До сих пор помню, какое впечатление в детстве произвели на меня магниты. Они вели себя почти как живые — выпрыгивали из пальцев, сцеплялись друг с другом, резко прилипали к оказавшемуся поблизости металлическому предмету. Честно говоря, у меня до сих пор рядом с рабочим местом есть стопочка магнитов, висящая на металлической части оконной рамы. Они пригождаются во всяких поделках, но, возможно, их магия для меня просто ещё потеряна не до конца.

Ну а уж если вы в детстве видели, как делят магнит, или сами пытались распилить магнит в виде брусочка пополам, надеясь, что на этот раз всё получится — что один фрагмент будет взаимодействовать только с северным полюсом, а другой — только с южным... Вряд ли вы это забудете. Как и то, что каждый раз природа нам отказывает в таком удовольствии. Каждый новый фрагмент просто становится уменьшенной копией изначального магнита, с собственными северным и южным полюсами. Сколько бы раз вы ни повторяли эксперимент, магнетизм брусочка отказывается упрощаться.

Эта симметрия остаётся настолько упрямой, что проникла в фундаментальные уравнения физики. В теории Максвелла электрические заряды существуют как истоки и стоки электрических полей (поле как бы вытекает из одного места и втекает в другое), но магнитные поля всегда образуют замкнутые контуры. Без начала. Без конца. Без одиночных магнитных зарядов.

И всё же на протяжении уже почти столетия физиков преследует мысль, что эта аккуратная картина может быть неполной. Что где-то — возможно, погребённый в ранней Вселенной, возможно, дрейфующий по космосу прямо сейчас — может существовать магнитный монополь: частица, несущая чистый, одиночный магнитный заряд.

Если бы мы смогли найти такую частицу, это не просто добавило бы новую запись в зоопарк частиц (Стандартную модель). Это перестроило бы некоторые из самых глубоких связей между квантовой теорией, космологией и крупномасштабной структурой Вселенной.

Элегантность запрещённого объекта

Современная история начинается в 1931 году с Поля Дирака, который любил размышлять о квантовой механике и электромагнетизме, и в процессе заметил нечто странное. Электрический заряд дискретен: все электроны имеют одинаковый заряд, как и протоны. Классическая физика не даёт объяснения этому явлению — величина заряда могла бы меняться непрерывно. Квантовая механика принимает это просто как факт, как данность.

Так вот, Дирак показал, что если где-либо во Вселенной существует хотя бы один магнитный монополь, то из этого следует, что электрический заряд должен квантоваться. Не приблизительно, а точно.

Это неожиданное утверждение вытекало из требования математической согласованности квантовой волновой функции. Одним махом монополи превратились из мысленного курьёза в средства для объяснения физического явления: они могли объяснить, почему заряд квантуется, чтобы нам не приходилось принимать это просто как данность.

Сам Дирак подходил к этому вопросу с осторожностью. Его монополь сопровождался странным математическим артефактом — «струной», несущей невидимый магнитный поток. Струну нельзя было наблюдать, но она могла быть просто математической абстракцией, удобным инструментом, техническим моментом теории, а не реальным физическим объектом. И всё же, идея оказалась слишком красивой, чтобы её проигнорировать.

Квантование Дирака

Представьте, что вы идёте вокруг горы с компасом в руках. Пока вы идёте по кругу, стрелка компаса может поворачиваться, но когда вы вернётесь в исходную точку, она должна указывать точно в том же направлении, что и раньше. В противном случае компас был бы несогласованным: в одном месте давал бы два разных показания.

В квантовой механике частицы обладают аналогичным «направлением» — фазой своей волновой функции. Когда заряженная частица движется вокруг магнитного монополя, её фаза смещается. Дирак показал, что итоговое вращение после полного цикла должно содержать целое число полных оборотов, иначе волновая функция будет противоречить сама себе.

Это требование вынуждает установить точную взаимосвязь между электрическим зарядом и магнитным зарядом. Электрический заряд может принимать только дискретные значения, потому что в противном случае фаза не сможет плавно замкнуться, как стрелка компаса после обхода горы.

Короче говоря: квантованный заряд — это цена, которую квантовая механика платит за то, чтобы терпеть наличие монополя.

От математического трюка к неизбежному пережитку

На протяжении десятилетий монополи оставались элегантными, но чисто спекулятивными теоретическими объектами. Затем, в 1970-х годах, что-то изменилось.

Когда физики начали строить неабелевы калибровочные теории — математическую основу Стандартной модели и её расширений — они обнаружили, что монополи могут возникать не как единичные артефакты, а как плавные, стабильные решения уравнений поля. В 1974 году Герард Хофт и Александр Поляков независимо друг от друга показали, что определённые унифицированные теории автоматически производят монополи при нарушении симметрии.

Это уже были не какие-то там призрачные объекты с привязанными к ним струнами. Это были топологические солитоны: узлы в полях, которые невозможно развязать, не разрушив лежащую в основе структуру. Их существование зависело не от мелких деталей, а от общей геометрии.

