TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Tiểu luận môn: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Tên đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hồng Nhóm thực hiện: Lê Thanh Nhẫn Nguyễn Thị Phương Thảo Phan Minh Tiến Lưu Đình Trác TPHCM, Tháng Năm 2009 ĐƠN CỰC TỪ MỤC LỤC Tóm tắt I Giới thiệu .2 II Hệ phương trình Mắc-xoen Định luật Gau-xơ cho từ học Các phương trình điện từ học .8 Sự bất đối xứng thứ Sự bất đối xứng thứ hai III Đơn cực Đi-rắc lượng tử hóa điện tích 11 Đơn cực Đi-rắc 11 Sự lượng tử hóa điện tích 15 IV Tìm kiếm đơn cực từ .17 Sơ lược máy gia tốc .19 Tìm kiếm đơn cực từ từ nguồn tia vũ trụ 22 V Kết luận 27 Tài liệu tham khảo .28 ĐƠN CỰC TỪ Tóm tắt Nghiên cứu hệ phương trình Mắc-xoen cách nghiêm túc cho nhìn tổng quan điện động lực học Việc thừa nhận tồn đơn cực từ dựa suy đoán đối xứng điện trường từ trường Đi-rắc, làm cho hệ phương trình Mắc-xoen trở nên đẹp Nhưng đơn cực từ có thực tồn hay khơng bí ẩn I Giới thiệu [1] Ai biết nam châm có hai cực, nói rộng số cực nam châm số chẵn, có nam châm có bốn cực, sáu cực,…, khơng có nam châm có cực, ba cực, năm cực,… Đây vấn đề người ta nhận thấy từ lâu chưa có lời giải thích thỏa đáng Trước kia, chưa hiểu rõ nguồn gốc tượng điện từ, người ta coi tự nhiên có chất lỏng điện, chất lỏng từ Điều khơng có lạ, vào thời tượng chưa biết rõ gắn với giả thiết có chất lỏng tương ứng, chẳng hạn giả thiết chất lỏng nhiệt để giải thích tượng nhiệt Nhưng đến cuối kỉ XIX, Tơm-xơn tìm electron đến đầu kỉ XX, Ru-dơ-fo tìm proton người ta đến kết luận tự nhiên khơng có chất lỏng điện mà có điện tích, người ta khẳng định tự nhiên có hai loại điện tích gọi điện tích dương, điện tích âm Các tượng điện có liên hệ chặt chẽ với điện tích Nói tóm lại thực nghiệm chứng minh điện tích có thực, tồn tự nhiên ĐƠN CỰC TỪ Trong khứ xa xưa, điện từ hai lĩnh vực độc lập với Nhưng sau thí nghiệm Ơ-xtét, người ta thấy điện từ hai lĩnh vực có liên quan chặt chẽ với Vì người ta thường hay so sánh, đối chiếu các tượng hai vĩnh vực với Về điện có hai loai điện tích, có vật mang điện tích dương, có vật mang điện tích âm Tuy nhiên, có vật mang hai loại điện tích tách biệt nhau, điện tích dương đầu, điện tích âm đầu Ta gọi vật lưỡng cực điện Nếu ta coi vật mang loại điện tích đơn cực điện So sánh với lưỡng cực điện, ta coi nam châm có hai cực lưỡng cực từ, hai cực nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự hai điện tích dương âm lưỡng cực điện Nhưng khác với điện tích, thực tế khơng thấy nam châm có cực, nghĩa thực tế ta không quan sát thấy đơn cực từ ĐƠN CỰC TỪ Do vấn đề đặt từ tự nhiên có tồn thực thể tương tự điện tích điện hay khơng? Nói cách khác tự nhiên có từ tích khơng? Và có quan sát thấy lưỡng cực từ, không quan sát thấy đơn cực từ? Mặt khác, lí thuyết thực nghiệm chứng tỏ đường sức điện khơng khép kín, chúng xuất phát từ điện tích dương tận điện tích âm Cịn đường sức từ khép kín; khép kín nên khơng thể nói điểm xuất phát điểm tận đường