нам взглянуть на проблему существования природного магнитного монополя, если он на самом деле существует», — сказал Холл.

По его словам, эксперимент показал, что структуры, предсказанные Дираком, действительно можно создать, хотя их существование в природе так и остается под вопросом.

Исследования, связанные с созданием искусственных электрических и магнитных полей, сейчас активно расширяющаяся область физики, которая может привести  к созданию новых материалов для высокотемпературных сверхпроводников и возможности передачи электроэнергии без потерь.

«Хотя эти результаты предлагают нам лишь аналог магнитного монополя, их соответствие теории укрепляет надежду на то, что эта частица будет найдена экспериментально», — считает Линдси Лебланк, физик из Университета Альберты, не участвовавшая в исследовании. По словам авторов открытия, их результат должен подстегнуть другие группы экспериментаторов, которые продолжают поиски магнитных монополей, в том числе с использованием Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.