"Fusion" № 93 - Ноябрь 2002

"Странное" излучение, химические трасмутации и магнитные монополи

Еще двадцать лет назад французский физик Жорж Лошак предсказал существование легких магнитных монополей, исходя из принципа симметрии и геометризации физики. Опыты, описанные в статье на стр.8, могут дать первое хорошее экспериментальное подтверждение этому. Научные, технологические и стратегические последствия были бы тогда впечатляющими.

ЭММАНУЭЛЬ ГРЕНЬЕ

Как и Луи Пастер, Пьер Кюри был выходцем из великой французской школы кристаллографии (смотри “Fusion” N 45). Гений Кюри состоял в том, что в своей знаменитой статье о принципе симметрии он сделал из этой весьма своеобразной науки очень глубокие выводы, касающиеся универсальности. В одностраничном приложении к этой статье, он касается вопроса магнитных монополей: на основе открытых им законов симметрии магнетизма, он сделал вывод, что должен существовать магнитный полюс. Затем он постарался воспроизвести то, что ему так хорошо удалось с пьезоэлектричеством. Размышляя над симметрией кристаллов, он обнаружил, что, если кристалл имеет особый дефект симметрии (дефект центра), то можно вызвать появление электрического поля, оказывая на этот кристалл давление или растягивая его. Он сделал такого же рода заключение по магнетизму, и постарался создать магнитный заряд на кристалле. Безуспешно, как теперь известно. Он объясняет в этой статье, что можно было бы делать удивительные вещи, если можно было бы создать магнитный ток, подобный трансформатору с постоянным током.

Идея Кюри не предана всеобщему забвению, даже если она казалась забытой на некоторое время. До 1930 года, когда Дирак написал статью, основанную на общих идеях квантовой механики, где он показывает, что, если бы в природе существовали магнитные заряды, то произведение магнитного заряда на электрический заряд должно было бы иметь выражение: eg/hc = N/2.

Впервые была получена формула для магнитного монополя, то есть, нечто более "весомое", чем общий принцип Кюри. Согласно этой формуле магнитный заряд должен быть минимум в 68,5 раз большим, чем электрический заряд, и даже, согласно любой вероятности, большим в 137 раз (отметим походя, что 137 это обратное постоянной тонкой структуры). Дирак рассчитал это исходя из принципа инвариантности измерений, и это был, без сомнения, первый вывод об инвариантности измерений, ведущий к конкретному результату.

Затем были сотни статей на тему магнитного монополя, в которых авторы пытались понять, какими были бы его свойства, если бы он действительно существовал; предсказать треки, которые он мог бы оставить на фотографической эмульсии; понять, каким бы было его движение в электрическом поле кулона, и т.д.

Сегодня существуют только две теории, в которых есть уравнения, включающие магнитные монополи. Первая опирается на факт, признанный в мире элементарных частиц - это уравнение Т’Хофта и Полякова. Оно базируется на нелинейном уравнении, которое описывает бозон Хигса. Самая серьезная проблема монополя Т’Хофта и Полякова в том, что его масса должна составлять 10¹⁶ массы протона. Такая масса весьма необычна, потому что она относится скорее к макроскопическому миру, чем к миру частиц - это соответствует кубическому микрону идеального газа!

Очевидно, что имеющимися сегодня в нашем распоряжении техническими средствами невозможно создать такую частицу - это значительно превосходит возможности самых мощных ускорителей. Авторы тогда прибегли к классическому приему адептов откровенной физической подтасовки (Большой Взрыв). Утверждается, что этот магнитный заряд мог существовать только в момент Большого Взрыва - невозможно проверить, правда это или нет.

Другая теория принадлежит французу Жоржу Лошаку, самому знаменитому из учеников Луи де Бройля. В 1957 году, когда он только что прибыл в лабораторию Луи де Бройля, он написал теорию Дирака на алгебраическом языке, представляя спинор Дирака через псевдоскаляр, псевдоугол (угол, который меняет знак, когда меняется направление вращения пространства) и шесть углов Эйлера - три представляющие вращение в трехмерном пространстве и три других, которые представляют воображаемые вращения пространства Миньковского (эти вращения между воображаемым направлением и направлением времени, представляющие в действительности скорости). Поскольку все вращается в мире квантовой механики (все основано на спине), Лошак хотел представить уравнение Дирака через величины, которые представляют вращения. Он добился, таким образом, достаточно сложного представления уравнения Дирака, которое содержит две замечательные формулы: одна связывает электрический ток с ротацией спина, в то время как другая - связывает два неизвестных объекта. Один из этих объектов - псевдоугол, другой - странная величина, четвертая составляющая ротации вектора спина. Эти две формулы были удивительно похожи и очень просты, хотя явились результатом очень сложных расчетов. Лошак их опубликовал и время от времени возвращался к ним, но без особого успеха.