sức từ Điều đốn nhận tự nhiên khơng có từ tích Vì khơng có từ tích nên việc đường sức từ khơng có điểm xuất phát, khơng có điểm tận điều hiển nhiên ĐƠN CỰC TỪ Nhưng có dự đốn khác, xem khơng phải khơng có lí Đốn nhận tự nhiên có từ tích; từ tích có hai loại từ tích dương, từ tích âm Tuy nhiên từ tích khác điện tích chổ điện tích dương, điện tích âm tồn tách biệt hạt vật khác nhau; từ tích từ tích dương từ tích âm gắn liền với nhau, chúng gắn liền với nên chúng trung hoà lẫn vật đó, trường hợp ta coi vật khơng có từ tích; chúng tồn tách biệt định xứ vật, trường hợp ta có lưỡng cực từ (nam châm) Giữa kỉ XIX Mắc-xoen xây dựng thành cơng lí thuyết trường điện từ Sự đời lí thuyết trường điện từ Mắc-xoen thắng lợi rực rỡ vật lí Cũng nên ý lí thuyết Mắc-xoen đời trước Tơmxơn tìm electron lâu Tuy nhiên lí thuyết có mặt đại lượng mà sau gọi điện tích Nhưng lí thuyết khơng có mặt đại lượng đốn nhận từ tích Điều xem chứng nghiêng điều đoán nhận tự nhiên khơng có từ tích Tuy nhiên khơng dễ bác bỏ đốn nhận thứ hai vừa nói suy đoán đơn giản Vấn đề chỗ, vật lí có nhiều tượng sánh đôi mà người ta gọi đối xứng Nhưng lại có tượng bất thường Điện trường điện tích gây từ trường lại khơng có từ tích gây Vậy lĩnh vực điện từ ĐƠN CỰC TỪ có thiếu vắng tính đối xứng Ta xem xét kĩ vấn đề nêu II Hệ phương trình Mắc-xoen [2] Định luật Gau-xơ cho từ học Định luật Gau-xơ cho từ học phương trình điện từ học – cách hình thức để ta diễn đạt kết luận rút từ tượng từ mà ta quan sát được, cụ thể không tồn cực từ lập Phương trình khẳng định từ thơng tồn phần B qua mặt Gau-xơ kín phải 0: B   Β.dA  (p.t 1) (Định luật Gau-xơ cho từ học) Ta đối chiếu phương trình với định luật Gau-xơ cho điện học,  0E    E.dA  q (p.t 2) (Định luật Gau-xơ cho từ học) Trong hai định luật này, tích phân lấy theo mặt Gau-xơ hồn tồn kín Việc số khơng xuất vế phải p.t mà vế phải p.t có nghĩa từ học khơng có “từ tích tự do” tương ứng với điện tích tự điện học ĐƠN CỰC TỪ Hình 2a cho thấy mặt Gau-xơ đánh dấu I, bao đầu ống dây ngắn Như thấy, ống dây thẳng tạo từ trường giống trường lưỡng cực từ khoảng cách xa Đối với điểm xa thế, đầu ống dây thẳng bị bao mặt I thể giống cực từ bắc Lưu ý đường sức từ vào mặt Gau-xơ ống dây thẳng khỏi mặt ống dây thẳng Khơng có đường sinh kết thúc mặt này, nói cách khác khơng có nguồn sinh hủy B, hay nói cách khác khơng có cực từ tự Như mặt I hình 2a, thơng lượng tồn phần B 0, định luật Gau-xơ cho từ học (p.t 1) địi hỏi Ta có B  cho mặt II hình 2, cho mặt kín vẽ hình Sự việc không thay đổi ta thay ống dây thẳng ĐƠN CỰC TỪ ngắn thỏi nam châm ngắn, hình 2b Ở B cho mặt kín mà ta vẽ Hình 2c cho thấy tương tự tĩnh điện với hai lưỡng cực từ Nó gồm hai đĩa trịn tích điện trái dấu đặt đối diện với Ở điểm xa điện trường E hệ đĩa điện trường lưỡng cực Tuy nhiên, trường hợp có thơng lượng tồn phần (hướng ngoài) đường sức qua mặt Gau-xơ đánh dấu I; có nguồn sinh bên mặt, cụ thể mặt I bao quanh điện tích dương (các điện tích âm đĩa hủy đường sức điện