Специальная теория относительности может объяснить происхождение магнитных полей

Магнитные поля играют важнейшую роль в масштабах от субатомного до космического, от спинов элементарных частиц до скоплений галактик. Люди давно научились создавать магнитные поля и управлять ими, нашли им множество применений от компьютеров до кредитных карточек — но у учёных до сих пор нет единой теории, которая объясняла бы, как магнитные поля изначально появились во Вселенной. Авторы новой работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, выдвигают любопытное предположение: начальным механизмом генерации магнитных полей могли стать искривления пространства-времени в рамках специальной теории относительности.

Магнитные поля создаются намагниченными объектами или изменениями электрических полей. Магнитное поле является вихревым, «закрученным», и в силу этого обладает такой топологической характеристикой, как спиральность. В идеальной динамике спиральность поля является сохраняющейся величиной, то есть вихревое поле не может возникнуть из начального нуля, из ниоткуда.

Чтобы как-то обойти это ограничение, учёные в последние годы обратились к неидеальной динамике. На роль прародителя магнитных полей предлагались самые разные неидеальные механизмы — например, так называемые бароклинные эффекты, квантовохромодинамические фазовые переходы и эффекты, связанные с излучением. Пока что очевидно лишь, что все эти явления играют определённую роль при генерации магнитных полей в разных пространственных масштабах, но главного универсального механизма так и не найдено.

В своей статье Свадеш Махаджан из Университета Техаса в Остине, США, и Дзэнсё Ёсида из Токийского университета (Япония) предложили совершенно новый подход к решению этой проблемы. Они доказали, что вихревое поле — в том числе и магнитное — может возникать «из ниоткуда» и в строго идеальной динамике, если речь идет об искривлении пространства-времени, описываемом специальной теорией относительности (СТО) Эйнштейна. Порождённое таким образом магнитное поле может в дальнейшем усиливаться, порождая новые, большие по размерам магнитные поля.

Как удалось показать Махаджану и Ёсиде, в рамках СТО можно обойти топологические ограничения, которые запрещают создание магнитных полей. Релятивистские искажения пространства-времени могут изменить сам порядок взаимодействия неоднородных полей с неоднородной энтропией. Хотя другие механизмы, конечно, тоже могут играть роль в возникновении магнитных полей, новый релятивистский подход очень привлекателен именно как универсальное объяснение происхождения магнитных полей во Вселенной. В первую очередь он должен работать в высокорелятивистских средах — например, плазме из частиц и античастиц, плазме в магнитосферах нейтронных звёзд и тому подобном. Даже в нерелятивистских плазмах этот механизм способен доминировать над всеми остальными, пока индукция магнитного поля не снизится до величин порядка 1 гаусса — примерно вдвое больше индукции магнитного поля Земли.

Если это окажется действительно так, учёные получат в свои руки эффективный инструмент для разрешения многих неразгаданных тайн Вселенной — решение вопроса о вселенском происхождении магнитных полей сможет пролить свет на свойства больших физических систем и, возможно, серьёзно продвинуть вперёд наши представления о геометрии пространства-времени. Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на prl.aps.org.