Кварки, протоны, Вселенная

К идее монополей Дирак пришел, решая совсем другую задачу. Он старался понять, почему электрический заряд всегда принимает только дискретные значения, кратные заряду электрона. Масса, энергия, размеры макроскопических тел и микрочастиц могут быть любыми, никаких ограничений здесь нет, а вот их электрические заряды почему-то всегда пропорциональны заряду электрона и коэффициент пропорциональности — непременно либо целое число, либо нуль.

Этой закономерности, как мы уже знаем, не подчиняются кварки, заряд у них дробный — одна и две третьих заряда электрона. Но о кварках Дирак тогда еще ничего не знал. Если бы он выполнял свои расчеты в наше время, за минимальную порцию электричества ему пришлось бы принять не заряд электрона, а его треть — заряд кварка. Но дискретность зарядов остается экспериментальным фактом по-прежнему.

Размышляя о ее причинах, Дирак неожиданно обнаружил, что если в природе наряду с квантом электричества существует квант магнетизма, то в соответствии с теорией получается интересный парадокс: перемещая измерительный прибор по замкнутому контуру и выполняя измерения в одних и тех же точках, мы для некоторых величин при каждом повторном обходе будем получать новые значения, чего никогда не наблюдалось. Наоборот, во всех экспериментах наблюдаемые величины оказывались зависящими только от точек, в которых они измеряются, и ни от чего другого. Никакой «памяти о прошлом» у измеряемых величин нет. Казалось бы, этот парадокс — убедительное доказательство того, что никаких квантов магнетизма в природе быть не может.

И вот тут Дирак сделал важное открытие. Он заметил, что если величина электрического и магнитного зарядов такова, что их произведение равно целому или полуцелому числу, то все «неудобные» слагаемые в теоретических формулах, зависящие от числа обходов контура, обращаются в нуль. Получается, что гипотеза монополей не только делает теорию полностью симметричной по отношению к электричеству и магнетизму — на это обращал внимание еще Хевисайд,— но и приводит к квантованию электрического и магнитного зарядов. Иначе говоря, в природе возможны только такие заряды, которые удовлетворяют формуле Дирака.

По сравнению с теорией Хевисайда, которая в глазах современников выглядела необоснованной догадкой, теория Дирака была в высшей степени последовательна и сразу же получила признание. Однако ответить на вопрос, существуют в природе монополи или нет, она все равно не могла. Гипотеза монополей входила в нее как постулат. Верен он или нет, на это должен ответить эксперимент.

Вполне возможно, что никаких монополей в природе нет, ведь эти частицы потребовались Дираку лишь для того, чтобы объяснить дискретность зарядов, а она может иметь и другое происхождение. Не приходим ли мы здесь в противоречие со знаменитой бритвой Оккама, пытаясь объяснить «старую тайну при помощи новой загадки»? В средние века считалось позволительным строить длинные цепочки гипотез, где каждая последующая была нужна лишь для обоснования предыдущей. К этому прибегали особенно тогда, когда требовалось согласовать сложные явления окружающего мира с догмами священного писания. Английский философ и монах Уильям Оккам первым выдвинул принцип «не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», и рекомендовал пользоваться им в качестве «методологической бритвы», срезающей излишние гипотезы и слабо обоснованные рассуждения. С тех пор бритва Оккама прочно вошла в методологию науки.

В современной физике этот принцип понимается несколько шире. Считается, что в мире может реализоваться любая возможность, которая не противоречит нашим основным представлениям о законах природы. Во всяком случае такую возможность следует во что бы то ни стало изучить, и если она существует лишь гипотетически, то это само по себе выглядит уже загадочным и, в свою очередь, нуждается в объяснении. Физика наших дней — наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям. Примером такого предсказания и является гипотеза монополей Дирака.

Это та самая теоретическая возможность, которую невозможно упустить, мимо которой нельзя пройти. И неспроста она породила целую лавину исследований. Теоретики анализировали ее следствия, пытаясь обнаружить какие-либо противоречия, но так и не обнаружили, экспериментаторы в поисках монополей обшаривали все доступные им земные и космические материалы.

Естественно, монополь должен чем-то существенно отличаться от всех других частиц, иначе он попросту затеряется среди них и его можно прозевать. Среди его свойств должно быть что-то особенное, за что можно зацепиться при постановке эксперимента.