trường) Dĩ nhiên mặt Gau-xơ đánh dấu II hình 2c, ta có E  , mặt khơng bao điện tích Các phương trình điện từ học Số Tên I Định luật Gau-xơ điện học II Định luật Gau-xơ từ học III Định luật cảm ứng Fa-ra-đây IV Định luật Am-pe Phương Trình Thư Mục  E.dA  q /  p.t  B.dA  p.t  E.dS   d B dt  B.dS  0i p.t p.t Sự bất đối xứng thứ Sự bất đối xứng gắn liền thực tự nhiên tồn tâm tích điện lập electron, proton… khơng có tâm mang từ tích (đơn cực từ) Như ta phải đốn nhận ĐƠN CỰC TỪ việc có đại lượng q vế phải p.t lại khơng có đại lượng từ tương tự vế phải p.t Tương tự vế phải p.t có số hạng 0i( 0 dq / dt ) vế phải p.t lại khơng có số hạng tương tự (tức dịng đơn cực từ) “Sự thiếu đối xứng” này, kết hợp với tiên đốn chi tiết vài lí thuyết sơ chất hạt sơ cấp lực, thúc đẩy nhà vật lí tìm kiếm cách nghiêm túc nhiều đường khác đơn cực từ, song khơng tìm thấy Tuy nhiên có vài đầu mối, thể thiên nhiên gợi ý hướng dẫn nhà vật lí bước đường khám phá họ Sự bất đối xứng thứ hai Sự bất đối xứng cộm lên ngón tay đau vậy: vế phải định luật Fa-ra-đây cảm ứng (p.t 5) ta thấy có số hạng dB / dt , ta đoán nhận định luật cách linh hoạt sau: Nếu ta thay đổi từ trường ( dB / dt ) ta tạo điện trường (  E.dS) Từ ngun lí đối xứng, ta có quyền nghĩ phải có quan hệ đối xứng với quan hệ trên, cụ thể là: Nếu ta thay đổi điện trường ( dE / dt ) ta tạo từ trường (  B.dS ) Kết luận dựa đơn vào lập luận đối xứng tỏ ta kiểm tra thực nghiệm phịng thí nghiệm – Nó cung cấp cho số hạng thiếu p.t ĐƠN CỰC TỪ chứng minh tích phân hàm mặt S 0, trái với p.t 17 Do đó, bề mặt S có: 0 B   A  δ (với δ      (p.t 18) Bây giờ, nhắc lại, thể tích V chọn tùy ý p.t 15 cho thể tích chứa đơn cực từ, với lập luận trên, δ phải tiến tới  điểm mặt kín S bao quanh thể tích V Với việc chọn mặt kín khác dẫn đến δ phải  đường thẳng liên kết từ đơn cực đến vơ hạn, hình vẽ, dây đặc biệt gọi dây Đi-rắc (Dirac String) Vì từ trường đại lượng vật lý đo đạc được, khơng thể  điểm Tính cân đối p.t 18 từ trường bao gồm véc tơ A phải  dây Dirac để hủy bỏ giá trị  δ Từ diện đơn cực từ véctơ không xác định rõ nơi Do để diễn tả tích chất vật lý đơn cực từ phải sử dụng hai véctơ A1 A2, liên hệ với chuyển đổi hình vẽ bên (khi véctơ (kì dị) dây Đi-rắc, cần hai véc tơ A1 A2 để mô tả electron từ trường đơn cực từ) 14 ĐƠN CỰC TỪ Sự lượng tử hóa Bây nói đến hệ đáng ý cấu trúc là: Đirắc tồn đơn cực từ giải thích lượng tử hóa điện tích electron Trong tự nhiên, tất điện tích số nguyên lần điện tích electron Nếu gọi điện tích electron e, tất điện tích tự nhiên biểu diễn dạng ne, với n số nguyên Tính chất đặc biệt điện tích biết đến lượng tử hóa điện tích Trước Đi-rắc khơng có giải thích tượng Sử dụng khái niệm đơn cực từ, Đirắc bất ngờ tìm lời giải thích lượng tử hóa điện tích Nói hơn, lượng tử hóa Đi-rắc cho thấy tồn từ tích, phương trình tất điện tích từ tích tự nhiên, ei gi phải thỏa mãn: eigj = (1/2)nij, với nij số nguyên Chúng ta cần nhấn mạnh rằng, lượng tử hóa Đi-rắc phải áp dụng cho tất điện