Магнитный монополь
-
Магнитный монополь
- Гипотетическая элементарная частица с одним магнитным полюсом
- Должен иметь суммарный северный или южный «магнитный заряд»
- Не существует известных экспериментальных доказательств
-
Исторический контекст
- Ранние ученые приписывали магнетизм магнитным жидкостям
- Закон магнетизма Гаусса утверждает, что монополей не существует
- Пьер Кюри предположил их существование в 1894 году
-
Квантовая механика
- Поль Дирак показал, что электрический заряд должен быть квантован при существовании монополей
- Эксперименты 1975 и 1982 годов не подтвердили существование монополей
- Теории великого объединения и квантовой гравитации поддерживают существование монополей
-
Системы с конденсированным веществом
- Магнитные трубки могут быть квазичастицами с магнитным монополем
- Эти системы не являются магнитными монополями, но активно исследуются
-
Полюса и магнетизм в обычной материи
- Вся материя обладает нулевым магнитным монопольным зарядом
- Магнетизм обусловлен электрическими токами и магнитными моментами частиц
- Магнитный монополь создает магнитное поле с отличным от нуля монопольным членом
-
Уравнения Максвелла
- Уравнения связывают электрическое и магнитное поля
- Включают переменную для плотности магнитного заряда
- В вакууме уравнения симметричны при взаимообмене полей
-
Потенциальная и тензорная формулировки
- Уравнения могут быть выражены через потенциалы и тензоры
- Тензорная формулировка проясняет лоренц-ковариацию
-
Трансформация дуальности
- Обобщенные уравнения Максвелла обладают симметрией преобразования двойственности
- Преобразование изменяет поля и заряды, сохраняя уравнения Максвелла
-
Преобразование двойственности и квантование заряда
- Преобразование двойственности не позволяет однозначно определить заряд частицы.
- Все частицы имеют одинаковое отношение магнитного заряда к электрическому.
- Преобразование двойственности может изменить это соотношение, но не может изменить его абсолютное значение.
-
Квантование Дирака
- Дирак показал, что дискретный заряд естественным образом «выпадает» из квантовой механики.
- Дирак рассматривал точечный магнитный заряд и его влияние на волновую функцию.
- Условие квантования по Дираку требует, чтобы фаза волновой функции была кратна 2π.
-
Струна Дирака и калибровочная теория
- Струна Дирака — это артефакт координатной диаграммы, нефизическая.
- Калибровочная теория объясняет квантование заряда через струну Дирака.
- Струна Дирака связывает монополи и антимонополи с противоположным магнитным зарядом.
-
Теории великого объединения и компактные калибровочные группы
- В калибровочной группе U (1) с квантованным зарядом группа компактна.
- Компактные калибровочные группы объясняют квантование заряда независимо от магнитных монополей.
- В любой кишке, распадающейся на U (1) калибровочную группу, присутствуют магнитные монополи.
-
Бесконечно малые циклы и голономия
- Бесконечно малые циклы сопоставляются с элементами группы, близкими к идентичному элементу.
- Лассоинг на сфере сопоставляется с последовательностью элементов группы.
- Магнитный заряд пропорционален числу витков N.
-
Топологические условия и монополь Дирака
- Магнитный поток квантуется по Дираку.
- Монополь Дирака является топологическим дефектом в компактной U(1) калибровочной теории.
- Монополи встречаются в решетке U(1) и имеют конечную массу.
-
Теория струн и гравитация
- В теории струн монополи имеют конечную массу из-за гравитации.
- Монопольная сингулярность может быть черной дырой.
-
Математическая формулировка
- Калибровочное поле определяется как связь по основному G-расслоению.
- Монополи Дирака допускаются при условии, что G не является односвязным.
-
Теории великого объединения
- В начале 1970-х годов были предложены теории, предполагающие существование магнитных монополей.
- Дионы стабильны из-за конфигурации вакуума в ранней Вселенной.
- Длина корреляции для создания монополей должна быть не меньше размера горизонта.
-
Проблема монополя
- Ранние модели предсказывали огромную плотность монополей, что противоречило экспериментальным данным.
- Решение проблемы заключалось в изменении космологических моделей.
-
Проблема магнитных монополей
- Магнитные монополи были предсказаны теорией космической инфляции, но их существование не подтверждено.
- Монополи вызвали интерес в 1970-х и 80-х годах, но их обнаружение оказалось сложным.
-
Экспериментальные поиски
- Магнитные монополи можно обнаружить с помощью сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов (SQUID).
- В 1982 году было зафиксировано событие, которое могло быть магнитным монополем, но оно не было подтверждено.
- В 1975 году было объявлено об обнаружении магнитного монополя в космических лучах, но это оказалось ошибкой.
-
Создание магнитных монополей
- Магнитные монополи могут создаваться в коллайдерах частиц высоких энергий, но их масса и вероятность образования пока неизвестны.
- В эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере установлены строгие ограничения на поперечное сечение для магнитных монополей.
-
Монополи в конденсированных средах
- В физике конденсированных сред термин «магнитный монополь» используется для описания квазичастиц, не связанных с элементарными частицами.
- Эти квазичастицы не нарушают закон Гаусса и не помогают объяснить квантование заряда.
- Примеры включают материалы со спиновым льдом и сверхтекучие среды.
-
Примеры исследований
- В 2009 году в журнале Science было описано наблюдение квазичастиц, напоминающих магнитные монополи.
- В 2011 году в журнале Nature Physics было описано создание и измерение токов долгоживущих магнитных монопольных квазичастиц.
- В 2014 году в спинорном конденсате Бозе–Эйнштейна были созданы монопольные квазичастицы для поля B*.