Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

Магнитный брусок представляет собой пример магнитного диполя с северным и южным полюсами. Но если вы разделите магнитный диполь надвое, то не получите два магнитных монополя, вместо этого у вас появятся еще два диполя. В классической теории не существует магнитных монополей, и ни один до сих пор не удалось обнаружить экспериментально.

Как заметил в 1894 году французский физик Пьер Кюри, отсутствие магнитных монополей — это единственное различие между электричеством и магнетизмом. В 1931 году Поль Дирак доказал, что существование магнитных монополей согласуется с законами квантовой механики и тем самым восстанавливает электромагнитную симметрию {233} 233 Dirac Paul A. M. Quantised Singularities in the Electromagnetic Field // Proceedings of the Royal Society of London, ser. A, containing papers of a mathematical and physical character, 1931: 60–72. .

В 1974 году нидерландский физик Герард Хуфт {234} 234 Hooft Gerard't. Magnetic Monopoles in Unified Gauge Theories // Nuclear Physics В 79,1974. — №2: 276–284. и советский физик Александр Поляков {235} 235 Поляков А. М. Спектр частиц в квантовой теории поля // Письма в ЖЭТФ, 1974. — № 20 (6). — С. 430–433. независимо друг от друга доказали, что в рамках калибровочных теорий объединения, включающих электромагнитное взаимодействие, должны существовать магнитные монополи. В 1976 году британский физик Томас Киббл (один из шести авторов, предложивших в 1964 году механизм Хиггса, см. главу 11) доказал, что при фазовом переходе с нарушением калибровочной симметрии новая фаза не обязана быть однородной, но может иметь так называемые топологические дефекты, подобные тем, которые возникают в ферромагнетиках. Эти дефекты включают доменные стенки, струны и монополи {236} 236 Kibble Т. W. В. Topology of Cosmic Domains and Strings //Journal of Physics A: Mathematical and General 9,1976. — № 8; 1387–1398. .

В 1979 году гарвардский аспирант Джон Прескилл рассчитал, что во время фазового перехода ТВО должны были образоваться монополи массой в 10 16раз больше массы протонов в количестве, сопоставимом с числом протонов {237} 237 Preskill John P. Cosmological Production of Superheavy Magnetic Monopoles // Physical Review Letters 43, 1979. — № 19:1365–1368. . Если бы все было так, масса Вселенной в то время стала бы настолько большой, что она схлопнулась бы менее чем за 1200 лет {238} 238 Хорошее объяснение без математических подробностей можно найти в книге: Guth Alan H. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. — Reading, MA: Addison-Wesley 1997. — P. 147–1665. .

В 1980-е проводилось множество экспериментов по поиску магнитных монополей, но ни один так и не был найден {239} 239 Последний обзор, содержащий полный список ссылок на теоретическую и экспериментальную часть, можно найти: Milstead D. and Weinberg E.}. Magnetic Monopoles, 2011 // http://pdg.web.cern.ch/pdg/2011/reviews/ rpp201 l-rev-mag-monopole-searches.pdf (accessed March 9,2013). . В 1987 году я провел шесть месяцев своего творческого отпуска в Италии, работая в проекте MACRO (Monopole, Astrophysics, and Cosmic Ray Observatory — «Обсерватория монополей, астрофизики и космических лучей») в Национальной лаборатории Гран-Сассо, расположенной под землей. Эта лаборатория представляет собой магистральный туннель, проложенный через горную цепь недалеко от горы Л’Акуила, где в 2009 году произошло землетрясение (лаборатория не пострадала). Основной целью эксперимента MACRO был поиск магнитных монополей, и он стал самым чувствительным экспериментом из когда-либо проводимых в этой области. Обнаружить монополи так и не удалось, но к 2002 году в этом эксперименте был установлен очень строгий верхний предел для регистрации потока монополей, намного ниже расчетного значения, основанного на эффекте, который монополи должны производить на магнитные поля галактик {240} 240 MACRO Collaboration. Final Results of Magnetic Monopole Searches with the Macro Experiment // European Journal of Physics, C25,2002: 511–522. .

Тем не менее провал попытки обнаружить магнитные монополи — это в худшем случае проблема теорий великого объединения, но никак не модели Большого взрыва. Я упомянул об этом в основном из исторических соображений, поскольку проблема монополей сильно поспособствовала привлечению физиков, работающих с элементарными частицами, к работе над космологией ранней Вселенной.

В 1980 году несколько физиков и астрофизиков начали независимо друг от друга разрабатывать сценарий развития ранней Вселенной, который должен был в конечном итоге представить возможное решение проблем, связанных с общепринятой моделью Большого взрыва. В том же году, 11 января, российский физик Алексей Старобинский, работавший со Стивеном Хокингом в Кембридже, отправил в журнал Physics Letters статью, в которой доказывал, что квантовые эффекты в ранней Вселенной могли привести к появлению пространства де Ситтера, а значит, к экспоненциальному расширению Вселенной, называемому теперь инфляцией.