Это открытие привело к появлению монополей в космологии. Если фундаментальные силы природы при очень высоких энергиях были объединены воедино, как предполагают теории Великого объединения (ТВО), то ранняя Вселенная, охлаждаясь, должна была пройти через фазовые переходы. А фазовые переходы, когда они происходят в быстро расширяющемся космосе, носят хаотичный характер.

Разные области выбирают разные «направления» в пространстве симметрии. Там, где эти области сталкиваются, образуются дефекты. Космические струны. Доменные стенки. И, неизбежно, монополи.

Вселенная, которая должна была утонуть в монополях

Здесь история совершила резкий и неожиданный поворот.

Простые расчёты показали, что общие фазовые переходы в ТВО привели бы к образованию огромного количества монополей, каждый из которых был бы фантастически массивным и чрезвычайно стабильным. Если бы их ничто не ограничивало, они быстро стали бы доминировать в энергетической плотности Вселенной. Звёзды, галактики и даже обычная материя стали бы второстепенными игроками в космосе, движимом в первую очередь монополями.

Но наша Вселенная не такая.

Это несоответствие стало известно как «проблема монополей»: теории, которые в остальном выглядели элегантными и многообещающими, предсказывали Вселенную, совершенно не похожую на ту, которую мы наблюдаем.

Но вместо того чтобы похоронить эти теории, проблема помогла родиться новой идее.

Инфляция скрывает доказательства

Космическая инфляция предполагает, что в самом начале Вселенная пережила короткий период безудержного расширения. Само пространство растягивалось быстрее света — не нарушая теории относительности, потому что ничто не двигалось через пространство быстрее света; расширялось именно пространство.

Теория инфляции имеет много достоинств: она объясняет, почему Вселенная выглядит такой гладкой и плоской в больших масштабах. Но она также делает и кое-что ещё, причём почти случайно. Она равномерно и далеко разбрасывает по космосу реликвии, оставшиеся после бурной молодости Вселенной.

Если монополи появились до или во время инфляции, их раскидало бы так, что средняя их плотность была бы почти нулевой. Вселенная, которая когда-то была полна монополей, в конечном итоге могла бы их практически лишиться в пределах нашего наблюдаемого горизонта.

Это переформулировало вопрос о монополях. Вместо «почему монополей не существует?» вопрос стал звучать так: «насколько редкими их сделала инфляция?»

Поиск иголки в космическом стоге сена

Физики не прекращают поиски.

На Большом адронном коллайдере эксперименты ATLAS и MoEDAL ищут в том числе монополи, образовавшиеся в результате высокоэнергетических столкновений. Они бы безошибочно распознали магнитный монополь: его магнитный заряд вызвал бы экстремальную ионизацию, оставляя на детекторе сигналы, не похожие на сигналы от обычных частиц. Пока что ни один монополь не был обнаружен, но поиски постоянно расширяют на всё более обширные области.

Другие детекторы смотрят не внутрь себя, а наружу. Если монополи существуют как реликвии ранней Вселенной, некоторые из них могут дрейфовать в космосе, присутствуя там как часть космической радиации. Подземные эксперименты, старые детекторные массивы, такие как MACRO, и современные обсерватории, такие как IceCube в Антарктиде, ищут светящиеся следы, которые такая частица оставила бы при прохождении через Землю.

Существуют также более мягкие, косвенные ограничения на существование монополей. Галактические магнитные поля существуют и сохраняются в течение миллиардов лет. Слишком большое количество монополей, если бы они были, истощило бы их энергию, как трение замедляет движение объектов. Тот факт, что эти поля сохраняются, накладывает серьёзные ограничения на максимальное количество монополей.

Природа, похоже, либо очень хорошо скрыла монополи, либо решила их вообще не создавать.

Почти монополи, но не совсем

Есть одно место, где монополи в некотором смысле «существуют»: внутри определённых экзотических материалов, известных как спиновые льды. В этих кристаллах коллективные возбуждения ведут себя точно так же, как свободные северные или южные магнитные заряды, с эффективными силовыми линиями и измеримыми силами.

Эти квазичастицы не являются фундаментальными — они не могут выйти за пределы материала — но они предлагают интригующее доказательство работоспособности принципа. Магнетизм не запрещает монополей полностью. При правильных условиях эта идея работает.

В результате видимое отсутствие фундаментальных монополей воспринимается не как доказательство их невозможности, а скорее как космическое ограничение на их количество.

Вопрос без ответа, который, тем не менее, приносит пользу

Магнитные монополи занимают редкое место в физике. Они гипотетичны, но довольно конкретны. Неуловимы, но неплохо обоснованы. Их существование пролило бы свет на квантование заряда, подтвердило бы аспекты унификации и предоставило бы прямой след из самых ранних моментов Вселенной.

Их отсутствие также является информативным. Оно говорит нам об инфляции, о нарушении симметрии, о том, как Вселенная развивалась на самом деле.

Однажды какой-нибудь детектор зарегистрирует сигнал настолько странный, настолько безошибочный, что не останется никаких сомнений. След, слишком сильно ионизирующий, чтобы его можно было игнорировать. Частица, несущая магнитный заряд.

А если этот день никогда не наступит, монополи останутся тем, чем они уже являются: напоминанием о том, что в физике даже то, чего мы не видим, может определять ход наших рассуждений и действий.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»