Рассказы об электричестве

И вот вход в экспериментальный зал синхроциклотрона: предупреждающие световые табло, система кнопок. Невидимые механизмы открывают перед нами «дверь» — в сторону по направляющим рельсам отъезжает глыба тяжелого бетона. Впереди коридор и ярко освещенный зал, огромный, круглый, как цирк. В середине — громадина электромагнит, выкрашенный зеленой масляной краской. Вокруг — бесчисленные приборы. В разные стороны от синхроциклотрона отходят трубы, окруженные измерительной техникой. Это тракты пучков — пути, по которым из камеры выводятся разогнанные частицы. Вот эти голубые трубы — пи-мезонные тракты. А этот светло-серый — мю-мезонный тракт. Здесь летит пучок протонов для медицинских исследований. А вот это — тракт импульсного нейтронного пучка. Сгустки нейтронов проскакивают за 20 наносекунд.

Нано! По-гречески — «карлик», составная часть слов, служащих для обозначения миллиардной доли исходной единицы. Наносекунда — это 0,000 000 001 секунды. Пожалуй, такой промежуток времени так же трудно представить себе, как и энергию синхроциклотрона в один гигаэлектронвольт. Здесь «гига» — соответственно составная часть слова, служащая для наименования единиц, кратных миллиарду. Гигаэлектронвольт — миллиард электронвольт. А «гига», как вы, наверное, уже догадались, происходит от греческого слова «гигантский».

Мы обходим машину вокруг, слушаем пояснения и проникаемся почтением. Старое, но грозное оружие физики. Сейчас в институте строится новый ускоритель, более мощный, более совершенный. Но и этот еще не выходит в отставку, он еще послужит…

Линейный ускоритель.

Чтобы разрядить сгустившуюся атмосферу пиетета, наш сопровождающий вытаскивает из кармана халата здоровенный гаечный ключ и ставит его торцом на ладонь. Ключ стоит. Более того, когда мы пытаемся его положить, он снова вскакивает, как ванька-встанька… Вот оно проявление мощного магнитного поля, из-за которого пришлось снять часы. Невидимое, неслышимое, неощутимое человеком и вместе с тем такое необходимое для поддержания жизни на планете. Мы так привыкли к проявлению магнетизма в окружающем мире, что порой на вопрос «что это?» отвечаем, пожав плечами: «Обыкновенный магнит». Обыкновенный… Кто из нас с вами думает при этом, что загадка «обыкновенного магнита» до сей поры так и не разгадана учеными.

То, что мы понимаем под магнетизмом сегодня, — это также совокупность явлений, обусловленных магнитным взаимодействием, которое передается и осуществляется с помощью магнитного поля. Сегодня мы знаем, что все вещества в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Это и понятно: электроны, протоны и нейтроны, из которых построены все атомы, обладают магнитными моментами. Но при этом одни вещества внешне магнитных свойств не проявляют или проявляют их слабо (это диа- и парамагнетики), а другие — ферромагнетики — взаимодействуют сильно и могут даже самопроизвольно намагничиваться.

Знаменитый ускоритель в Серпухове.

Мы объясняем магнитные свойства вещества на основании законов квантовой механики. Знаем, что магнитные поля существуют у многих космических тел и играют очень важную роль в важнейших астрофизических и планетных явлениях. Магнитные свойства ряда веществ мы широко используем в электро- и радиотехнике, в автоматике и вычислительной технике, в телемеханике, в морской и космической навигации, в геофизических методах разведки полезных ископаемых, наконец, для контроля качества металлических изделий, но… Как и во времена Гильберта и Стёрджена, мы по-прежнему не знаем природы взаимодействия двух магнитов, не представляем механизма взаимодействия магнитных полей.

В 1931 году замечательный английский физик П. А. Дирак опубликовал статью, в которой наряду с фундаментальным квантом электричества — электроном он вводил и квант магнетизма — «уединенный» северный или южный магнитный полюс, который передвигается наподобие элементарной частицы. Это было очень неожиданно. Все ведь привыкли к тому, что любой магнит, начиная от крошечного электрона и до огромного сверхпроводящего соленоида, всегда имеет не менее двух полюсов. Как же может существовать одиночный магнитный полюс — магнитный монополь?..

Но ведь электрические заряды существуют в виде монополей? В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон открыл эту фундаментальную частицу — электрон, — и с тех пор все наблюдающиеся электрические заряды оказывались кратными ее заряду. То есть электрический заряд квантовался.

То же условие предположил Дирак и для магнитного заряда. Теоретически он даже вычислил его величину. Оставалось только найти его экспериментально… Может возникнуть вопрос: а для чего, собственно говоря, так уж необходим нам магнитный монополь? Вернемся на минутку к электрону: развитие его теории способствовало созданию теории относительности. А из нее выросла физика XX столетия — квантовая теория взаимодействий гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых сил. Без электронов не заговорило бы радио, не замерцали бы телевизионные экраны, не защелкали бы ЭВМ системы управления и регулирования, не засверкали бы лазеры…

Счетчик частиц.

Приборы, снабжающие синхротрон электроэнергией.

Пузырьковая камера.

Подтверждения существования магнитного монополя ждут теории, основанные на точной симметрии между электричеством и магнетизмом. Монополь Дирака подтвердил бы правильность новой физической теории «Великого объединения», которая позволяет три вида взаимодействий — слабое, электромагнитное и сильное — рассматривать с единых позиций. В науке о Вселенной — космологии подтверждение физического существования монополя дало бы основание считать, что наша Вселенная действительно родилась в результате «большого взрыва». Я уж не говорю о практических возможностях. О! Какие невиданные новые источники энергии мы бы построили! Создали бы микрогенераторы и микродвигатели невиданных мощностей. Осчастливили бы медиков и биологов… Да что там говорить. Разве мог кто-нибудь в 1897 году предсказать, к чему приведет открытие крошечного электрона?

Самый первый эксперимент по поискам магнитного монополя был проведен в год выхода дираковской статьи — и неудача! Затем, в начале сороковых годов, повторение попытки — и снова неудача. В 1951 году — тот же результат при поисках монополей в метеоритах, в потоках космического излучения. Позже — поиски в донных отложениях на огромных глубинах Тихого океана, на самых мощных ускорителях в мире… Нет! Нет и нет!..

В 1975 году группа американских физиков под руководством Прайса сообщила, что нашла!! Вроде бы нашла! Как будто нашла следы неизвестной частицы, которая могла бы быть магнитным монополем. Однако и они приняли желаемое за действительное.

В 1982 году в Стенфордском университете на установке СКВИД после двухсот дней наблюдения Бласу Кабрере удалось заметить резкое нарастание тока. Это могло быть лишь в том случае, если через сверхпроводящий ниобиевый контур пролетел монополь… Однако большинство ученых отнеслось к сообщению скептически. А повторить эксперимент не удалось. Значит, открытие по-прежнему не состоялось.

Следы ядерпых частиц, «улавливаемых» пузырьковой камерой синхротрона.

И вместе с тем они должны существовать. Правда, значение массы магнитного монополя определяется в 10¹⁶ миллиардов электронвольт! При такой его величине их не удастся получить даже на ускорителях со встречными пучками — не хватит просто энергии. И все-таки охота за монополями продолжается. И магнит, простой магнит, который нам хорошо знаком, оказывается, еще далеко не раскрыл своих тайн. И кто знает, когда это раскрытие состоится окончательно?