12 Ağustos 2017 Cumartesi

Elektrodinamikanın inkişafı, “Dirak monopolu” nədir?

loading...
       Elektrodinamikanın inkşafı “enerjinin elektromaqnit sahəsi ilə ötürülməsi” teoremi ilə sıx bağlıdır. 1884-cü ildə bir-birindən xəbərsiz olan 2 ingilis fiziki - Poytinq və Xevisayd bu teoremi isbat etməklə, elektrodinamikanın inkişafına təkam vermişlər. Bildiyimiz kimi, bu teoremə əsasən, elektromaqnit sahəsinin enerji sıxlığının vektoru aşağıdakı tənliklə ifadə olunur: 

        1874-cü ildə rus fiziki Nikolay Alekseeviş Umov (1846-1915) tərəfindən də enerji sıxlığı vektoru üçün ifadə verilməsinə baxmayaraq, o bunu elektromaqnit sahəsinə tədbiq etməmişdi. Ona görə də bu vektor fizika tatixinə
Umov-Poytinq vektoru adı ilə düşmüşdü.
         Elektromaqnit hadisələrinin rəngarəngliyi və müxtəlifliyi “mikroskopik” elektrodinamikanın və bütöv mühitlər elektrodinamikasının (bəzi mənbələrdə buna bəkr mühitlər də deyirlər) inkişafına təkan verdi. Mikroskopik elektrodinamika, yəni klassik sahə nəzəriyyəsi – vakuum elektrodinamikası və nöqtəvi yüklərin elektrodinamikasıdır və burada geniş şəkildə mexanika metodlarından – variasiya prinsipindən, Laqranj metodundan, Hamilton metodundan istifadə olunur. 
        Makroskopik elektrodinamikada isə təcrübi nəticələr ilə tapılan fenomenal sabitlərdən – dielektrik nüfuzluğu ε - dan, maqnit nüfuzluğu μ - dan, elektrik keçirmə sabiti σ - dan istifadə olunur. Elektronun kəşfindən sonra məlum olur ki, elektronlar və elektronları kompensə edən “+” yüklər hər hansıbir formadasa maddənin quruluşunu təyin edir və bu quruluş elektrik cəhətcə neytral olur. Ona görə də, mühitin elektromaqnit xassələrini xarakterizə edən həmin fenomenal sabitlər də quruluşla bağlı olmalıdır. İlk dəfə bu sabitlərin maddənin quruluşuna əsasən hesablanması ideyası Lorens tərəfindən irəli sürülmüşdür. Lorensin klassik elektron nəzəriyyəsi aşağıdakı 5 cümlədən ibarətdir: 
1. Maddə “+” və “-“ elektronlardan ibarətdir; 
2. Elektronlar elektromaqnit sahəsi müəyyən edilən efirdə yerləşirlər. Bu sahə vakuum üçün Maksvel tənlikləri ilə (yəni Maksvel-Lorens tənlikləri ilə) verilir; 
3. Elektronun yükü çox kiçik həcmdə p sıxlığı ilə paylanıb;
 4. Elektronların hərəkəti elektromaqnit sahəsinin təsiri ilə baş verir. Bu qüvvənin həcmi sıxlığı Lorens qüvvəsi ilə tapılır; 
5. Makroskopik elektromaqnit sahə mikroskopik sahənin zamana və fəzaya görə ortalanmış formasıdır.
         Lorens özü tərəfindən yaradılmış klassik elektron nəzəriyyə ilə, demək olar ki, əksər elektrik və maqnit hadisələrini, xüsusilə də elektromaqnit dalğalarının dispersiyasını və udulma hadisələrini izah etmişdi. 
        Bərk mühitlər elektrodinamikasına Maksvel tənlikləri sistemini şamil etmək üçün onu tamamlamaq lazım idi. Bunun üçün ora “maddilik tənlikləri” əlavə olunmalı idi, yəni induksiya vektoru ilə (və ya cərəyan sıxlığı vektoru ilə) elektrik sahəsinin gücü arasında əlaqə yaradılmalı idi. Bunun üçün xüsusi çevrilmələr olan tenzorlardan - fəza-zaman dispersiyasını və s. effektləri təsvir edən kompleks dielektrik nüfuzluğu tenzorundan istifadə edilmişdir. Tenzorun konkret görünüşü maddi mühitin elektromaqnit 3 xassələrindən asılı olaraq, müxtəlif olur. Dispers tənliklərin əsasını təşkil edən bu tenzorların köməyi ilə müxtəlif mühitlərdə, xüsusilə də plazmada məxsusi dalğalar (modlar), və həmçinin, qeyri-tarazlığın ilkin mərhələsinin inkişafı nəzərdən keçirilir (öyrənilir). Qeyri-xətti elektrodinamikada isə qeyri-xətti (çoxindeksli) dielektrik nüfuzluğu tenzorundan istifadə olunur. 