tích từ tích tự nhiên Điều xảy có tồn điện tích từ tích nguyên tố, e0 g0 Khi điện tích từ tích biểu diễn thơng qua: Điện tích ei tự nhiên, ei = nie0, với ni số nguyên Từ tích gj tự nhiên, gj = njg0, với nj số nguyên Hơn nữa, e0 g0 phải thân chúng thỏa mãn phương trình lượng tử hóa Đi-rắc e0g0 = (1/2)n0, n0 số nguyên 15 ĐƠN CỰC TỪ Tạm thời bỏ qua hạt quark coi e0 điện tích electron, điện tích nguyên tố Khái niệm đơn cực từ lần đầu Đi-rắc đưa vào năm 1931,và sau nhắc đến thuyết thống (GUT) Đi-rắc cho chế lượng tử tương đối tính dẫn đến việc lượng tử hóa điện tích e lẫn từ tích g điện tử hay hạt mang điện Từ tích đơn cực từ có điện tích e là: g2 = n  c  với n=1,2,3…    2e  đó, g = c = số mạng tinh thể c e2 137 Ý định Đi-rắc mong muốn có đối xứng hồn tồn điện tích từ tích lí thuyết Ơng cho rằng, điện tích có điện tích ngun tố từ có từ tích ngun tố Cũng theo lí thuyết ơng, từ tích ngun tố lớn gấp 70 lần điện tích ngun tố Do lực tương tác hai từ tích nguyên tố lớn gấp 5000 lần lực tương tác hai điện tích nguyên tố Sự chênh lệch nhiều điện tích nguyên tố từ tích nguyên tố điều bất lợi cho lí thuyết Đi-rắc Mặc dù vậy, sau đời lí thuyết ủng hộ nhiều người, hay có nhiều người khơng phản đối Có nhiều lí dẫn đến tình hình 16 ĐƠN CỰC TỪ  Trong lịch sử phát triển vật lí có ý tưởng lúc đầu có sức lơi lớn, sau không để ý đến Ý tưởng việc chế tạo động vĩnh cữu ví dụ thế, ý tưởng trái với định luật bảo toàn lượng Nhưng ý tưởng tồn đơn cực từ không thấy có mâu thuẫn với ngun lí tổng qt vật lí  Thứ hai là, tồn đơn cực từ giải thích điện tích tồn dạng rời rạc (điện tích số hạt hay vật số nguyên lần điện tích nguyên tố) mà dạng liên tục  Thứ ba là, giá trị lớn từ tích nguyên tố có phần phá vỡ tính đối xứng từ tích điện tích, lúc người ta lại hi vọng giá trị lớn từ tích giải thích giá trị lớn lực hạt nhân tính bền vững hạt sơ cấp Có chi tiết lí thú Đi-rắc xây dựng lí thuyết đơn cực từ Tam, nhà vật lí lỗi lạc người Nga bạn Đirắc đến thăm Kem-bơ-rít-giơ, nơi làm việc Đi-rắc Trong buổi trao đổi với Đi-rắc, Tam tỏ lạc quan với kết mà Đi-rắc thu Chính Tam nêu ý định áp dụng giả thiết lực tương tác từ tích vào lí thuyết lực hạt nhân Nhưng chẳng sau ơng khơng cịn giữ ý định đến năm 1934, Tam xây dựng lí thuyết lực hạt nhân mà khơng cần đến từ tích IV Tìm kiếm đơn cực từ Sau Đi-rắc cơng bố lí thuyết việc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sơi phịng thí nghiệm Theo lí thuyết Đi-rắc 17 ĐƠN CỰC TỪ đơn cực từ đứng yên gây từ trường, đơn cực từ chuyển động gây từ trường điện trường Vận tốc đơn cực từ lớn điện trường gây lớn Điện trường đơn cực từ tác dụng lên điện tích mơi trường gây ion hố ngun tử mơi trường Phép tính chi tiết chứng tỏ khả ion hoá đơn cực từ mạnh khả ion hố điện tích khoảng 5000 lần Vì vậy, để phát đơn cực từ người ta bắn hạt nhanh vào lớp nhũ tương hạt nhân Nếu số hạt nhanh có hạt mang từ tích khả ion hố mạnh từ tích nên lớp nhũ tương xuất vết rõ ghi lại đường hạt Ngồi ra, cịn điểm khác biệt ion hố điện