Υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα;

Οι φυσικοί των σωματιδίων υποθέτουν την ύπαρξη πολλών σωματιδίων που κανείς δεν έχει δει ποτέ μέχρι σήμερα. Αλλά, ένα από αυτά είναι ξεχωριστό. Πρόκειται για το μαγνητικό μονόπολο. Οι μαγνήτες γνωρίζουμε πως διαθέτουν δύο μαγνητικούς πόλους – τον βόρειο και το νότιο πόλο. Αν τους κόψετε στα δύο, θα πάρετε απλά δύο μικρότερους μαγνήτες, ο καθένας με δύο πόλους.

Αν συνεχίσουμε να κόβουμε στη μέση τους μαγνήτες που προκύπτουν, θα παρατηρήσουμε πως θα εμφανίζονται πάντα νέοι μικρότεροι μαγνήτες και ότι είναι αδύνατον να απομονώσουμε έναν βόρειο ή νότιο πόλο. Και όταν φτάσουμε στα άτομα τότε το μαγνητικό πεδίο θα οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων και στο σπιν των σωματιδίων. Το σίγουρο είναι πως απομονωμένους βόρειους ή νότιους πόλους, ή αλλιώς μαγνητικά μονόπολα, δεν πρόκειται να βρούμε με την μέθοδο του τεμαχισμού. Επιπλέον, σύμφωνα με τις κλασικές εξισώσεις του Maxwell στον ηλεκτρομαγνητισμό δεν υπάρχουν μονόπολα.

διαβάστε σχετικά: Oι 4 εξισώσεις Maxwell

Σύμφωνα με την 1η εξίσωση Maxwell, η οποία εκφράζει τον νόμο του Gauss για το ηλεκτρικό πεδίο, η ηλεκτρική ροή που διέρχεται μέσα από μια οποιαδήποτε κλειστή επιφάνεια είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό φορτίο Q που περιέχεται μέσα σ’ αυτή. Αντίθετα, σύμφωνα με την 2η εξίσωση που εκφράζει τον νόμο του Gauss για το μαγνητικό πεδίο, η μαγνητική ροή που διέρχεται μέσα από μια οποιαδήποτε κλειστή επιφάνεια είναι ίση μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχουν «μαγνητικά» φορτία ή μαγνητικά μονόπολα, σύμφωνα πάντα με την κλασική θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Αυτή η ασυμμετρία μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού θα μπορούσε να διορθωθεί, αν με κάποιο τρόπο μπορούσε να υπάρξει ένα απομονωμένο «μαγνητικό φορτίο», ένας σκέτος βόρειος ή νότιος πόλος, όπως ακριβώς έχουμε τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία. Τα μαγνητικά μονόπολα θα μπορούσαν να λύσουν πολλά προβλήματα, αλλά μέχρι τώρα οι φυσικοί πίστευαν ότι αν υπήρχαν, θα προκαλούσαν ένα παράδοξο, θα διέλυαν αδιαίρετα σωματίδια. Όμως, σύμφωνα με μια νέα δημοσίευση βρέθηκε η εξήγηση του παραδόξου.

Τα μαγνητικά μονόπολα εισήχθησαν για πρώτη φορά από τον Paul Dirac το 1931 [P. A . M. Dirac, Proc. R. Soc. London 133 (1931) 60], σύμφωνα με τον οποίο οι θεωρητικοί φυσικοί πρέπει «να χρησιμοποιήσουν όλους τους πόρους των καθαρών μαθηματικών ώστε να τελειοποιήσουν και να γενικεύσουν τον μαθηματικό φορμαλισμό που αποτελεί την υπάρχουσα βάση της θεωρητικής φυσικής». Στην περίπτωση των εξισώσεων Maxwell η ατέλεια που ήθελε να εξαλείψει ήταν η ασυμμετρία που εμφανιζόταν εξαιτίας της απουσίας των μαγνητικών μονοπόλων. Με αυτή την ατέλεια δεν ήταν τόσο όμορφες όσο θα μπορούσαν να είναι.

Ωστόσο, αυτό θα μπορούσε πολύ εύκολα να διορθωθεί θεωρώντας την ύπαρξη των μαγνητικών μονοπόλων ή μαγνητικών φορτίων και των αντίστοιχων μαγνητικών ρευμάτων. Δείτε πόσο «ωραίες» φαίνονται τώρα οι εξισώσεις:

Θεωρώντας την ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων (ρ_m=πυκνότητα μαγνητικών φορτίων και J_m=πυκνότητα μαγνητικών ρευμάτων) οι εξισώσεις Maxwell γίνονται πιο ‘όμορφες‘

