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»
Комментарии (35)
atues
09.01.2026 09:19В незапамятные уже времена в библиотечке "Квант" была опубликована совершенно улетная книга "Природа магнетизма" (авторы Каганов и Цукерник). Книгу несколько раз переиздавали, но легко найти pdf. Как раз по теме статьи: магнитные монополи и все такое. Не скажу, что совсем уж элементарная, но вполне доступная. Помню, на меня она произвела сильное впечатление. Рекомендую
pavel_shabalin
09.01.2026 09:19Проблема существования магнитных монополей воде как давно решается заменой "электромагнитного" на электрическое поле. А все "магнитные" эффекты довольно просто описываются квантовой теорией поля, с учётом конечной скорости распространения взаимодействия.
Vytian
09.01.2026 09:19С нейтроном-то что они делают? Требуют всё новые гигамашины для "уточнения отсутствия" nEDM?
alcotel
09.01.2026 09:19Тоже интересно стало. Как я понял, считают, что нейтрон похож на протон внутри электрона. Снаружи отрицательный заряд, внутри - положительный. А при такой конструкции, раз спин есть, то и магнитный момент имеется.
alcotel
09.01.2026 09:19если где-либо во Вселенной существует хотя бы один магнитный монополь, то из этого следует, что электрический заряд должен квантоваться.
Но ведь не наоборот. Первое из второго-то не следует.
Mingun
09.01.2026 09:19Так это приведено в качестве того, что если монополь найдут, то это объяснит квантование электрического заряда, для которого сейчас объяснений нет. Поскольку мы видим, что электрический заряд квантуется, есть смысл поискать монополи.
vlados_s_s
09.01.2026 09:19Да, я тоже об этом задумался. Чисто логика: даже если из существования монополией следует квантование заряда, то не факт, что обратное верно. То есть хоть в природе заряд и квантуется (кстати, вообще-то существуют кварки с зарядом 1/3 и 2/3 от элементарного), то это не значит, что это квантование обязано быть именно из-за существования монополией. Но ничего больше конкретного сказать не могу, надо Ландау-Лифшица почитать, если там есть про это.
kuza2000
09.01.2026 09:19Мне кажется, что в такой статье стоило бы упомянуть тот факт, что по современным представлением магнитного поля не существует вообще)
Магнитное поле - это релятивистская поправка к закону кулона. Берём систему с электрическими зарядами, рассчитываем ее поведение с учётом эффектов СТО... И вуаля! Видим, что в ней из-за эффектов СТО волшебным образом появились силы, полностью совпадающие с теми, которые мы прописываем магнитному полю.
Gentoos00
09.01.2026 09:19Это можно сделать только в некоторых специальных случаях. А вот, например, магнитное поле постоянного магнита - никаким образом нельзя представить "релятивистской поправкой" к электрическому полю. Или, например, магнитное поле тока с проводом - тоже нельзя.
alcotel
09.01.2026 09:19Как раз наоборот. Замкнутые силовые линии не получается создать комбинацией монополей.
Gentoos00
09.01.2026 09:19Наоборот к чему?
alcotel
09.01.2026 09:19К "никаким образом нельзя" и "тоже нельзя".
Без теории относительности, например, магнитное поле провода с постоянным током создавало бы скин-эффект. А эффект только на переменном наблюдается.
Gentoos00
09.01.2026 09:19Хорошо, тогда продемонстрируйте, каким образом магнитное поле провода с постоянным током выводится только из электрического поля.
То, что релятивизм вносит поправки в величины полей - это понятно. Но в данном случае принципиально нельзя устранить одно поле и рассматривать только второе. Впрочем, в некоторых случаях - можно. Но только в некоторых случаях.
alcotel
09.01.2026 09:19принципиально нельзя устранить одно поле и рассматривать только второе
Точно. И их никто и не устранял. Их просто слили в одно электромагнитное. Потому что магнитные явления пока не удалось создать или измерить без электрического заряда. (Ну, пока этих монополей не нашли)))
Если на пальцах: с точки зрения (или - относительно) электрона А его товарищ Б в соседнем проводе двигается в электрическом поле А. Магнитной составляющей поля А в точке Б нету. Но силы Лоренца и Ампера в классическом пределе математики теории относительности не исчезли, поправки выходят не маленькие.
Я думаю, на такое объяснение намекал @kuza2000
Gentoos00
09.01.2026 09:19Их просто слили в одно электромагнитное.
Ну да, так и есть. Есть тензор электромагнитного поля, в который входят в качестве компонент отдельно электрическое, отдельно магнитное поля. И при преобразованиях между разными ИСО эти компоненты могут "переходить друг в друга".
Но в некоторых физических сетапах принципиально невозможно избавиться от магнитных компонент этого тензора НИКАКИМ выбором ИСО. Пример таких задач я привел.
Магнитной составляющей поля А в точке Б нету.
Именно от электрона А - нету. Но подумайте, означает ли это, что в точке Б в ИСО электрона А вообще нет магнитного поля?
alcotel
09.01.2026 09:19Всегда выбрать такую ИСО, да, нельзя. В ЭМ-волне - так уж точно. Но речь-то началась не про выбор ИСО.
А про то, что действие закона Кулона и введение понятия "магнитное поле" с силой Лоренца в СТО эквивалентны. Второе выводится математически, как следствие первого. Значит, и поле магнита и провода - тоже следствия.
Gentoos00
09.01.2026 09:19Всегда выбрать такую ИСО, да, нельзя. В ЭМ-волне - так уж точно.
Да, ЭМ волна - это еще один пример, опровергающий изначальное заявление.
действие закона Кулона и введение понятия "магнитное поле" с силой Лоренца в СТО эквивалентны
Эквивалентны в некоторой специально выбранной ИСО. Более того, в одном и том же магнитном поле для разных частиц эта ИСО будет разной. В частности, в случае провода с постоянным током, никаким выбором ИСО нельзя свести магнитное поле провода к закону Кулона.
Вдоль траектории движения - есть rot(B), но поле нулевое получается.
Какого движения? Вы же сами сказали, что задача рассматривается в ИСО электрона А. В ней электрон Б неподвижен. И электрон А, разумеется, тоже неподвижен. Так вопрос: есть ли в этой ИСО магнитное поле от провода А в точке нахождения электрона Б?
kuza2000
09.01.2026 09:19Я думаю, на такое объяснение намекал @kuza2000
Не совсем. Вот эта статья достаточно хорошо раскрывает то, что я имею ввиду (можно как pdf скачать) https://cyberleninka.ru/article/n/mozhno-li-schitat-magnitnoe-pole-relyativistskim-effektom/viewer
kuza2000
09.01.2026 09:19Во всех. Все магнитные взаимодействия выводятся "на кончике пера" из электрических + СТО. Примерно так же, как была выведена СТО из экспериментальных данных по электромагнитным взаимодействиям (постоянство скорости света, не зависящее от СО и др.).
Gentoos00
09.01.2026 09:19Нет. Еще раз: магнитное поле проводника с постоянным током никаким образом нельзя свести к чисто электрическому полю. Не знаю, кто вам сказал эту чушь, но вас жестоко обманули. Чтобы убедиться в этом - попробуйте сами проделать то, о чем говорите.
kuza2000
09.01.2026 09:19Об этом мне говорит закон кулона, СТО, квантовая механика и другие вещи, на котором основано современное представление о мире.
Или приверженец "альтернативных" теорий? :)
Насчет постоянного магнита, начать можно с этого https://ru.wikipedia.org/wiki/Оператор_углового_момента
Gentoos00
09.01.2026 09:19Оператор углового момента тут вообще никаким боком. Вы же утверждаете, что магнитное поле в классической электродинамике можно полностью свести к электрическому, верно вас понял?
