Магнитный монополь

Магнитный монополь – гипотетическая частица, аналог элементарного электрического заряда для магнитного поля.
Магниты имеют два полюса. Этим свойством магнитное взаимодействие корне отличается от электрической. Электрическое поле создается положительными и отрицательными зарядами – частицами с одним единственным полюсом. Аналогом постоянного магнита для электрического поля диполь, который всегда можно разбить на два заряда разного знака. То есть электрическое и магнитное поле, которые являются равнозначными составляющими электромагнитной волны, коренным различаются по своим источникам.
Отсутствие такой симметрии вызвала гипотезу о возможном существовании частицы с магнитным зарядом.
До сих пор экспериментального свидетельства о существовании магнитного монополя получить не удалось за исключением одного случая, когда экспериментальная установка сработала 14 февраля 1982. Этот случай получил название монополь святого Валентина.
На ранних этапах развития физики, основанная на экспериментальных исследованиях, распространилась мысль о принципиальном отличии электрических и магнитных свойств физических тел. Эта мысль четко была сформулирована (W. Gilbert, 1600). Установка Шарлем Кулоном тождества законов притяжения и отталкивания для электрических и магнитных зарядов (полюсов магнитов) – опять подняло вопрос о сходстве электрических и магнитных сил, однако в конце 18 века было показано, что в лабораторных условиях невозможно разделить дипольное магнитное тело на отдельные магнитные заряды. Поэтому понятие о магнитно заряжену субстанцию было надолго изгнано из физики после трудов Ампера в 1820, где было доказано, что контур с электрическим током создает такое же магнитное поле, как и магнитный диполь.
Восстановление концепции магнитных зарядов приходится на начало 30-х годов 20-го века, т.е. в период пересмотра основ физики в связи с созданием квантовой механики. Поль Дирак опубликовал несколько статей посвященных проблеме т.н. магнитного монополя (поэтому в дальнейшем эту гипотетическую частицу стали называть монополя Дирака).
Поль Дирак создал квантовую теорию взаимодействия электрического заряда e с магнитным зарядом g, которая справедлива при выполнении условия: , Где n – целое число. Таким образом, магнитный заряд частицы должен быть кратен элементарному магнитному заряду , Где e – элементарный электрический заряд.
Достаточно примечательно обратное, что существование магнитного заряда не противоречит стандартной квантовой механике только в том случае, когда электрические заряды всех частиц квантуются. Таким образом, существование магнитного монополя пояснувало бы кратность электрических зарядов частиц величине e, что наблюдается на практике.
Условие квантования Дирака обобщается на взаимодействие двух частиц, каждая из которых имеет как электрический так и магнитный заряды (такие частицы называются диона)

.

(В использованной Дираком системе единиц e и g имеют одинаковую размерность, причем заряд е фиксированный соотношением ) В нерелятивистском приближении сила, действующая на дион 1 с координатами r и скоростью v со стороны диона 2, закрепленного в начале координат, равна

.

Следует отметить, что комбинации зарядов, входящих в эту формулу является инвариантным относительно дуального преобразования.
В системе СИ размерности электрических и магнитных зарядов разная. Более того, в ней магнитный заряд определяется через отношение двух фундаментальных констант:

Дж / А,

где h – постоянная Планка и e – электрический заряд электрона.
По аналогии с законом Кулона для электрических зарядов, можно ввести закон взаимодействия между одноименными магнитными зарядами . Сила отталкивания (притяжения) между двумя магнитными зарядами может быть представлена в форме:

– Магнитная проницаемость вакуума, а расстояние между двумя зарядами. Постоянная тонкой структуры для магнитных зарядов имеет вид:

,

где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме, а ? – постоянная тонкой структуры для электрических зарядов.