Επιπλέον, σύμφωνα με τον Dirac, αν αποδεικνυόταν η ύπαρξη των μαγνητικών μονόπολων, τότε θα μπορούσε να αποδειχθεί η κβάντωση του ηλεκτρικού φορτίου – γιατί τα ηλεκτρικά φορτία εμφανίζονται σε διακριτές μονάδες. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική τα ηλεκτρόνια εμφανίζουν κυματική συμπεριφορά. Και το «κύμα ενός ηλεκτρονίου» μπορεί να περικλείει ένα μαγνητικό μονόπολο. Αλλά η φάση του κύματος, που καθορίζεται από τις θέσεις των κορυφών και των κοιλιών μετατοπίζεται από τον μαγνητικό πόλο. Κι όμως πρέπει να ταιριάξουν ξανά μαζί στην άλλη πλευρά του μονοπόλου. Αυτό λειτουργεί μόνο αν το στοιχειώδες ηλεκτρικού φορτίο και το στοιχειώδες μαγνητικό φορτίο σχετίζονται μεταξύ τους με έναν ακέραιο αριθμό n=1, 2, … (Για την ακρίβεια αποδεικνύεται ότι: , όπου e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο και g το στοιχειώδες μαγνητικό φορτίο. Διαβάστε σχετικά: Μαγνητικά μονόπολα, υπεραγωγιμότητα και συνθήκη κβάντωσης Dirac)

Αφού οι φυσικοί ολοκλήρωσαν το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων στη δεκαετία του 1970, σχεδίασαν πειράματα για να αναζητήσουν τα μαγνητικά μονόπολα. Και κάποια από αυτά ανέφεραν «επιτυχίες»: Μία ανίχνευση αναφέρθηκε το 1975 [Evidence for Detection of a Moving Magnetic Monopole], μια δεύτερη το 1982 [Το μαγνητικό μονόπολο του Αγίου Βαλεντίνου] και μια τελευταία το 1985 με συμμετοχή του Μιχάλη Κορατζίνου [Observation of an unexplained event from a magnetic monopole detector]. Αυτές οι ανιχνεύσεις δεν επαναλήφθησαν ποτέ ξανά και προφανώς δεν έγιναν αποδεκτές.

Η έλλειψη πειραματικών στοιχείων δεν μείωνε τον ενθουσιασμό των φυσικών, όσο ένα αναπάντεχο θεωρητικό πρόβλημα. Ήταν οι υπολογισμοί που έδειχναν πως η ύπαρξη των μαγνητικών μονοπόλων θα οδηγούσε σε ένα πολύ περίεργο παράδοξο. Η ύπαρξή των μαγνητικών μονοπόλων φαινόταν να προκαλεί την διάσπαση των σωματιδίων. Όχι κλασματικά ηλεκτρικά φορτία, αλλά κλάσματα αριθμών σωματιδίων. Όχι ένα σωματίδιο με μισό ηλεκτρικό φορτίο, αλλά μισό σωματίδιο με ηλεκτρικό φορτίο. Μπορεί μαθηματικά να γίνει κάτι τέτοιο, αλλά στη φυσική δεν έχει νόημα. Ένα σωματίδιο είναι εξ’ ορισμού η ελάχιστη μονάδα. Δεν μπορείς να έχεις μισό σωματίδιο.

Ονόμασαν αυτά τα μερικά σωματίδια «ημιτόνια». Κι αυτά έκαναν τους φυσικούς να αναρωτιούνται αν τελικά τα μαγνητικά μονόπολα ήταν τόσο καλή ιδέα. Αν θέλετε να μπορείτε να μετράτε σωματίδια, τότε τα μαγνητικά μονόπολα δεν μπορούν να υπάρχουν. Αυτό το παράδοξο, λοιπόν, φάνηκε να εξηγεί την απουσία μαγνητικών μονοπόλων.

Αλλά σε μια πρόσφατη δημοσίευση με τίτλο «Monopole-Fermion Scattering and the Solution to the Semiton–Unitarity Puzzle» οι φυσικοί Vazha Loladze και Takemichi Okui υποστηρίζουν ότι το παράδοξο δεν υφίσταται. Οι συγγραφείς δείχνουν ότι κάναμε λάθος από τότε που πιστεύαμε ότι τα μονόπολα θα οδηγούσαν σε μερικά σωματίδια-ημιτόνια. Λένε ότι στα μαθηματικά φαίνεται απλά ότι υπάρχουν κλάσματα σωματιδίων, αλλά αυτά δεν είναι με φυσικό τρόπο αληθινά. Αυτά τα κλάσματα στην πραγματικότητα είναι ενωμένα και περιγράφουν μόνο ένα σωματίδιο τελικά.

Κι αυτό είναι πολύ ωραίο, γιατί τα μαγνητικά μονόπολα, αν υπάρχουν, θα έδιναν μεγάλη ώθηση στην φυσική. Θα εξηγούσαν γιατί τα ηλεκτρικά φορτία εμφανίζονται σε διακριτές μονάδες. Θα μπορούσαν επίσης να συνεισφέρουν στην ερμηνεία της σκοτεινής ύλης. Και δεδομένου ότι οι περισσότερες θεωρίες ενοποιημένων πεδίων περιέχουν μονοπόλα, αυτό θα ήταν μια ισχυρή ένδειξη ότι η ενοποίηση των δυνάμεων βρίσκεται πράγματι στον σωστό δρόμο.

Περισσότερες λεπτομέρειες θα βρείτε στο βίντεο της Sabine Hossenfelder που ακολουθεί:

 

https://physicsgg.me/2025/03/09/%cf%85%cf%80%ce%ac%cf%81%cf%87%ce%bf%cf%85%ce%bd-%ce%bc%ce%b1%ce%b3%ce%bd%ce%b7%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%ac-%ce%bc%ce%bf%ce%bd%cf%8c%cf%80%ce%bf%ce%bb%ce%b1/