        XΙX əsrin sonu XX əsrin əvvəllərində hərəkət edən mühitlərdə elektromaqnit proseslərinin təsvir olunması zərurəti yarandı. Bu zaman qarşıya çıxan çətinliklər Eynşteynin nisbilik nəzəriyyəsinin yaranmasına səbəb oldu (1905). Bu da öz növbəsində maddilik tənliklərinin dəyişməsini zəruri etdi. Bunun haqqında daha ətraflı məlumat “Optikanın tarixi” mövzusunda veriləcək. 
        Maksvel elektrodinamikasıfizikanın yeni sahələrinin – kvant elektrodinamikası, sahənin kvant nəzəriyyəsi, fiziki elektronika, plazma elektronikası, maqnit hidrodinamikası, radiofizika, statistik radiofizika və s. kimi sahələrin inkişafına təkan verdi. Elektrodinamikanın qeyd etdiyimiz əksər bölmələri – istiqamətləri optik hadisələr və optik proseslərlə sıx bağlıdır. “Optikanın tarixi” mövzusuna keçıd etməmişdən öncə, Dirak monopolu haqqında da məlumat vermək istərdim. 
“Dirak monopolu” nədir? 
        Qədim mütəfəkkirlər belə hesab edirdilər ki, təbiətdə hər bir şey “gözəllik”, yəni simmetriya prinsipi üzərində qurulub. Lakin Maksvel tənliklərinə nəzər salsaq, ilk növbədə onlarda asimmetrik gözümüzə dəyir, yəni bilirik ki, elektrik sahəsinin mənbəyi elektrik yükləri hesab olunur, bəs onda maqnit sahəsinin mənbəyi nədir? Bundan başqa, Maksvel tənliklərindən belə təsəvvür yaranır ki, elektrik maqnetizmdən ayrı mövcud ola bilər, ancaq maqnetizm isə yox. Buradan alınır ki, Maksvel tənlikləri bizlərdə maqnetizmin elektrikdən asılı olması təsəvvürünü formalaşdırır. Öz dövründə bunu Amper də söyləmişdi: “belə çıxır ki, elektrik sahəsi yüklərdən asılıdır, maqnit sahəsi isə bu yüklərin hərəkəti nəticəsində yaranan, elektrik sahəsindən”. 
        Bu haqsızlığı düzəltməyə, “Təbiətdə mövcud olan harmoniyanı” bərqərar etməyə ilk cəhd göstərən alim Xevisayd olmuşdur. 1891-ci ildə o, Maksvelin ümumiləşmiş tənliklərini tam simmetrik formada yazır. Lakin onun bu işlərinə fikir verilmədi, və ya o dövrdə bu cür yanaşmanı qəbul edə bilmirdilər. Bunu demək çox çətindir. Lakin 1931-ci ildə kvant nəzəriyyəsinin təməlini qoyanlardan biri olan ingilis fizik-nəzəriyyəçi alim Pol Dirak da maqnit zərrəciklərinin axtarılması ilə məşğul olmağa başlayır. O görür ki, kvant nəzəriyyəsində elektrik sahəsi maqnit sahəsindən “üstün” hesab olunmur. Ona görə də Dirak, maqnit zərrəciklərini “maqnit monopolları” adlandırır. 1931-ci ildə “Elektromaqnit sahəsində kvant sinqulyarlığı” əsərində o, məlum təcrübəni şərh edərək deyir:”elektrik yükləri elementar yüklərə - elektrona həmişə tam bölünür. Təbiətdə elə bir hadisə mövcud deyil ki, orada elektron yükünün kəsr hissəsi özünü biruzə versin....Əgər maqnit yükü μ ilə elektrik yükü e arasında μe=nħc/2 (Dirakın kvantlanma şərti) kimi bərabərliyin olması nəzərə alınsa, onda biz Maksvel tənliklərinə heç bir zərər vermədən maqnit monopolunu daxil edə bilərik. Bərabərlikdə n – tam ədədlər, c – işığın vakuumda sürəti, ħ- Plank sabitidir. 