В 1982 г. во время коллоквиума в честь Рене Тома, Жорж Лошак избрал предметом своего выступления "геометризацию физики". Он пытался показать, что этот метод является чрезвычайно мощным и даёт замечательные результаты. Дирак, таким образом, оказался перед лицом мистерии, которой являлась античастица, непосредственно вытекающая из геометризации физики (античастица вытекает из инвариантности уравнения Дирака). Для иллюстрации этого, Лошак написал эти два уравнения, чтобы показать их Рене Тому, и в то же мгновение понял, что же он искал в течение 25 лет: первое уравнение гласит, что существует связь между сохранением электрического заряда и некоей ротацией, второе - выражает сохранение магнитного заряда, связанное с иным углом вращения.

В уравнении Дирака присутствует инвариантность измерения, которая существует во всех уравнениях квантовой механики: если добавить одну фазу к функции волны Дирака, то уравнение не изменится. Можно найти закон взаимодействия с электромагнетизмом, который заставляет появиться электрон. Однако, вновь обдумывая эти обе формулы, Лошак отдает себе отчет в том, что помимо закона инвариантности, который видел сам Дирак, можно найти и другой, на который никто не обратил внимания. Он сразу показывает, что это есть единственный другой закон: таким образом, существуют только два возможных закона.

Инвариантность измерения

Это второе уравнение имело особенность и заставляло принять частицу с нулевой массой, как большинство калибровочных теорий (за исключением электромагнетизма)¹. Калибровочная теория давала новую область, объект которой - "частица Дирака", могла взаимодействовать с электромагнитным полем. Изучая его, Лошак заметил, что новый объект, определенный этой теорией, удовлетворяет всем условиям, высказанными Пьером Кюри.

Античастицы были открыты Дираком потому, что у его уравнения были решения с негативной энергией, и что ему это не нравилось. В поисках того, как преобразовать свое уравнение, чтобы вновь сделать положительной энергию, он понял, что это можно сделать, только введя положительный заряд. Это было гораздо менее возмутительным, чем отрицательная энергия! Фейнман рассказал позднее ту же историю, но другим образом - он утверждал, что античастица была частицей, которая поднималась вверх по течению времени. Лошак показал ему, что магнитный монополь не является античастицей, а скорее картиной-зеркалом монополя. Иначе говоря, магнитный монополь является киральным объектом, то есть объектом, образ которого в зеркале отличается от него самого. Затем он заметил, что в этих уравнениях существует магнитный ток, который сохраняется. На первый взгляд это катастрофа, потому что речь идёт о токе пространственного рода. Иначе говоря, о токе, который соответствует частице, движущейся быстрее скорости света². Он заметил вскоре, что это не так серьезно: речь идёт в действительности не о магнитном токе как таковом, а о разнице между северным магнитным током и южным магнитным током. Это та разница, которая имеет пространственную природу, и различия имеют право делать, что хотят!

В 19 веке, когда изучали ''катодные лучи", которым еще не дали название электрон, норвежский физик Биркеланд показал, что если поместить полюс магнита в трубку Крукса, и таким образом перехватить катодный ток, последний концентрируется в такой степени, что плавит стеклянные стенки трубки Крукса. Этот эффект достиг ушей Пуанкаре, который взялся за изучение теории. Он описал взаимодействия между магнитным полюсом и электрическими частицами, заряженными отрицательно при помощи классической теории электромагнетизма. Уравнение, к которому он пришел, позволяло прекрасно объяснить наблюдаемые эффекты. Помимо этого уравнение Пуанкаре описывает также движение электрических зарядов в макроскопическом магнитном монополе. Лошак описал магнитный монополь в очень быстром движении. Если на его пути поместить кулоновское электрическое поле (электрический заряд), то магнитный монополь должен следовать по той же траектории. Используя скорее классическую приблизительную оценку геометрической оптики, нежели уравнения квантовой механики (то есть, рассматривая случай, где длинна кривых не позволяет вызвать появление длинны присоединенной волны), Лошаку удалось связать с уравнением Пуанкаре, что является очень сильным аргументом в пользу его теории.