tích từ tích Một hạt mang điện tích có vận tốc lớn khả ion hố khơng phụ thuộc vào vận tốc hạt Khi vận tốc giảm đến giá trị khả ion hố lại tăng lên rõ rệt Cịn hạt mang từ tích khả ion hố khơng đổi tồn đoạn đường Vì điều nói nên lớp nhũ tương ta phân biệt vết hạt mang điện tích hạt mang từ tích Vết hạt mang điện tích thường khơng rõ vết hạt mang từ tích Ngồi vết hạt mang điện tích có độ đậm nhạt khác nhau: đoạn cuối đậm đoạn đầu Còn vết hạt mang từ tích độ đậm nhạt giống từ đầu đến cuối Nguyên tắc phương pháp tìm kiếm đơn cực từ nói áp dụng từ thí nghiệm vào năm 1931, sau Đi-rắc cơng bố cơng trình Lúc có tin đồn phương pháp thí 18 ĐƠN CỰC TỪ nghiệm nói phát đơn cực từ tia vũ trụ Nhưng chẳng sau biết tin đồn sai Kể từ người ta bỏ nhiều cơng sức trí tuệ vào việc tìm kiếm đơn cực từ Người ta tìm đơn cực từ tia vũ trụ, mảnh thiên thạch rơi xuống Trái Đất, lớp đá trầm tích đáy biển máy gia tốc Có thể nói máy gia tốc giới đưa vào hoạt động thời có nhóm nhà thực nghiệm thực “săn lùng” đơn cực từ máy gia tốc Sơ lược máy gia tốc [4] Thiết bị dùng điện trường hay điện trường từ trường để tăng tốc hạt tích điện gọi chung máy gia tốc Vì ngun lý hoạt động, cấu tạo, kích thước máy gia tốc khác Máy gia tốc sử dụng nhiều lĩnh vực Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trị đặc biệt quan trọng, sử dụng nghiên cứu hạt sơ cấp Người ta phân biệt hai loại máy gia tốc: máy gia tốc thẳng máy gia tốc vòng Máy gia tốc thẳng loại máy gia tốc cổ Máy gia tốc thẳng cổ máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e-ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện qua dãy nối tiếp miền có điện trường, hạt mang điện tăng tốc nhờ điện trường Cuối cùng, hạt mang điện có lượng khoảng vài trăm MeV Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc, người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vịng Một số máy gia tốc thẳng kể đến máy Pháp, khánh thành năm 1958, thí nghiệm tiến hành vào năm 1959 Máy gia tốc vòng loại 19 ĐƠN CỰC TỪ máy gia tốc hạt chuyển động theo đường vòng Để buộc hạt chuyển động theo đường vòng, người ta dùng từ trường nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quỹ đạo hạt Còn để tăng tốc hạt người ta dùng điện trường  Có hai kiểu máy gia tốc vòng: Kiểu xi-clo-tron: xi-clo-tron, quỹ đạo hạt tích điện đường xoáy ốc phẳng, Kiểu xanh-cro-tron: xanh-cro-tron, quỹ đạo hạt đường tròn, muốn quỹ đạo hạt đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần Mỗi hạt tăng tốc cảm ứng từ từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính quĩ đạo khơng đổi  Một số loại máy gia tốc Hera (Hadron Elektron Ring anlage) nghĩa “vòng thiết bị gia tốc chùm hạt giao electron hađron”: máy gia tốc khổng lồ thuộc trung tâm nghiên cứu DESY Ham-buốc Đức, gồm hai vòng gia tốc hạt, vòng chu vi 6336m nằm sâu đất 30m Vòng gia tốc electron tới động 27,5 tỷ electron vơn Cịn vịng truyền cho phơton động tới 920 giga electron vôn Hera hoạt động từ năm 1992 với gần 400 nhà vật lý từ 12 nước thường