Во Честичната физика, магнетен монопол е хипотетичка елементарна честичка која е изолиран магнет со само еден магнетен пол (Северен Пол без Јужен Пол и обратно). Магнетниот монопол ќе има нето "магнетно полнење". Современиот интерес за концептот произлегува од теориите на честички, особено големите унифицирани и суперструјни теории, кои го предвидуваат нивното постоење.Wen, Xiao-Gang; Witten, Edward, Electric and magnetic charges in superstring models, Nuclear Physics B, Volume 261, p. 651–677S. Coleman, The Magnetic Monopole 50 years Later, reprinted in Aspects of Symmetry
Магнетизмот во бар магнети и електромагнети не е предизвикан од магнетни монополи, и навистина, не постојат познати експериментални или опсервациски докази дека постојат магнетни монополи.
Некои системи со кондензирана материја содржат ефективни (неизолирани) магнетни монополни квазичестички, или содржат феномени кои се математички аналогни на магнетните монополи.
Историско потекло Пред дваесеттиот век Многу рани научници го припишуваат магнетизмот на лодестоните на две различни "магнетни флуиди" ("effluvia"), течност со Северен Пол на едниот крај и течност со југ пол на другиот, што привлече и се одбиваше едни со други по аналогија на позитивниот и негативниот електричен набој. Сепак, подобреното разбирање на електромагнетизмот во XIX век покажа дека магнетизмот на ловестоните е правилно објаснет не со магнетни монополни течности, туку со комбинација на електрични струи, електронскиот магнетен момент и магнетните моменти на другите честички. Законот на Гаус за магнетизам, една од Максвеловите равенки, е математичката изјава дека магнетните монополи не постојат. Сепак, Пјер Кири во 1894Pierre Curie, Sur la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre (On the possible existence of magnetic conductivity and free magnetism), Séances de la Société Française de Physique (Paris), p76 (1894). Free access online copy. година истакна дека може да постојат и магнетни монополи, и покрај тоа што досега не биле видени.
Дваесетти век Квантната теорија за магнетно полнење започна со хартија од страна на физичарот Пол АМ Дирак во 1931 година.Paul Dirac, "Quantised Singularities in the Electromagnetic Field". Proc. Roy. Soc. (London) A 133, 60 (1931). Journal Site, Free Access . Во овој труд, Дирак покажа дека ако има какви било магнетни монополи во универзумот, тогаш сите електрични набори во универзумот мора да се квантизираат (условот на Дирак-квантизацијата).Lecture notes by Robert Littlejohn , University of California, Berkeley, 2007–8 Електричното полнење е всушност квантизирано, што е во согласност со (но не докажува) постоење на монополи.
Од весникот на Дирак, се направени неколку систематски пребарувања за монополи. Експериментите во 1975 и 1982 година произведоа настани за кандидати кои првично беа толкувани како монополи, но сега се сметаат за неубедливи.Milton p.60 Затоа, останува отворено прашањето дали постојат монополи. Понатамошните напредоци во теоријата на физиката на честички, особено случувањата во големите унифицирани теории и квантната гравитација, доведоа до пореални аргументи (детално подолу) кои постојат монополи. Џозеф Полчински, теоретичар на стринг, го опиша постоењето на монополи како "еден од најбезбедните облози што може да ги направи за физиката што сè уште не се видени". Овие теории не се секогаш во согласност со експерименталните докази. Во некои теоретски модели, веројатно нема да се забележат магнетни монополи, бидејќи тие се премногу масивни за да создадат во акцелераторите на честички, а исто така премногу ретки во Универзумот за да влезат во детектор со честички со голема веројатност.