Недавняя иллюстрация принципа симметрии является нарушением паритета в слабых взаимодействиях, которые доказывают важность в природе этой киральности, дорогой Пастеру и Кюри. Иначе говоря, феномен β-радиоактивности не является идентичным своему отражению в зеркале. Опыт г-жи К.С. Ву (1957 г.), представленный здесь (смотри прилагаемый чертеж), заключается в том, чтобы замерить β-радиоактивность кобальта-60. У этого атома есть спин: он как магнит, который ориентируется в магнитном поле и характеризуется осевым вектором S , аналогичным тому, который представляет магнитное поле: этот вектор является идентичным своему изображению в перпендикулярном зеркале. Итак, ориентируют образец радио-кобальта в поле и замеряют интенсивность радиоактивности во всех направлениях: эта направленная интенсивность представляется полярным вектором J, аналогичным тому, который есть у электрического поля. Известно, что сумма двух таких векторов, соответственно осевого и полярного является киральным объектом. Для того, чтобы феномен был полностью идентичен своему отражению в зеркале, необходимо, чтобы на образце интенсивность излучения была бы одинаковой в двух направлениях J⁺ и J^-, или измеренные интенсивности являются явно различными. β-радиоактивность, таким образом, не является идентичной своему отражению в зеркале и слабое взаимодействие (интерактивность) является киральным феноменом где, как говорится, он не сохраняет паритета. В свое время это открытие произвело эффект бомбы. Физики никогда не думали, что фундаментальный закон природы, одна из четырех больших сил, которые мы знаем, мог бы быть киральным. Рассказывают, что Паули воскликнул, когда узнал гипотезу Ли и Янга: "Я не могу поверить, что бог был левшой... "

Из уравнения Дирака, приведённого выше, вытекает квантование магнитного заряда: магнитный заряд может принимать только особые величины. Это квантование вызвано взаимодействием между электричеством и магнетизмом. Дирак показал, что если магнитный заряд взаимодействует с электрическим зарядом, обязательно должна существовать квантовая связь между двумя зарядами. Мы знаем элементарный электрический заряд, и мы знаем, что должно быть соотношение eg/nc = N/2/. Если нет взаимодействия, то законы квантовой механики предписывают свободному магнитному заряду, сталкивающемуся с электрической частицей, двигаться со скоростью, соответствующей величине заряда. Если бы это было не так, то это было бы большим просчетом либо в теории магнетизма, либо - квантовой механики, а точнее - в обеих сразу. Существуют многочисленные аргументы, позволяющие считать эти теории солидными, но они, конечно же, не священны.

Однако, по крайней мере два физика полагают, что наблюдали магнитные монополии, которые не соблюдали закон Дирака. Первый - это австриец Эренрафт, выдающийся экспериментатор, который придумал то, что потом назовут опытами Милликана, которые позволили измерить заряд электрона. Пока никто не нашёл у него ошибки. Вторым является русский из Казахстана, который провел опыты в условиях отличных от условий Эренрафта, но которые привели к тем же выводам. Физики действительно не знают, что им ответить.

Этот магнитный заряд имеет, таким образом, несколько возможных величин, определенных общими законами электромагнетизма и квантовой механики. Чтобы получить закон Дирака исходя из уравнения Лошака, достаточно предположить, что волновая функция магнитного монополя является продолжительной, когда ее вращают вокруг любой точки пространства, то есть то, что всегда предполагается в квантовой механике. Это не нуждается ни в каком дополнительном обосновании. Это происходит от факта того, что целое число, фигурирующее в описании Дирака, является квантом кинетического момента. Это является квантом, которые управляет величиной силы вращения монополя вокруг электрического центра. Очень абстрактный закон измерения Дирака принимает у Лошака элементарное геометрическое значение. Единое целое, образованное магнитным монополем и электрическим зарядом, обладает симметрией волчка во вращении. Монополь следует движению Пуансо³. Итак, магнитный заряд связан с характерным вращением монополя. Монополь без заряда соответствует тогда нейтрино. В видении Лошака нейтрино является особым случаем магнитного монополя без заряда, но имеющего вращение. Другими словами - магнитный монополь является магнитно-возбуждённым нейтрино.

Монополь тогда мог бы вмешаться не только в электромагнитные феномены, но также в феномены слабого взаимодействия, как например β-радиоактивность. Тогда это было бы возможным средством обнаружения этих монополей. И наоборот, появление магнитных монополей могло бы означать появление ядерных феноменов. Монополи могли бы, например, участвовать в обратной β-радиоактивности: когда магнитный монополь посылается в ядро и когда он захвачен в то же время, что и электрон, это соответствует эмиссии положительного электрического заряда, значит спуска на один порядок в классификации Менделеева.

В опытах Уруцкоева, повторенных им самим и другими лабораториями сотни раз, получают ядерные превращения со слабой энергией благодаря электрической искре, энергия которой очень слабая (несколько keV). Выводы ядерной физики показывают, что возможно прогуляться по всей таблице Менделеева в целом, начиная неважно с какого элемента, благодаря положительной или отрицательной β-радиоактивности. Энергия солнца происходит, в основном, из β-радиоактивности. Помимо этого оттуда происходят, главным образом, солнечные нейтрино, которые мы обильно получаем.

Известно, что отсутствует примерно 30% нейтрино, предусмотренных теорией слабого взаимодействия. Существует множество гипотез, для объяснения этой нехватки. Сам Лошак предлагает объяснить это тем, что отсутствующие нейтрино соответствуют монополям, феномен радиоактивности остающийся строго тем же. Эти монополи остались бы захваченными солнечным электрическим полем и не могли бы быть наблюдаемыми.

Вернемся к случаю того, что Уруцкоев осторожно называет "странным излучением". Как только накладывают магнитное поле, поведение меняется радикальным образом. Там, где видели тонкий след на фотографической эмульсии, наблюдается "комета", замеры плотности которой показывают, что она соответствует тому же количеству зарядов, но "показанных" в пространстве. Следы, оставленные этим излучением, не соответствуют ничему известному и являются удивительными для всех специалистов по наблюдению за элементарными частицами. Таким образом, расстояние между следами так велико, что следовало бы допустить, что частицы имеют энергию порядка GeV. В эксперименте задействованы только значительно более низкие энергии. Итак, не представляется, как можно было бы создать частицу с такой энергией. Есть также сильное возражение: такие энергичные частицы имеют привычку толкать на своем пути атомные электроны. Тогда последние выбиваются из орбит и оставляют на своем пути следы. Распространено выражение, что след электрической частицы с "волосатыми ногами" - многочисленные "волосы" соответствуют электронным следам. Однако, в экспериментах Уруцкоева, они не являются таковыми. Видно только "гладкую ногу"!

Другие гораздо более тонкие измерения позволили наблюдать эффект Мессбауэра.

Атом, способный испустить квант, застрявший в кристаллической сети. Итак, он не может отступить назад во время эмиссии. Эффект Мессбауэра это необычайная тонкость полос, которая позволяет замерить частоту с большой точностью. Можно показать через эффект Мессбауэра, что "странное излучение" переносит магнитные заряды. Он заставил двигаться спектральные полосы 57-го железа.

Теория Жоржа Лошака по монополям без сомнения не может еще рассматриваться как доказанная, но это единственная доступная для объяснения весьма волнующих феноменов, привнесенных Уруцкоевым и его коллегами, которые не могут быть объяснены в рамках господствующих теоретических представлений.

1. Фаза, для круговой функции, эквивалентная углу. Замер соответствует выбору происхождения угла. Когда говорят об инвариантности измерения, это равносильно утверждению, что в пространстве не существует точки, начиная от которой следует измерять углы. Современная физика заимствовала у математиков возможность рассуждения о пространствах все более и более сложных. Теория измерения это теория, в которой существует геометрический аналог, иногда чрезвычайно сложный этой инвариантности измерения.

2. В теории относительности существует конус распространения света. Движения временного типа находятся внутри этого конуса. Движения пространственного типа находятся вовне.

3. Движение Пуансо является движением твердого тела, момент которого внешних сил, действующих на него, относительно центра его инерции, является постоянным нулевым. Спутник, вращающийся вокруг своей звезды, следует движению Пуансо. Тело в свободном падении со слабой скоростью (позволяющей пренебречь аэродинамическими силами) следует также движению Пуансо.