         Bu bərabərlik elektrik yükünün kvantlanması faktını çox gözəl izah edir. Məqalənin sonunda Dirak yazır:”Təbiətin belə bir imkandan istifadə etməməsi, məndə təəccüb doğurur.”
         Əgər monopollar həqiqətən mövcuddursa, onda onlar qeyri-adi xassələrə malik olmalıdırlar. İlk növbədə, elektrik yükündə olduğu kimi, maqnit yükünün də saxlanılması qanunu gözlənilməlidir. Bundan başqa, elementar maqnit yükü 137/2 dəfə elektronun yükündən çox olmalıdır. Ona görə də monopollar arasındakı qarşılıqlı təsir qüvvəsi, aralarındakı məsafə eyni olan elektronlar arasındakı qarşılıqlı təsirdən 4692 dəfə çox olmalıdır. Bu hesablamalardan Dirak aşağıdakı nəticəyə gəlir: “Mənə indi aydın olur ki, nə üçün əks işarəli qütblər bir-birindən ayrılmamışdır? Əlbəttə ki, məhz belə güclü qarşılıqlı təsir (yəni cazibə) qüvvəsi əks işarəli qütblərin bir-birindən ayrılmasının qarşısını almışdır”. Monopolların varlığı sübut olunsa, onda elektrik və maqnit hadisələri arasında da simmetriya mövcud olar. Belə ki, maqnit sahəsi elektrik yüklərinin hərəkəti nəticəsində yarandığı kimi, maqnit monopollarının hərəkəti nəticəsində də elektrik sahəsi yaranmalıdır. 
          Maqnit monopolu ideyasını Dirak “+ elektronun – pozitronun” mövcud olması ideyası ilə birgə söyləmişdir. Hər iki ideya o dövrdə fantastik ideya kimi qəbul edilmişdir. Lakin 1932-ci ildə pozitron kəşf edildikdən sonra, Dirakın monopol ideyası da fizikləri maraqlandırmış və onları yeni zərrəciklərin axtarılması istiqamətində təcrübələrin aparılmasına sövq etmişdir. 
        Lakin indiyə kimi, müasir fizikanın bütün imkanlarından istifadə edilməsinə baxmayaraq, monopolların varlığı kəşf edilməmişdir. 
        XX əsrin 70-80 illərində aparılan təcrübələrdən o qənaətə gəlmək olur ki, əgər monopollar həqiqətən varsa, onda onlar zülal molekulu kütləsi ilə müqayisədə, daha böyük kütləyə malik olmalıdırlar. Belə kütləli zərrəciklərin yaranması isə böyük enerji sərfi ilə bağlıdır ki, bunu müasir gücləndiricilər vasitəsilə həyata keçirmək mümkün deyil. Lakin alimlərdə belə bir fikir formalaşmışdır ki, monopollar kainatın ilkin yaranma mərhələsində yaranmışlar və onların bizim dövrlərə qədər çatma ehtimalı da çoxdur. Ona görə də atalar sözündə deyildiyi kimi “ümid sonda ölür” və monopolların mövcudluq faktı hələ də öz aktuallığını itirməyib.    
     Təbii olaraq, sizlər belə bir sual verə bilərsiniz: “Bu qədər vaxt və pul sərfi hansısa bir ekzotik monopolun axtarışına çəkilməsi nə dərəcədə doğrudur? Axı Maksvel tənlikləri müasir fizikanın əsasını təşkil edir və orada edilən ixtiyari bir dəyişikliklər bir çox dəyişikliklərə səbəb olmaqla yanaşı, bizim dünya haqqında formalaşmış dünyagörüşlərimizin də dəyişməsinə gətirəcək. Monopolların kəşfi praktik nöqteyinəzərdən xeyirlidir və bununla enerji problemini həll etmiş olarıq. Belə ki, böyük yükə malik monopolu maqnit sahəsində sürətləndirmək, elektrikin yüklü zərrəciklərini sürətləndirməkdən daha effektlidir. Yəqin ki, təbiətdə monopollarla bağlı bizim bilmədiyimiz çoxlu sayda hadisələr və proseslər mövcuddur və bunların kəşfi biz fiziklərin öhdəsinə düşür. 

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder