Физики определили нижнюю границу массы магнитных монополей
Гипотетические магнитные монополи могут рождаться в столкновениях тяжелых ионов или в сильных магнитных полях нейтронных звезд. Физики из Имперского колледжа Лондона теоретически рассмотрели эти процессы и рассчитали нижнюю границу для возможной массы монополей — она оказалась чуть меньше массы протона. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Из классической теории электромагнетизма следует, что магнитных монополей (то есть магнитных зарядов) не существует. Другими словами, сколько бы вы не делили магнит на более мелкие кусочки, у каждого кусочка обязательно будет северный и южный полюс. На это прямо указывает одно из уравнений Максвелла, утверждающее, что поток магнитного поля через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.
Однако в квантовой теории поля это не так. В 1974 году Джерард ‘т Хоофт (Gerard ’t Hooft) и Александр Поляков независимо обнаружили, что в некоторых теориях существование монополя не только возможно, но и необходимо. Например, в теории великого объединения такие монополи неизбежно возникают как топологические дефекты поля Хиггса. Как и обычный заряд, заряд магнитного монополя квантуется, причем произведение наименьшего магнитного и электрического зарядов примерно равно 2π (в системе единиц ħ = c = 1). Этот факт Поль Дирак открыл еще в 1931 году, когда пытался теоретически объяснить квантование обычного заряда. Подробнее про открытие и свойства монополей можно прочитать в этой статье.
И хотя с зарядом магнитного монополя все более-менее понятно, с его массой дело обстоит гораздо сложнее. Разные теории дают разные оценки, хотя все они и сходятся на том, что масса должна быть очень большой (кто-то говорит, что она составляет целых 1016 гигаэлектронвольт). На данный момент ученые поставили несколько экспериментов, в которых они ограничили сечение рождения монополей в столкновениях тяжелых ионов, измерили поток монополей в космических лучах или галактических магнитных полях. Но теоретических оценок на эти значения не было, поэтому пересчитать их в массу монополя было нельзя.
Физики-теоретики Оливер Гулд (Oliver Gould) и Артту Раджанти (Arttu Rajantie) наконец разработали теоретические модели описанных процессов, а затем сравнили их с экспериментальными данными и нашли, какие ограничения на массу магнитного монополя из этого следуют. Примечательно, что результаты их вычислений не зависят от исходной теории, поскольку физики работали в «квазиклассическом приближении», в котором внутренняя структура монополей не учитывается. В кавычки слова взяты потому, что в этом приближении теоретики раскладывались не по степеням ħ (как обычно), а по другому малому параметру.
Сначала ученые рассчитали, как часто монополи рождаются в результате столкновений тяжелых ионов, которые происходят, например, на коллайдерах. В подобных столкновениях возникают маленькие участки пространства с очень большими магнитными полями и температурами, физики назвали их «файерболами» (fireball). Магнитные монополи могут рождаться только в таких маленьких областях, поэтому вероятность этого процесса будет пропорциональна объему «файербола» и сечению собственно процесса взаимодействия. При этом вероятность существенно зависит от массы и заряда монополя. Подставляя в формулу данные экспериментов и известные параметры, физики нашли, что масса магнитного поля не может быть меньше двух гигаэлектронвольт.
Кроме того, теоретики рассмотрели рождение монополей на поверхности нейтронных звезд, где температура и величина магнитного поля тоже могут достигать огромных значений. Если они там действительно образуются, магнитное поле будет рассеиваться, причем тем сильнее, чем меньше будет масса монополей. Поэтому магнитное поле звезды не может быть больше некоторого предельного значения. В то же время, астрофизикам известны магнетары, в которых магнитные поля достигают 1015 Гаусс. Отсюда тоже можно вытащить ограничение на массу монополя, только оно получается менее строгим, чем в случае столкновений ионов — около 0,7 гигаэлектронвольт, что составляет примерно 75 процентов от массы протона (938 мегаэлектронвольт).
Впрочем, физики отмечают, что ограничение на массу монополя, найденное из сечения столкновений тяжелых ионов, может быть не совсем верным, поскольку оно получено в приближении постоянного магнитного поля. На самом деле во время столкновения магнитное поле сильно меняется. Поэтому физики считают по-настоящему надежным все-таки значение 0,7 гигаэлектронвольт.
Дмитрий Трунин
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.