Если да, то вот и продемонстрируйте, каким образом. Без общих фраз про СТО и закон Кулона, а ссылкой на конкретные расчеты, на основе которых вы сделали такой вывод.
P.S. Это я не говорю уже о совершенно бредовом заявлении:
по современным представлением магнитного поля не существует
но это пока замнем для ясности:)
kuza2000
09.01.2026 09:19Если кто-то будет сомневаться, например, в туннельном эффекте квантовой механики, и попросит "конкретные расчеты" на основании которого вы сделали "бредовое заявление", как бы вы реагировали?)
Теория, которая последовательно выводит магнитное поле из закона Кулона и СТО является частью стандартного курса электродинамики.
Ладно, дискуссию завязываю. Кому интересно, тот раскопает. С другими спорить не буду, земля на трех китах, если чо, я согласен)
PS: В лекциях Фейнмана тоже кое-что интересное на эту тему есть, том 5.
Gentoos00
09.01.2026 09:19А в чем проблема предоставить расчеты тунельного эффекта? Ну ладно, не суть.
Теория, которая последовательно выводит магнитное поле из закона Кулона и СТО является частью стандартного курса электродинамики.
Неверно. И если бы вы хоть раз открывали любой учебник по электродинамике - вы бы это знали.
В лекциях Фейнмана тоже кое-что интересное на эту тему есть, том 5.
Ничего подобного тому, что заявлено вами - там нет. Там есть то, что я сказал: в некоторых случаях подходящим выбором системы отсчета можно устранить магнитное поле и рассматривать только электрическое. Но не во всех и не всегда.
Daddy_Cool
09.01.2026 09:19Забирайте.
http://vernadsky.tstu.ru/pdf/2011/02/27.pdf
И по ссылкам можно поискать. Так-то в Детлафе Яворском всё написано, только там кратко очень.Gentoos00
09.01.2026 09:19Это к чему? Напоминаю контекст беседы: kuza2000 заявил, что
Во всех
электродинамических задачах магнитное поле можно заменить на электрическое с учетом релятивистских поправок. Я попросил его продемонстрировать это на примере проводника с током. Чего он сделать не смог (и вполне ожидаемо, потому что это невозможно).
А та задача, которую вы привели по ссылке - ну да, это одна из тех немногих, для которых это возможно. Я так сразу и написал:
Это [сведение магнитного поля к электрическому] можно сделать только в некоторых специальных случаях.
Daddy_Cool
09.01.2026 09:19Так а что именно вы хотите увидеть? С тем что движущаяся заряженная частица это элемент тока согласны?
Вы хотите рассмотреть не пару частиц, а весь электронный газ в проводнике?
Gentoos00
09.01.2026 09:19Вы хотите рассмотреть не пару частиц, а весь электронный газ в проводнике?
Подсказываю: в проводнике есть не только электроны.
kuza2000
09.01.2026 09:19Если бы мы смогли найти такую частицу, это не просто добавило бы новую запись в зоопарк частиц
Эта частица давно уже в стандартной модели) Называется фотон.
Daddy_Cool
09.01.2026 09:19Я что-то не пойму. Как выше написал @kuza2000, магнитное поле это следствие закона Кулона и теории относительности. Еще закон сохранения заряда нужен. Вся классическая электродинамика прекрасно согласована. Если магнитный монополь будет найдет - это что - отменит СТО? LOL. Или у нас будут рассказывать про "дирако-кулоновский дуализм"? Как про корпускулярно-волновой? Дуализм это хорошо для практики, выбираем наиболее удобную модель, но материалистически - есть объективная реальность. И либо у нас пространство гнется и время замедляется, либо монополи летают. И то и то, конечно возможно - но тогда будьте добры объясните - когда какой эффект работает.
EskakDolar
Искать бесполезно, антимонопольный комитет не позволит
Vsevo10d
– А мой дед в Кембридже видел магнитный монополь!
– Дирак твой дед!