Nors iš pirmo žvilgsnio elektros spragsėjimas ir neregima magnetinė trauka atrodo kaip skirtingi dalykai, jau maždaug 150 metų mokslininkai sutaria, kad abu šie dalykai iš esmės yra to paties fenomeno pasireiškimai.
Bet elektromagnetinis dvilypumas turi paslaptį – jei elektros laukais turi elektros krūvį, kodėl magnetiniai laukai neturi magnetinių krūvių? Dabar mokslininkai mano turį atsakymą.
Nors iš pirmo žvilgsnio elektros spragsėjimas ir neregima magnetinė trauka atrodo kaip skirtingi dalykai, jau maždaug 150 metų mokslininkai sutaria, kad abu šie dalykai iš esmės yra to paties fenomeno pasireiškimai. Bet elektromagnetinis dvilypumas turi paslaptį – jei elektros laukais turi elektros krūvį, kodėl magnetiniai laukai neturi magnetinių krūvių? Dabar mokslininkai mano turį atsakymą.
Naujas Louisianos valstijos universiteto mokslininkų tyrimas rodo, kad šią simetriją – kai magnetiniam laukui reikėtų magnetinio krūvio, kitaip, magnetinių monopolių – darko gravitacija.
„Gravitacija sugadina simetriją, nesvarbu, ar magnetiniai monopoliai egzistuoja, ar ne, – sakė komandos vadovas Ivan Agullo. – Tai šokiruoja. Apibendrinant – simetrija mūsų Visatoje egzistuoti negali fundamentaliu lygiu, nes gravitacija yra visur.“
Visos šios kalbos apie magnetiniu monopolius ir simetriją gali kiek gluminti, tad verta prisiminti pagrindus. XIX amžiaus viduryje, keistuolis, bet nuostabus škotų mokslininkas Jamesas Clerkas Maxwellas pritaikė tada egzistavusią matematiką kito didžio proto, Michaelo Faraday'aus eksperimentų aprašymui.
Kol Faradėjus sukiojo magnetus elektros srove, ir kūrė elektros srovę sukinėjamais magnetais, Maksvelas skaičiais parodė, kad magnetinis ir elektrinis laukas – mokykloje pieštos rodyklių linijos apie magnetus – gali būti sukeistos ir niekas nė nepastebėtų. Tai yra Visatos savybė, vadinamoji simetrija – kai kurie dalykai atrodo taip pat, kad ir iš kurios pusės žiūrėsi, kaip juos bepasuksi.
Tačiau ši elektromagnetinė simetrija galioja tik tuo atveju, jei ignoruosime sroves ir krūvius; elektrinius laukus sudaro jėgos taškai, vadinami elektros krūviai, kurie turi ir vektorių (kitaip tariant, krūvis dar ir teka), bet nors magnetiniai laukai turi panašų „šiaurės–pietų / neigiamą–teigiamą“ srautą, magnetiniai laukai magnetinio krūvio neturi ir visą simetriją sugriauna. O jei ir yra dalykas, kurio fizikos teoretikai ir matematikai nekenčia, tai – sugriuvusios simetrijos bjaurumas!
Tačiau tai neturi nieko bendro su išvaizda; fizikos teoretikas Paulas Dirakas manė, kad radus magnetinius monopolius, paaiškėtų, kodėl egzistuoja taškiniai elektros krūviai. Atitinkamomis laboratorinėmis sąlygomis monopoliai buvo sukurti, naudojant, itin šaltus atomus, tačiau tai, kas elgiasi kaip magnetinis monopolis, nebūtinai tai ir yra, tad vis dar neturime empirinių jų egzistavimo įrodymų.
O naujausias tyrimas rodo, kad jų egzistavimas neįmanomas. Norint geriau suprasti, kaip mokslininkai priėjo prie išvados, kad elektromagnetizmo dualumą griauna būtent gravitacija, nepakenktų įmaišyti ir dar vieną reiškinį – šviesą. Šviesą sudaro mažytės šviesos dalelės, fotonai, kurie daugmaž yra elektromagnetinę sąveiką pernešančio elektromagnetinio lauko informacijos vienetai.
Skirtingi elektromagnetizmo kvantų dažniai perneša skirtingas spalvas, nekalbant jau apie mikrobangas, radijo bangas, rentgeno spindulius ir t. t. ir pan.
Fotonai yra bozonais vadinamų dalelių tipas, kuris apibrėžiamas taip, kad daugiau nei viena identiška dalelė gali užimti tą pačią kvantinę būseną.
Yra ir kitos dalelės, fermionai, iš kurių paminėtini elektronai bei neutronus ir protonus sudarantys kvarkai, kurie tokių fokusų atlikti negali, o tai padeda paaiškinti, kodėl jie negali užimti vieni kitų fizinės vietos.
Taigi, tyrėjai pažvelgė, kaip gravitacija laužo kitas simetrijas, tarp kurių ir susijusios su fermionais, ir rado būdą, kaip pertvarkyti fundamentalią elektromagnetinio lauko teoriją taip, kad ji aprašytų fotonus.
Darbo rezultatas pateikė įrodymus, kad magnetiniai monopoliai visai nesislepia – kadangi gravitacija persmelkia visą Visatą, elektrinio lauko ir magnetinių monopolių simetrija negalioja fundamentaliu lygiu.
„Aprašėme elektromagnetinio lauko teoriją taip, kad ji tapo labai panaši į fermionų teoriją, ir įrodėme simetrijos nebuvimą, naudodami galingas technikas, kurios buvo sukurtos fermionams“, – sakė Agullo.
Tai neatmeta magnetinių monopolių kaip tokių, bet pašalina simetriją iš jų paieškos priežasčių sąrašo.
Jei naujasis tyrimas bus patvirtintas, tai bus svarbi naujiena ne tik magnetinių monopolių medžiotojams; astrofizikams teks į tai atsižvelgti, tyrinėjant ankstyvosios Visatos šviesos aidus.
Didžiojo Sprogimo liekamąjį spinduliavimą sudarantys fotonai – Kosminis mikrobangų fonas – pateikia svarbias užuominas apie Visatos, kuria jie sklinda, prigimtį.
Kol kas astrofizikai nesirūpino gravitacijos poveikiu per kosmosą sklindančių fotonų poliarizacijai, bet tai darė, laikydamiesi prielaidos, kad elektromagnetinė simetrija egzistuoja.
Toliau tyrėjams reikės išsiaiškinti, ar sugriuvusi simetrija reiškia, kad senstant Visatai šviesos poliarizacija kito, ir ar tai atskleidžia mums ką nors naujo apie kosmoso istoriją.
Tyrimas publikuotas „Physical Review Letters“.
