Кварки, протоны, Вселенная

Сотни опытов проделал Фарадей, изучая свойства открытого им электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Целый каскад неожиданных догадок и остроумных гипотез! Можно только поражаться фантазии и изобретательности этого человека. И вот что интересно: каждый новый эксперимент свидетельствовал о замечательной симметрии электричества и магнетизма. Любому электрическому явлению всегда можно было, как в зеркале, найти соответствующее магнитное.

Когда знакомишься с поражающим воображение перечнем опытов, проделанных Фарадеем, может показаться, что он действовал методом слепого перебора вариантов, или, как грубовато говорят физики, «методом тыка», перебирая наугад различные комбинации. Но, это не так. Атмосфера смелых экспериментов, свойственная его времени, безусловно, наложила отпечаток на творчество ученого, однако в процессе своих опытов Фарадей сумел составить глубокие и в целом правильные представления о природе электромагнетизма. Эти представления и были тем внутренним компасом, которым он руководствовался при постановке все новых и новых экспериментов.

Правда, в статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, его представления были наглядно-качественными, с помощью его силовых линий и трубок трудно делать точные расчеты. Строгий математический вид электромагнитной теории придал другой великий английский физик — Джеймс Клерк Максвелл, родившийся на 40 дет позже своего предшественника, как раз тогда, когда тот сделал главное свое открытие — доказал, что магнетизм может превращаться в электричество.

Современникам новая теория казалась чрезвычайно сложной. Даже значительно позже, уже в начале нашего столетия, профессор Московского университета Станкевич говорил своим студентам: «Теперь мы переходим к новой главе нашего курса. Это теория Максвелла, которая настолько сложна, что лекционному изложению не поддается. Вы можете с ней познакомиться по моему монографическому курсу, а курс приобретите у швейцара Андрея. Переходим к следующей главе».

Физическим теориям свойственна одна замечательная особенность: если их математические формулы правильно отражают природу, то они не просто описывают некий опыт, а являются его обобщением; по этой причине их содержание значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые, неизвестные факты, экспериментальное подтверждение которых убеждает нас в правильности теории. Все это относится и к теории Максвелла. Вместе с механикой Ньютона она составляет фундамент физики. Правда, вскоре после eе создания ученые заметили удивительную особенность. Несмотря на то что электрическое и магнитное поля являются двумя равноправными половинками единого поля или, точнее, двумя сторонами одной модели и входят в уравнения теории Максвелла совершенно симметрично, полного равноправия электричества и магнетизма все же нет. Электричество имеет источники-заряды, а магнитных зарядов нет: магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися. Каждый школьник знает что, распилив магнит, он не получит двух кусков с разными магнитными зарядами — каждый кусок снова окажется магнитом с двумя полюсами. Другими словами, в природе встречаются только двухполюсные или как говорят физики, дипольные магнитные системы и нет изолированных полюсов-монополей.

Даже элементарные частицы, и те, подобно магнитной стрелке, имеют по два магнитных полюса. Ведь каждая из них окутана облаком испущенных ею виртуальных частиц. Их движение создает внутренние электротоки, и весь объект становится похожим на микроскопический электромагнит. Например, магнитные свойства протона обусловлены в основном током заряженных мезонов в его периферической оболочке. Электрон, правда, в этом смысле сложнее. Никаких внутренних частей у него не обнаружено, во всех опытах он проявляет себя как точечная частичка, и в то же время он магнит. Впрочем, у протона тоже есть небольшая часть магнетизма, которую не удается объяснить движением входящих в его состав зарядов. Некоторые физики связывают это с глубинной, кварк-глюонной структурой. Не исключено, впрочем, что магнитные свойства частиц имеют и более глубокие корни — где-то внутри самих глюонов и кварков.

Как бы там ни было, факт остается фактом: электрические заряды есть, а одиночные магнитные полюса никогда и нигде не наблюдались. Сразу же возникает вопрос: для чего природе потребовалась такая асимметрия, разве не проще было бы иметь два типа зарядов — электрические и магнитные? Почему природа не воспользовалась такой возможностью, а пошла по более сложному пути — ведь просто так ничего не бывает? Эта загадка уже давно не дает физикам покоя.

Может быть, это всего лишь свойство той части Вселенной, где мы живем, а в других ее областях, наоборот, есть магнитные, но нет электрических зарядов? А может, нас окружает совершенно симметричный нашему электромагнитный мир, только магнитные заряды-монополи мы по какой-то причине еще не обнаружили? По какой же?