trực theo dõi thí nghiệm diễn biến với hỗ trợ thiết bị tự động 20 ĐƠN CỰC TỪ LEP: máy gia tốc thuộc tổ chức Châu âu nghiên cứu hạt nhân Đặt biên giới Pháp – Thụy Sĩ Đường chu vi trung bình vịng xuyến dài 27 km, nghĩa vòng xuyến đặt diện tích có đường kính khoảng km Các vòng xuyến xây dựng ngầm mặt đất LHC: (large hađron collide): máy gia tốc lớn Quá trình vận hành LHC diễn nhanh dần Năng lượng hạt proton phóng vào ống 0,45 teraelectron-volts (1 TeV = triệu triệu electron-volts) Từ đến cuối năm, lượng tăng lên đến TeV để đến năm 2010, LHC chạy hết công suất, đạt TeV, nghĩa proton va vào nhau, chúng tạo lượng 14 TeV Cụ thể, va chạm giải phóng lượng tương đương lượng đàn 14 muỗi sinh ra, tập trung vào không gian nhỏ 1/1000 tỷ lần so với độ lớn thể muỗi Sức công phá cao nhiều so với sức công phá máy gia tốc hạt nhân trước Trong báo đơn cực từ mình, Đi-rắc nhắc lại báo trước ông việc phát hạt pôditron Khi pôditron hạt lạ, chưa biết đến tính tốn cho biết hạt lạ mang lượng âm Sau lâu người ta phát hạt lạ 21 ĐƠN CỰC TỪ thực nghiệm, coi phản hạt electron người ta đặt tên cho pơditron Tuy nhiên, hạt pơditron tìm thấy cịn đơn cực từ chưa tìm thấy thực tế Mặt dù đơn cực từ chưa tìm thấy lí thuyết người ta khơng ngừng nghiên cứu, cơng trình Pơ-li-a-cốp nhắc đến nhiều Vì vậy, ngày đơn cực từ từ lý thuyết Pô-li-a-cốp gọi đơn cực từ Pơ-li-a-cốp, để phân biệt với đơn cực từ lí thuyết Đi-rắc Với khoảng cách đủ lớn đơn cực từ Pô-li-a-cốp suy đơn cực từ Đi-rắc Tìm kiếm đơn cực từ từ nguồn tia vũ trụ [5] Tia vũ trụ phần tử mang lượng cao, gồm chủ yếu proton, số hạt nhân helium, hạt nhân nặng khác, di chuyển từ nơi xa vũ trụ Đó dòng hạt chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng Mặc dù phát lần cách chừng 100 năm, nguồn gốc tia vũ trụ chưa xác nhận có nhiều lý thuyết khác nhau: - Đây có phải tàn dư Big Bang nguyên thủy ? - Có phải chúng đến từ ngơi sao, mặt trời ? - Có phải hạt tăng tốc điện từ trường không gian ? 22 ĐƠN CỰC TỪ Năm 2007, nhà nghiên cứu Đài quan sát Pi-e-rờ Au-gờ Argentina tìm thấy tia vũ trụ lượng cực cao có, với lượng lớn 1019 eV, tạo vùng phụ cận lỗ đen nằm tâm thiên hà láng giềng Tuy nhiên, số nhà vật lí tin nguồn gốc tia vũ trụ lượng thấp TeV (1012eV) phổ biến nhiều Bởi lẽ, đường hạt tích điện với lượng khoảng 1018eV bị bẻ cong từ trường thiên hà, chúng qua không gian, làm cho chúng theo quỹ đạo khúc khuỷu xóa mờ nguồn gốc chúng Vừa qua, nhóm khoa học Mỹ tin rằng, họ tìm nguồn gốc đích thực hạt bí hiểm Đi-ê-gơ To-rớt, Đại học Prin-xe-tơn, Eli-hiu Bo-đờ, Trung tâm bay Go-đắc Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA), cho rằng, tia vũ trụ sinh từ phần lại chuẩn tinh Theo hai nhà khoa học, vũ trụ hình thành, trung tâm thiên hà phát sáng mạnh gấp hàng nghìn lần mức Nguyên nhân lỗ đen khối lượng cực lớn, nằm trung tâm chuẩn tinh hút nhiều vật chất, tạo đám mây sáng sôi sục vây quanh Sau đó, trung tâm thiên hà hạ nhiệt dần Tuy nhiên, số chuẩn tinh cịn hoạt động khơng phải "nguội