Некои системи за кондензирана материја предлагаат структура површно слична на магнетниот монопол, познат како цевка на флукс. Краевите на флуксната цевка формираат магнетни диполи, но бидејќи тие се движат независно, тие можат да се третираат за многу цели како независни квазичастици на магнетен монопол. Од 2009 година, голем број новински извештаи од популарните медиуми неправилно ги опишаа овие системи како долгоочекуваното откривање на магнетните монополи, но двата феномени се поврзуваат само еден со друг.Magnetic monopoles spotted in spin ices, September 3, 2009. "Oleg Tchernyshyov at Johns Hopkins University [a researcher in this field] cautions that the theory and experiments are specific to spin ices, and are not likely to shed light on magnetic monopoles as predicted by Dirac." "This is not the first time that physicists have created monopole analogues. In 2009, physicists observed magnetic monopoles in a crystalline material called spin ice, which, when cooled to near-absolute zero, seems to fill with atom-sized, classical monopoles. These are magnetic in a true sense, but cannot be studied individually. Similar analogues have also been seen in other materials, such as in superfluid helium.... Steven Bramwell, a physicist at University College London who pioneered work on monopoles in spin ices, says that the [2014 experiment led by David Hall] is impressive, but that what it observed is not a Dirac monopole in the way many people might understand it. "There’s a mathematical analogy here, a neat and beautiful one. But they’re not magnetic monopoles." Овие системи со кондензирана материја остануваат област на активно истражување.
Полови и магнетизмот во обична материја
Сите материи кои се изолирани до денес, вклучувајќи го секој атом на периодниот систем и секоја честичка во стандардниот модел, немаат магнетен монополски полнеж. Затоа, обичните феномени на магнетизам и магнети немаат никаква врска со магнетните монополи.
Наместо тоа, магнетизмот во обичната материја доаѓа од два извори. Прво, електричните струи создаваат магнетни полиња според законот на Ампере. Второ, многу елементарни честички имаат вроден магнетен момент, од кои најважен е електронскиот магнетен диполен момент. (Овој магнетизам е поврзан со квантно-механички "спин").
Математички, магнетното поле на објектот често се опишува во смисла на мултиполна експанзија. Ова е израз на полето како збир на полиња на компоненти со специфични математички форми. Првиот термин во експанзијата се нарекува монополски поим, вториот се нарекува диполен, потоа квадрупол, потоа октупол и така натаму. Секој од овие термини може да биде присутен во мултиполното проширување на електричното поле, на пример. Меѓутоа, во мултиполното проширување на магнетното поле, терминот "монопол" е секогаш точно нула (за обична материја). Магнетниот монопол, ако постои, би имал дефинирачко својство за производство на магнетно поле чиј монополски поим е не-нула.
Магнетниот дипол е нешто чие магнетно поле е предоминантно или точно опишано од магнетниот диполен термин на мултиполната експанзија. Терминот дипол значи два столба, што одговара на фактот дека диполниот магнет обично содржи Северен Пол од едната страна и Јужниот Пол од другата страна. Ова е аналогно на електричен дипол, кој има позитивен полнеж од една страна и негативен полнеж од друга страна. Сепак, електричниот дипол и магнетниот дипол се фундаментално сосема различни. Во електричен дипол од обична материја, позитивниот полнеж е изработен од протони, а негативното полнење е направено од електрони, но магнетниот дипол нема различни типови материи создавајќи го Северниот Пол и Јужниот Пол. Наместо тоа, двата магнетни столбови се појавуваат истовремено од збирниот ефект на сите струи и внатрешни моменти низ магнетот. Поради ова, двата пола на магнетниот дипол мора секогаш да имаат еднаква и спротивна сила, а двата пола не можат да се одделат едни од други.
Макселови равенки
Максвеловите равенки на електромагнетизмот ги поврзуваат електричните и магнетните полиња едни со други и со движењата на електричните полнежи. Стандардните равенки обезбедуваат електрични полнежи, но не поставуваат магнетни полнења. Освен за оваа разлика, равенките се симетрични под размена на електрични и магнетни полиња. Всушност, симетричните равенки на Максвел можат да бидат напишани кога сите полнења (а со тоа и електричните струи) се нула, и вака произлегува равенката на електромагнетниот бран.
