خلاء تک‌قطبی مغناطیسی، درک ما را از جهان هستی دچار مشکل می‌کند

 احتمالا با بوزون هیگز آشنا هستید. بر اساس پیش‌بینی‌ها، این ذره‌‌ی گریزان برای مدت‌های طولانی وجود داشته و در توضیح چگونگی کارکرد جهان هستی نقشی کلیدی داشته است، اما شناسایی آن چندین دهه طول کشید.

اما ذره‌ی گریزان دیگری نیز وجود دارد که توسط فیزیک کوانتومی پیش‌بینی شده است و در حال حاضر ناپیدا است. در حقیقت، ما تا کنون قادر به شناسایی آن نشده‌ایم. این ذره، تک‌قطبی مغناطیسی نام داشته و از چند ویژگی منحصر به فرد بهره می‌برد.

احتمالا کسانی که به فیزیک علاقه دارند، با تک‌قطبی‌های الکتریکی آشنایی دارند، البته معمولا از آنها با نام بار الکتریکی یاد می‌شود. بارهای الکتریکی ناهمنام همدیگر را جذب و بارهای الکتریکی همنام همدیگر را دفع می‌کنند. این پدیده از طریق برهم‌کنش میدان‌های الکتریکی رخ می‌دهد، این میدان‌ها به صورت حرکت از مثبت به منفی تعریف می‌شوند. این‌ عناوین تا اندازه‌ای به صورت اختیاری به دو بار الکتریکی ناهمنام نسبت داده می‌شود.

تک‌قطبی‌های الکتریکی به شکل ذراتی با بارهای الکتریکی مثبت یا منفی مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها وجود دارند. با این حال قیاس یاد شده در جهت یافتن همتای بارهای الکتریکی در میدان‌های مغناطیسی، کارا نیست. اگر چه ما می‌توانیم تک‌قطبی‌های الکتریکی را به شکل ذرات باردار بیابیم، اما تا کنون تک‌قطبی‌های مغناطیسی مشاهده نشده‌اند.

در عوض، آهن‌رباها تنها به شکل دوقطبی و با دو انتهای شمال و جنوب وجود دارند. وقتی که یک آهن‌ربای مستطیلی شکل را به دو قسمت تقسیم می‌کنید، یک بخش شمال و یک بخش جنوب جداگانه به دست نخواهید آورد و آنچه به دست می‌آید دو آهن‌ربای کوچک‌تر و به همراه دو انتهای شمال و جنوب خواهد بود.

حتی اگر هر کدام از آهن‌رباهای کوچک‌تر را مجددا به دو بخش تقسیم کنید، باز هم آنچه به دست می‌آید، دوقطبی مغناطیسی خواهد بود. هنگامی که به خواص مغناطیسی دنیا نگاه می‌کنیم، آنچه می‌بینیم کاملا سازگار به معادلات مکسول است. این معادلات یکپارچگی میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را در الکترومغناطیس کلاسیک بیان می‌کند.

معادلات یاد شده در ابتدا توسط جیمز مکسول در سال‌های ۱۸۶۱ و ۱۸۶۲ منتشر شده‌اند و از آن زمان تا کنون در کلیه‌ی سطوح مهندسی، مخابرات و کاربردهای پزشکی به کار می‌روند. اما یکی از این معادلات (قانون گوس برای مغناطیس) بیان می‌کند که تک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود ندارند.

مغناطیسی را که ما به صورت روزمره شاهد آن هستیم، می‌توان به حرکت بارهای الکتریکی نسبت داد. وقتی که یک ذر‌ه‌ی باردار الکتریکی در راستای یک مسیر حرکت می‌کند، مانند حرکت الکترون در داخل یک سیم، این پدیده یک جریان الکتریکی نام دارد. این جریان منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی می‌شود که در حول جهت جریان می‌پیچد.

دومین عامل ایجاد مغناطیس، کمیتی از مکانیک کوانتومی است که اسپین نام دارد. این پدیده را می‌توان بر مبنای ذرات باردار الکتریکی متصور شد که به جای حرکت در یک مسیر، حول یک محور می‌چرخند.

این چرخش یک مومنتوم زاویه‌ای را در ذره ایجاد می‌کند و باعث می‌شود تا الکترون مانند یک دوقطبی مغناطیسی رفتار کند. این به مفهوم آن است که ما می‌توانیم پدیده‌ی مغناطیس را بدون نیاز به تک‌قطبی‌های مغناطیسی، توصیف کنیم.

اما صرفا به خاطر اینکه نظریه‌های کلاسیک الکترومغناطیس با مشاهدات ما سازگاری دارند، نمی‌توان نتیجه گرفت که تک‌قطبی‌های مغناطیس وجود ندارند. در عوض، این به مفهوم آن است که تنها در جاهایی که مشاهده کرده‌ایم، تک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود نداشته است. به محض آنکه در نقاط تیره و تار نظریه، به کاوش می‌پردازیم، به حقایق وسوسه‌انگیزی در خصوص چرایی وجود آنها در جهان هستی پی خواهیم برد.

در سال ۱۸۹۴، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، پیر کوری در خصوص احتمال وجود چنین ذر‌ه‌ی کشف‌نشده‌ای به مطالعه پرداخت و دلیلی را برای کم بودن احتمال وجود آن نیافت. بعدها در سال ۱۹۳۱، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، پل دیراک نشان داد، هنگامی که معادلات مکسول جهت در برگرفتن تک‌قطبی‌های مغناطیسی بسط داده می‌شوند، بارهای الکتریکی تنها می‌توانند مقادیر گسسته داشته باشند.

«کوانتیده شدن» بارهای الکتریکی یکی از ملزومات مکانیک کوانتومی است. بنابراین پژوهش دیراک نشان می‌دهد که الکترومغناطیس کلاسیک و الکترودینامیک کوانتومی از این لحاظ، نظریه‌های سازگاری به شمار می‌روند.

در نهایت فیزیک‌دانانی هستند که می‌توانند در برابر زیبایی تقارن در طبیعت قادر به مقاومت هستند و از آنجایی که وجود تک‌قطبی‌های مغناطیسی می‌تواند به مفهوم ثنویت بین الکتریسیته و مغناطیس باشد، از این رو نظریه‌ای که تک‌قطبی‌های مغناطیسی را پیشنهاد می‌دهد، مقبول واقع نشده است. دوگانگی در مفاهیم فیزیکی هنگامی پیش می‌آید که دو نظریه‌ی متفاوت به گونه‌ای مرتبط شوند که یک سیستم متناظر با دیگری باشد.

اگر چنین بود و نیروی الکتریکی کاملا متناظر با نیروی نیروی مغناطیسی باشد، بنابراین احتمالا نیروهای دیگری نیز با هم متناظر بودند. شاید در این صورت راهی برای مرتبط کردن نیروی هسته‌ای قوی با نیروی هسته‌ای ضعیف وجود داشت و به این ترتیب راهی برای یکپارچه‌سازی تمام نیروهای فیزیکی وجود داشت. یقینا تنها به دلیل آنکه یک فرضیه، تقارن جذابی دارد، نمی‌توان رای به صحت آن داد.

دانشمندان به مشاهده‌ی تک‌قطبی‌های مغناطیسی از طریق تولید ساختارهای تک‌قطبی‌-مانندی در آزمایشگاه‌ها با استفاده از طبقه‌بندی پیچیده‌ی میدان‌های مغناطیسی در چگالش‌های بوز - اینشتین و ابرشاره‌ها نزدیک شده‌اند.

اگرچه نتایج چنین آزمایش‌هایی نشان می‌دهد که تک‌قطبی‌های مغناطیسی از لحاظ فیزیکی غیر ممکن نیستند، اما این نتایج با شناسایی چنین ذره‌ای در طبیعت یکسان نیستند. آزمایشات فیزیک‌دانان، گهگاه منجر به شناسایی ذراتی شده است که می‌توانستند گزینه‌ی احتمالی تک‌قطبی مغناطیسی باشند، اما تا کنون هیچ‌کدام از این اکتشافات ابطال‌‌ناپذیر یا قابل بازتولید نبوده‌اند.

سیستم شناساگر ذرات تک‌قطبی و خارق‌العاده (MoEDAL) در برخورد‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ تا کنون قادر به شناسایی هیچ ذره‌ی تک‌قطبی نبوده است. به عنوان یک نتیجه، دانشمندان فعال در زمینه‌ی تک‌قطبی‌های مغناطیسی توجهات خود را بر روی توضیح دلیل اینکه چرا تاکنون هیچ ذره‌ی تک‌قطبی مغناطیسی شناسایی نشده است، متمرکز کرده‌اند.

چنانچه نسل کنونی شتاب‌دهنده‌های ذرات قادر به شناسایی تک‌قطبی‌های مغناطیسی نباشند، این موضوع احتمالا به مفهوم آن است که جرم یک تک‌قطبی بیشتر از مقداری است که در حال حاضر قادر به ایجاد آن هستیم.

به صورت نظری می‌توانیم حداکثر جرم ممکن برای تک‌قطبی مغناطیسی را تخمین بزنیم. بر اساس آنچه که تاکنون از ساختار جهان هستی می‌دانیم، احتمالا حداکثر جرم یک تک‌قطبی می‌تواند ۱۰ به توان ۱۴ ترا‌الکترون‌ولت باشد.

جسمی با این جرم عظیم تنها ممکن است در مراحل اولیه‌ی پیدایش جهان پس از مه‌بانگ و قبل از تورم کیهانی تولید شده باشد. چنانچه دمای جهان به اندازه‌ای پایین آمده باشد که ایجاد شدن تک‌قطبی قبل از انبساط، از لحاظ سطح انرژی امکان‌پذیر نیست، احتمالا تک‌قطبی‌ها در جایی از جهان وجود دارد.