lạnh" ta tưởng Mới đây, nhóm nghiên cứu quốc tế (từ Mỹ, Armenia, Pháp, Ireland, Namibia, Nam Phi Cộng hoà Séc) tìm hiểu tàn tích siêu tân tinh bùng nổ khoảng 1.000 năm trước Vụ nổ tạo quầng đá bụi tiếp tục mở rộng, mà nhìn từ trái đất, lớn gấp đơi đường kính mặt trăng 23 ĐƠN CỰC TỪ Họ phát thấy tàn dư siêu tân tinh tạo chùm tia gamma - dạng xạ có khả đâm xuyên lớn biết đến, với lượng lớn gấp tỷ lần tia X dùng bệnh viện Sử dụng kết hợp bốn kính thiên văn châu Phi, nhóm nghiên cứu theo dõi đợt bùng sáng màu xanh nhỏ (còn gọi xạ Che-ren-kô) sinh tia vũ trụ xuyên qua bầu khí trái đất Sau cùng, kết hợp hình ảnh chùm sáng này, nhóm nghiên cứu có ảnh nguồn tia vũ trụ Ngồi tia gamma, ngơi cịn giải phóng tia X, khí nóng giãn nở gặp phải vật chất lạnh nằm vùng khơng gian xung quanh Khơng biết xác tia vũ trụ bắt nguồn từ đâu chứa đó, nhà khoa học đưa giả thuyết chúng bắt nguồn từ siêu tân tinh – khổng lồ phát nổ - hay ẩn tinh có lẽ từ nguồn lạ chưa phát hiện, cịn biết đến vũ trụ Bí ẩn tia vũ trụ cịn tốn lớn Tuy nhiên, tác động lên hành tinh khơng phủ nhận Đó là: tạo xạ thứ cấp tương tác hạt nhân lúc vào khí quyển, xác định ion hố khơng khí tách electron khỏi nguyên tử, chịu biến đổi mạnh lúc chạm nhân nguyên tử lượng nguyên thủy Việc tìm kiếm đơn cực từ tia vủ trụ cao, người ta nghĩ đến Mặt Trăng Trái Đất Mặt Trăng luôn bị cơng bỏi tia vũ trụ Nhưng nhờ có áo giáp Trái Đất từ trường khí nên tia vũ trụ bị chặn lại từ cao Cịn Mặt Trăng hồn tồn khác Khơng có từ trường khơng có khí nên tia vũ trụ đến bắn phá 24 ĐƠN CỰC TỪ trực tiếp vào bề mặt Mặt Trăng Nếu tia vũ trụ có đơn cực từ đơn cực từ xuyên vào lớp đất đá Mặt Trăng cư trú Nếu ý đơn cực từ hạt bền đất đá Mặt Trăng ổn định số đơn cực từ tích luỹ bề Mặt Trăng từ ba bốn tỉ năm số đáng kể Năm 1969, tàu vũ trụ A-pô-lô Mĩ mang Trái Đất nhiều mẫu đất đá từ Mặt Trăng L W An-va-rét, nhà vật lí Mỹ, giải thưởng Nơ-ben vật lí năm 1968, nảy ý tương tìm đơn cực từ mẩu đất đá Mặt Trăng Sau thương lượng với quan nghiêng cứu vũ trụ Mĩ (NASA), quan trí ủng hộ ý tưởng An-va-rét với điều kiện phải giữ nguyên trạng tất mẩu đất đá, không làm phương hại đến mẩu Để đáp ứng điều kiện An-va-rét đưa phương án thí nghiệm sau Trung tâm thiết bị ống dây siêu dẫn nối đoản mạch công tắc siêu dẫn Mẫu đất đá thí nghiệm đặt xe cho xe chuyển qua ống dây nhiều lần Nếu mẫu đất đá thí nghiệm có đơn cực từ xe qua ống dây, tượng cảm ứng điện từ nên ống dây xuất dịng điện cảm ứng Vì ống dây làm vật liệu siêu dẫn nên dịng điện cảm ứng khơng tắt Cứ lần xe chở mẫu đất đá thí nghiệm qua ống dây, dịng dịng điện cảm ứng lại xuất 25 ĐƠN CỰC TỪ ống Cho mẫu đất đất đá qua ống dây nhiều lần, dòng điện cảm ứng ống tăng lên đến giá trị theo ý muốn, đo Với phương án dù có đơn cực từ phát An-va-rét dùng 8,13 kg đất đá Mặt Trăng cho qua ống dây theo phương pháp kết khơng tìm thấy đơn cực từ Trong việc tìm kiếm đơn cực từ người ta người ta nhắc đến kiện xảy vào năm 1975 Khi P B Prai-xơ cộng thông báo họ tìm thấy đơn cực từ tia vũ trụ Nhóm làm thí nghiệm sau: cho tia vũ trụ qua lớp nhũ tương tráng phim ảnh Nếu tia vũ trụ có hạt chuyển động với tốc độ lớn tốc độ ánh sáng nhũ tương thì, hiệu ứng Sê-rencốp, hạt tạo vết nhũ tương có dạng hình nón Sau rửa, dạng vết lớp nhũ tương ta suy quĩ đạo, điện tích tốc độ hạt qua nhũ tương Theo tính tốn nhóm thí nghiệm cho hạt qua nhũ tương có điện tích lớn gấp 137 lần điện tích nguyên tố Từ kết thí nghiệm, Prai-xơ nghĩ hạt thí nghiệm khơng phải điện tích mà đơn cực từ Thơng tin làm xơn xao dư luận giới vật lí lúc Trước thí nghiệm này, An-va-rét làm thí nghiệm với đất đá Mặt Trăng kết khơng tìm thấy đơn cực từ Vì lí nên An-va-rét nghi ngờ thơng tin mà Prai-xơ cơng bố Ơng định xem xét phân tích kĩ thông tin Prai-xơ Cuối An-va-rét rằng, hạt thí nghiệm mà Prai-xơ cho đơn cực từ thật hạt nhân Platin có điện tích 78 lần điện tích ngun tố 137 thông báo Trên đường hạt nhân Platin phóng hạt α chuyển thành hạt nhân Osimi (Z=76) Sau hạt nhân Osimi lại phóng 26 ĐƠN CỰC TỪ xạ chuyển thành hạt nhân Tantan (Z=73) Do có phóng xạ đường hạt nên độ đậm vết lớp nhũ tương có vẽ không đổi V Kết luận Thực nghiệm kiểm chứng cho lý thuyết đẹp Đơn cực từ xuất phát từ lý thuyết Nhưng nay, tồn đơn cực từ bí ẩn Qua bảy thập kỉ, kể từ lúc Đi-rắc đưa lý thuyết đơn cực từ, đến chưa tìm thấy Điều đặt cho nhiều câu hỏi: - Có phải trình độ kĩ thuật cơng nghệ chưa đủ sức để phát ra? - Hay thực đơn cực từ không tồn tại? Đây hai câu hỏi mà nhà vật lí sức trả lời Đề tài bước đầu tìm hiểu lịch sử hình thành khái niệm đơn cực từ, số thí nghiệm tìm kiếm nó, bị giới hạn toán học nên đề tài chưa sâu vào nghiên cứu cơng trình Đirac, Pơ-li-acốp, Yang… Hướng phát triển đề tài sâu vào nghiên cứu lý thuyết đơn cực từ cách đầy đủ tìm hiểu vai trị quan trọng vật lí đại Từ cho câu trả lời đơn cực từ có tồn khơng? Hay thay lý thuyết 27 ĐƠN CỰC TỪ Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phúc Thuần, Tư liệu vật lí 11: Một số vấn đề từ trường, Nxb Giáo dục, (năm 2007) [2] David Halliday – Robert Resnick – Jeanrl Walker, Cơ sở vật lí, Tập năm – Từ học, dịch Đàm Trung Đồn (chủ biên), Nxb Giáo dục, (năm 1998) [3] Jun S Song, Theory of Magnetic Monopoles and Electric-Magnetic Duality: A Prelude to S-Duality, J Undergrad Sci 3: 47-55 (Summer 1996) [4] http://www.coltech.vnu.edu.vn/ccne/index.php/ [5] http://thuvienvatly.com/home/content/view/1502/243/ 28 ... tìm kiếm đơn cực từ trở nên sơi phịng thí nghiệm Theo lí thuyết Đi-rắc 17 ĐƠN CỰC TỪ đơn cực từ đứng yên gây từ trường, đơn cực từ chuyển động gây từ trường điện trường Vận tốc đơn cực từ lớn điện... nhận tồn đơn cực từ Chúng ta nhớ lại định lí Gau-xơ mở rộng cho mở rộng đơn cực từ  .B dV= g V (p.t 15) 12 ĐƠN CỰC TỪ Với: V thể tích bao quanh đơn cực từ g độ lớn từ tích đơn cực từ Nhiệm... thuyết Pô-li-a-cốp gọi đơn cực từ Pô-li-a-cốp, để phân biệt với đơn cực từ lí thuyết Đi-rắc Với khoảng cách đủ lớn đơn cực từ Pơ-li-a-cốp suy đơn cực từ Đi-rắc Tìm kiếm đơn cực từ từ nguồn tia vũ trụ