Целосно симетрични равенките на Максвел, исто така, може да се напишат ако се дозволи можноста за "магнетни полнежи" аналогни на електричните полнежи. Со вклучувањето на променливата за густината на овие магнетни полнења, велат ρm, постои и променлива "густина на магнетна струја" во равенките, jm.
Ако магнетните полнежи не постојат - или ако тие постојат, но не се присутни во простор на вселената - тогаш новите термини во Максвеловите равенки се нула, а проширените равенки се сведуваат на конвенционалните равенки на електромагнетизмот како што е ∇⋅B = 0 (каде што ∇⋅ е дивергенција и B е магнетното поле B).
Во Гаусиан cgs едници Проширените равенки на Максвел се следните,во Гаусиан cgs едници:
+Максвеловите равенки и равенката на силата на Лоренц со магнетни монополи: единици на Гаусиан cgs Име Без магнетни монополи Со магнетни монополи Гаусов закон Гаусов закон за магнетизам Фарадеев закон за индукција Амперов закон (со продолжување на Максвел) Лоренцова сила law
Во овие равенки ρm е густината на магнетниот полнеж, jm е густината на магнетната струја, а qm е магнетниот полнеж на тест честичка, сите дефинирани аналогно на соодветните количини на електричен полнеж и струја; v е брзината на честичката и c е брзината на светлината. За сите други дефиниции и детали, видете ги Максвеловите равенки. За равенките во недимензионална форма, отстранете ги факторите на c.
Во SI едници
Во единиците на SI, постојат две спротивставени единици кои се користат за магнетно полнење qm: мрежи (Wb) и ампериметри (Аm). Претворањето помеѓу нив е qm (Wb) = μ0qm (A · m), бидејќи единиците се 1 Wb = 1 H · A = (1 H · m-1) · (1 A · m) со димензионална анализа (H е Хенри - SI единица на индуктивност).
Максвеловите равенки потоа ги земаат следните форми (користејќи ја истата нотација погоре):For the convention where magnetic charge has units of webers, see Jackson 1999. In particular, for Maxwell's equations, see section 6.11, equation (6.150), page 273, and for the Lorentz force law, see page 290, exercise 6.17(a). For the convention where magnetic charge has units of ampere-meters, see (for example) arXiv:physics/0508099v1, eqn (4). + Максвеловите равенки и равенката на силата на Лоренц со магнетни монополи: SI единици Име Без магнетни монополи Со магнетни монополи Вебер конвенција Ампер-метарска конвенција Гаусовиот закон Гаусовиот закон за магнетизам Фарадеев закон за индукција Амперов закон (со проширување на Максвел) Лоренцова сила на равенката
Тензорска формулација
Максвеловите равенки на јазикот на тензор ја прави Лоренц коваријансата јасна.Генерализираните равенки се:
Максвел равенки Гаусови единици SI единици (Wb) SI единици (A⋅m) Фарадеј-Гаус закон Ампер-Гаус закон Лоренц сила закон
каде е електромагнетен тензор, е двојниот електромагнетен тензор, за честичка со електричен полнеж и магнетен полнеж ; е четири брзина и четири импулси, за електрична и магнетна дистрибуција на полнеж; е електричен четири струи и магнетна четири-струја.
За честичка која има само електричен полнеж, може да се изрази своето поле со помош на четири потенцијали, според стандардната ковариантна формулација на класичниот електромагнетизам:
Сепак, оваа формула е несоодветна за честичка која има и електричен и магнетен полнеж, и ние мора да додадеме термин кој вклучува друг потенцијален P.
Оваа формула за полињата често се нарекува Кабиббо-Ферари, иако Шанмугадасан го предложи тоа порано. Количината εαβγδ е симбол на Леви-Чивита, а индексите (како и обично) се однесуваат според конвенцијата за збир на Ајнштајн.
Двојна трансформација Генерализираните равенки на Максвел имаат одредена симетрија, наречена трансформација на двојност. Може да се избере било кој вистински агол ξ, а истовремено да се променат полињата и обвиненијата насекаде во универзумот како што следи (во Gaussian единици):Jackson 1999, section 6.11.