Magneettinen mopoli

Naturessa oli juttu magneettisista monopoleista. Koulukursseilla jo opimme, että magneettia ei voi halkaista niin, että navat voisi erottaa toisistaan. Tämä on yksi sähkömagneettisten ilmiöiden klassisen teorian kulmakivistä. Maxwellin yhtälöiden mukaan hiukkasmaisia magneettisia monopoleja ei ole olemassa (eli magneettikenttä on lähteetön). Paul Dirac ennusti kuitenkin jo vuonna 1931, että kvanttimekaniikassa magneettisia monopoleja voi ainakin teoriassa olla olemassa ilman, että Maxwellin yhtälöt menevät siitä nurin. Tämän mahdollistaa pieni trikki. Kvanttiteoriassa hiukkasia kuvaa kompleksiarvoinen aaltofunktio ja sähkömagneettiset kentät kytkeytyvät hiukkasiin mittakentän avulla, joka moduloi kompleksisen aaltofunktion vaihetta. Yleensä aallon vaiheen pitää käyttäytyä suhteellisen kiltisti, jotta teoria toimisi. Epäjatkuvuuksia ei normaalisti sallita. Dirac kuitenkin äkkäsi, että on olemassa yksi kompleksiluku jonka vaihe on määrittelemätön. Se on kompleksiluku nolla. Jos oletetaan, että aaltofunktiossa on lankamainen nollakohta, voidaan sallia, että aaltofunktion vaiheessa on langan kohdalla epäjatkuvuus. Dirac laski, että siinä tapauksessa mittakenttä ei ole määritelty langan kohdalla ja langan päihin muodostuu magneettiset monopolit. Toiseen päähän muodostuu positiivinen ja toiseen negatiivinen magneettinen varaus. Tuota lankaa kutsutaan Diracin langaksi (Dirac string) ja sen päihin muodostuvia magneettisia varauksia Diracin monopoleiksi.

Sokerina pohjalla Diracin laskussa on se, että jos oletetaan, että magneettisia monopoleja on olemassa sähkövaraus pitää olla kvantittunut niin, että alkeisvaraus (eli elektronin varaus 1.6×10−19 Coulombia) on pienin sallittu nollasta poikkeava vapaa sähkövaraus. Kvanttiteoria ei sinänsä rajoita varauksen suuruutta, mutta alkeisvarauksia pienempiä varauksia ei olla koskaan havaittu. Kvarkkien varaukset ovat teorian mukaan pienempiä, mutta kvarkit eivät esiinny vapaina yksittäisinä hituina. Diracin teoria on siis todella kaunis ja intuitiivinen niin kuin kaikki hänen teoriansa. Siinä on vain yksi ongelma: magneettisia monopoleja ei olla havaittu tähän päivään mennessä. Dirac pohti itse aikanaan syytä tähän ja arveli, että magneettisten monopolien välinen suuri voima voi tehdä yksittäisten monopolien havaitsemisesta vaikeaa. Voima on yli 4000 kertaa suurempi kuin elektronin ja protonin välinen vetovoima.

Vuosien mittaan magneettisia monopoleja ollaan etsitty kaikkialta. Kaikki tutkimukset eivät ole tuottaneet ihan ei-oota. Materiaalifysiikassa ollaan tiedetty jo monen vuoden ajan, että jotkut aineet kuten dysprosium titanaatti (DyTiO) muodostaa spin-jäänä tunnetun systeemin, jossa esiintyy hiukkasten kaltaisia magneettisia monopoleja. Nämä eivät tosin ole alkeishiukkasia vaan emergenttejä hiukkasia eli systeemin kollektiivisen käyttäytymisen muodostama ilmiö, jossa monopoleja ei voi eristää. Siitä huolimatta neutronisirontakokeissa ollaan havaittu Diracin lankojen kaltaisia piirteitä aineen magneettisten momenttien järjestäytymisessä.

Nyt tämä uusin Naturen julkaisema tutkimustulos liittyy ultrakylmiin atomikondensaatteihin, joissa ollaan myös havaittu vastaavanlaisia Diracin lankojen kaltaisia piirteitä. Massachusettsissa USA:ssa tehty koe vahvisti suomalaisten tutkijoiden ennustuksen. Kokeissa Diracin monopolin kaltainen analoginen rakenne mitattiin ja kuvattiin kondensaatissa. Ero on kuitenkin siinä, että tuo atomikondensaatti vain simuloi todellista magneettista monopolia. Magneettikenttää ei ole, mutta matemaattiset yhtälöt muistuttavat Diracin johtamia yhtälöitä.

Eli älkää nuolasko ennen kuin tipahtaa. Monopoliskeptikoiden ei vielä kannata syödä hattujaan. Magneettisia monopoleja alkeishiukkasina ei olla vielä havaittu, eikä ole varmaa, että niitä koskaan havaitaankaan. Kokeet sanovat lopulta viimeisen sanan asiassa. Teoreetikot kerkeävät tehdä monta hienoa, eleganttia, kaunista ja loogista teoriaa, joissa voi olla vain sellainen pieni ongelma, että luonto ei kuitenkaan käyttäydy niin kuin nuo teoriat ennustavat. Supersymmetrisiä hiukkasia ei olla vielä löydetty vaikka nekin ratkaisevat monta hiukkasfysiikan ongelmaa. Vain tulevaisuudessa saadaan tietää – jos kehitys kehittyy ja tutkimusrahhaa jaetaan – löytyykö näitä magneettisia monopoleja vai ovatko nekin vain yksi mainio idea, jonka luonto on kuitenkin heittänyt romukoppaan ja valinnut jonkun toisen tien.

(lisää Paul Diracista aikaisemmassa postauksessa)

Mainokset

One response to “Magneettinen mopoli

  1. Mopoliskeptikot söivät hattunsa jo huuhaassa.

    Minulle jäi tuosta Diracin artikkelista oikeastaan mieleen vain kirjasintyyppi, kun en muusta niin ymmärtänyt. Aika elegantin luettava, paitsi kaavojen kohdalla.

Kommentointi on suljettu.