עוד הוכחות לקיום מונופולים מגנטיים

24 05 2010

ידוע מתורת החשמל שכאשר אלקטרונים נעים לאורך טבעת מתפתח שדה מגנטי ומשטח הסגור על ידי הטבעת מתנהג כמו משטח של דיפולים מגנטים. הדיפול המגנטי הוא מעין מגנט קטן בעל שני קטבים – צפון ודרום. דיפול זה, שנוצר על ידי טבעת הזרם, מפעיל כוחות מגנטיים על דיפול מגנטי אחר. בפיזיקה מכונה דיפול מגנטי זה בשם "דיפול אקציאלי".

ידוע גם דיפול אחר שהוא זוג מטענים חשמליים שוים בעוצמתם ושונים בסימנם הנמצאים בסמיכות, אולם לא בדיוק באותה הנקודה. דיפול זה מכונה דיפול חשמלי פולארי. התבוננות בכוחות אלקטרומגנטים שבין זוג מטענים מחד ובין זוג דיפולים מאידך אשר נמצאים במצכ סטאטי, מגלה את השוני שבין מטענים לדיפולים. הכוח שבין מטענים סטאטיים נמצא על הישר המחבר אותם ואילו הכוח הפועל בין דיפולים כאלה איננו בהכרח על הקו הזה. מסתבר כי הכוח שבין דיפולים עשוי להיות גם בכיוונים אחרים. ניתן להיווכח בתכונה זו אם אוחזים שני מגנטים בסמיכות ובאוריינטציה מתאימה. בהקשרים מסוימים, כמו למשל בפיזיקה הגרעינית, מכונה כוח מעין זה בשם כוח טנזורי.

בנוסף לטבעות של זרם חשמלי, ישנו מקור נוסף לדיפול מגנטי והוא הספין של חלקיקים. לחלקיקים בעלי מטען חשמלי ובעלי ספין שאיננו אפס, כמו למשל האלקטרון והפרוטון, יש גם מומנט דיפול מגנטי. קיימים גם חלקיקים נייטרלים מבחינה חשמלית, כמו למשל הניוטרון, שהם בעלי ספין ומומנט דיפול מגנטי.

דיפול חשמלי אקציאלי
על פי התורה הרגולרית של המונופולים המגנטיים אותה פיתח קומאי, ישנה דואליות מלאה בין כוחות מגנטיים לכוחות חשמליים. הקווארקים נושאים מטענים של מונופול מגנטי שהם בעלי תכונות דואליות לתכונותיהם של המטענים החשמליים.

ולכן, כפי שהאלקטרון בעל מטען חשמלי עם ספין-1/2 יוצר דיפול מגנטי אקציאלי, הקווארקים בעלי מטען מגנטי עם ספין-1/2 שיוצרים דיפול חשמלי אקציאלי.

על פי הנוסחאות שקיבל קומאי, הקווארקים נושאי המונופולים אינם מפעילים כוח חשמלי ישירות על מטען חשמלי, אבל מפעילים כוח הנובע מהדיפול החשמלי האקציאלי על דיפול חשמלי אקציאלי אחר. כלומר, פרוטונים וניוטרונים מהווים למעשה דיפולים חשמליים אקציאלים המפעילים כוחות זה על זה.

מדוע דומה הדיוטרון לכדור רוגבי?
הדיוטרון הינו גרעין של אטום מימן כבד המכיל פרוטון וניוטרון. אילו היה פוטנציאל הכוח הגרעיני תלוי אך ורק במרחק שביניהם היה אמור הדיוטרון להיות בעל צורה גיאומטרית כדורית. אולם מסתבר שצורתו של הדיוטרון דומה יותר לכדורגל אמריקאי, או לכדור רוגבי. דבר זה מעיד על כוח נוסף הפועל בין הפרוטון לניוטרון, אשר כיוון פעולתו איננו בהכרח בכיוון שבו נמצאים שני הנוקליאונים. בגלל תכונה זו, הדומה לכוח הפועל בין שני דיפולים מגנטים, נקרא כוח זה על ידי מדעני הפיזיקה הגרעינית בשם "המרכיב הטנזורי של הכוח הגרעיני".

ההסבר הראשון שניבדק בענין כוח זה קשור למומנט הדיפול המגנטי של הפרוטון והניוטרון. כזכור, הקווארקים טעונים במטענים חשמליים: קווארק u במטען 2/3 וקווארק d במטען 1/3-. קווארקים אלו נעים בתוך המרחב של הנוקליאון – הפרוטון או הניוטרון. גם תנועתם וגם הספין שלהם יוצרים מומנט מגנטי. ולכן, פועלים כתוצאה מכך גם כוחות של דיפולים מגנטיים בין הפרוטון לניוטרון. אולם מחישובים שנעשו, הסתבר שכוחות אלה חלשים הרבה יותר מהכוח הטנזורי, ואין הם יכולים להסביר את הדימיון של הדיוטרון לכדור רוגבי.

עד היום אין הסבר מוסכם למקורה של תופעה זו.

על פי המודל של קומאי, הקווארקים הינם מונופולים מגנטיים, כלומר, בעלי מטען מגנטי. לפי מודל זה קיימת דואליות בין השדה המגנטי לשדה החשמלי, ולמעשה, הקווארקים שהינם גם בעלי מטען של מונופול מגנטי וגם בעלי ספין, יוצרים מומנט דיפול חשמלי אקציאלי כאשר הם נעים בתוך המרחב של הנוקליאון.

כאן כבר מדובר בכוח חזק הרבה יותר. מטען המונופול המגנטי של הקווארקים הינו כאמור חזק בערך פי 100 מהמטען החשמלי של האלקטרון. לכן הכוח המופעל על ידי הדיפולים החשמליים האקציאלים של הפרוטון והניוטרון איננו מבוטל. היות וכל הקווארקים נושאים את אותם המונופולים המגנטים הרי שמומנט הדיפול החשמלי האקציאלי של הפרוטון והניוטרון דומים מאד. בנוסף לכך, סימנו של הכוח הטנזורי הגרעיני היא עובדה הידועה מהספרות של הפיזיקה הגרעינית והיא מבוססת על הדמיון שבין צורת הדיוטרון לצורתו של כדור רוגבי. ואכן מסתבר כי גם סימנו של הכוח הטנזורי הגרעיני מתלכד עם סימן הכוח שבין שני דיפולים אקציאלים שווים.

פיתוח התיאוריה הרגולרית של המונופולים המגנטים נשען על שיקולים שהם בלתי תלוים לחלוטין במבנה הגיאומטרי הספציפי של הדיוטרון. העובדה כי תיאוריה זו מסבירה גם את קיומו של הכוח הטנזורי הגרעיני וגם את סימנו מספקת ראיה נוספת לתקפותה ולשימוש שנעשה בה לשם הסברת הכוחות החזקים.

על המונופולים של דיראק
בשנות השישים של המאה הקודמת בדק שווינגר את האפשרות שהקווארקים הינם מונופולים מגנטיים. תכונותיו של המונופול כפי שבדק שווינגר, נוסחו במאמר של דיראק משנת 1931. מדידות הראו שהגבול העליון של מומנט הדיפול החשמלי של הניוטרון הוא מספר ממש אפסי. מאידך, אם הקווארקים נושאים מונופולים מגנטיים הרי שחייב להיות להם מומנט דיפול חשמלי גדול מאד. לכן, גם לניוטרון, אשר מצבו הקוואנטי בנוי מ-3 קווארקים, אמור להיות מומנט דיפול חשמלי גדול. עובדה זו מוטטה את הניסיון של שווינגר לתאר את הקווארקים כמונופולים.

לכאורה, אמורה עובדה נסיונית זו למוטט לחלוטין גם את המודל של קומאי.

אולם לא כך הדבר, משום שכפי שגילה קומאי, מונופול מגנטי איננו מפעיל באופן ישיר כוחות על מטען חשמלי. מסיבה זו גם הדיפול החשמלי האקציאלי הקשור למונופולים איננו מפעיל כוחות על מטענים חשמליים. מאחר שהנסיונות שנערכו על מנת למדוד את מומנט הדיפול החשמלי של הניוטרון מדדו את האינטראקציה שלו עם מטענים חשמליים, כלומר המדידה בדקה למעשה רק את הדיפול החשמלי הפולארי של הניוטרון. גודל זה אמור להיות אפס (או לפחות ממש אפסי) כפי שאכן התקבל מהמדידות. באופן זה מתלכד המודל של קומאי עם תוצאות ניסיוניות אלה.

מודעות פרסומת

פעולות

Information

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s




%d בלוגרים אהבו את זה: