Приключения великих уравнений

массой!

Это — одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не «два облачка на чистом небе законченной теоретической физики», о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие «атмосферные явления»: неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти «два облачка». Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом — именно в противоречиях квантовой теории — ключ к новым открытиям в физике.

Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.

Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.

Ничто не может быть ошибочнее этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.

Нильс Бор писал: «…язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена».

Новые открытия, новые трудности

Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу «передвижения на одноколесном велосипеде по канату» — задачу удержания плазмы в «магнитной бутылке», — все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.

Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не «легкие облачка», омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте явно собираются свинцовые тяжелые тучи.

Собирающаяся гроза обязана своим происхождением самой, казалось бы, невинной причине — поискам красоты, полного совершенства. Недаром один великий физик не уставал говорить, что всякая физическая теория должна быть математически элегантна.

Сегодня элегантнейшая теория Максвелла уже кажется некоторым исследователям элегантной в недостаточной степени.

И дело здесь прежде всего в том, что уравнения Максвелла, как говорят математики и физики, несимметричны.

Действительно, посмотрим еще раз на уравнения Максвелла, вернее, на два из них:

Смысл каждого из них таков: если мы возьмем ограниченную область пространства, то число электрических силовых линий (определяющее электрическое поле, D^{- >}), вышедших из этой области, зависит от электрического заряда ρ, располагающегося внутри нее. Чем больше заряд, тем больше D^->.

Если повести рассуждение в отношении магнитных силовых линий, то окажется, как следует из второго уравнения, что общее количество магнитных силовых линий, выходящих из произвольной области пространства, всегда равно нулю! Другими словами, сколько магнитных силовых линий в данный объем вошло, столько оттуда и вышло.

Запишем следствия вышеприведенных уравнений следующим образом.

Электрические силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.

Магнитные силовые линии нигде не начинаются и не кончаются.

Такая несимметрия, несправедливость, если хотите, может легко поранить чью-нибудь чувствительную душу.

Кроме того, если вникнуть глубже в смысл уравнений Максвелла, получится, что электричество вполне может обойтись без магнетизма, а магнетизм без электричества — нет!

Фактически уравнения Максвелла полностью сводят магнетизм к электричеству. После того как Ампер продемонстрировал две спирали с током, «притягивающиеся как магниты», магнетизм как таковой, казалось, перестал существовать.

Две великие силы природы оказались одной — электричеством. Вся тысячелетняя история этих двух явлений, казалось, восставала против такой несправедливости.

Именно отсутствие магнетизма как самостоятельного явления и утверждается уравнениями Максвелла. Магнетизма нет, есть одно электричество.

Электричество имеет источник — электрический заряд. Магнетизм имеет источником лишь электричество.

Это смущает.

Это наводит на крамольные мысли.

К тому же — явная математическая несимметрия уравнений, которые, как говорил Герц, живут самостоятельной жизнью и иногда кажутся даже умнее человека, создавшего их.

Но классическая теория электромагнетизма не содержит ничего, что оправдывало бы, по существу, такое «неравенство» электричества и магнетизма.

В 1931 году кембриджский профессор Поль Адриен Морис Дирак, знаменитый физик-теорегик, много сил отдавший созданию квантовой электродинамики, увлекся такой задачей: не содержит ли квантовая теория нечто оправдывающее преимущество электричества перед магнетизмом?

Такого преимущества не оказалось. Как классическая, так и квантовая электродинамика «не возражала» против введения в уравнения, для того чтобы сделать их полностью симметричными, «магнитных зарядов», еще не известных науке.

Такие магнитные заряды, или, как их назвал Дирак, «монополи», должны были быть полным магнитным эквивалентом зарядов электрических.

Они могли быть отделены друг от друга, другими словами, могли бы порознь существовать «северные» и «южные» магнитные заряды. Эта «безумная» идея странным образом воскрешала воззрения XIII века, опровергнутые Гильбертом, доказавшим, что нельзя получить в магните отдельно Северный и Южный полюсы.

Как магнитные явления возникают при движении электрических зарядов, так и электрические явления могли бы стать следствием движения зарядов магнитных.

Как и электроны, монополи могли бы испускать и поглощать электромагнитное излучение, например свет.

И наоборот, если очень энергичные фотоны могут создавать пару — отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон (кстати говоря, тоже предсказанный Дираком и вскоре обнаруженный), они же могут рождать и пару — северный и южный монополи.

Как мы упомянули, идея магнитных монополей была высказана Дираком вместе с идеей о существовании «положительного электрона» — позитрона. И то и другое предположения были одинаково дики для физиков. Взять хотя бы идею о положительном электроне. Ясно, что когда-нибудь положительный электрон встретится с «настоящим», отрицательным электроном, в результате чего произойдет аннигиляция — превращение в электромагнитную энергию двух элементарных частиц. В конце концов такие процессы, казалось бы, должны были привести к уничтожению и мира, и физиков, изобретающих