자기 홀극 document_id A220623209014

자기 홀극(磁氣홀極, magnetic monopole)은 홀극의 꼴의 자기장을 만드는 가상의 물질 또는 입자이다. 쉽게 말해, 항상 N극과 S극을 가지고 있는 자석과 달리 N극 혹은 S극만을 가지고 있는 자석이라 생각할 수 있다. 좀 더 전문적인 용어로는, 전하가 존재하듯 자기 홀극은 일종의 자하(magnetic charge)를 지닌다. 고전적 개념으로 설명하면, 자기장은 전기장과 같이 한 점에서 끝나지 않고 항상 닫힌 고리를 만드는데, 그때 한 점에서 끝나는 자기장을 형성하는 존재가 바로 자기 홀극이다. 아직 아무도 자기 홀극을 실험적으로 발견하지 못했지만, 대부분의 대통일 이론은 자기 홀극의 존재를 예측한다. 만약 자기 홀극이 존재하면, 전하의 양자화를 설명할 수 있다. 자기 홀극의 존재가 가설화된 것은 오래전 일이다. 이를 찾기 위한 실험이 다층적이고 활발히 이루어져 왔다. 맥스웰 방정식의 대칭성을 위해서는 자기 홀극이 필요하다. 1931년 폴 디랙 은 자기 홀극이 존재한다는 가정 하에 전하의 정수배가 정당화될 수 있음을 보였다. 또한 디랙 끈이라는 개념을 이용하여 디랙 끈이 관측되지 않기 위해서는 디랙의 양자화 조건이 필요함을 보였다. 1970년대 양자전기역학을 넘어서 약력과 강력의 이론적 통합을 정당화하는 과정에서, 헤라르뒤스 엇호프트와 알렉산드르 마르코비치 폴랴코프가 게이지 대칭의 관점에서 자기 홀극을 제기했다. 또한, 자기 홀극은 초기 우주의 우주론에서도 매우 중요한 역할을 한다. 맥스웰의 이론에서는 가우스 자기 법칙에 따라 자기 홀극이 존재하지 않지만, 그 이유는 명백하지 않다. 여러 가지 측면에서, 자기 홀극은 물리현상을 설명하는 데 용이하다. 그러나 물리 세계에서는 실재하지 않는다고 여겨져 왔으나, 1894년 프랑스 과학자 피에르 퀴리는 자기 홀극이 존재할 수 있다고 믿었다. 자기 홀극의 성질은 좀 더 높은 에너지 눈금에서의 물리 법칙에 따라 결정되는데, 이 에너지 눈금은 너무 커서 현존하는 입자가속기가 만들 수 있는 에너지보다 훨씬 크다. 자기 홀극은 안정적이어서 다른 입자로 붕괴하지 않으며, 전자기 상호작용을 느끼므로 실험실에서 쉽게 연구할 수 있다. 자기 홀극이 발견되면, 대통일 이론을 쉽게 실험적으로 검증할 수 있지만, 아직까지는 아무도 자기 홀극을 발견하지 못했다. 오늘날 자기 홀극은 물리학에서 활발한 연구 주제이다. 론 >> 고전 전자기학에서의 자기 홀극 맥스웰 방정식은 전기장과 자기장 그리고 전하의 움직임을 기술하는 식이다. 이 식은 다른 자연 법칙처럼 대칭성을 갖지만, 이 대칭성이 완벽한 것은 아니다. 자기 홀극이 없을 경우 맥스웰 방정식은 완벽한 대칭성을 띄지 못한다. 가우스 자기 법칙에 따르면, 자기력선은 항상 폐곡선을 이루고, 이에 따라 자기 홀극은 존재할 수 없다. 하지만 이것은 자기 홀극의 존재를 부정한다기보다 자기 홀극의 존재를 간절히 바라는 듯한 모습이다. 이에 대해서 지난 세월 동안 많은 물리학자들은 의심을 품어왔고, 이 대칭의 결함에 대한 해결책을 찾았다. 그럼에도 불구하고 맥스웰 방정식은 다음과 같은 대칭성을 가진다. 현재까지 알려진 자기장을 만드는 물질(자석)은 모두 자기 쌍극자이거나 더 고차원의 극의 형태를 가진다. 수학적 형태로는 다중극 전개를 통해 표현할 수 있다. 자기장의 경우, 이때 자기 홀극 모멘트는 0이다. 반면, 맥스웰 방정식 중 전자기장의 가우스 법칙은 전기 홀극의 존재를 허용한다. 정전기를 띤 모든 물질, 나아가 정전하를 띤 점입자는 전기 홀극으로 작용한다. 이와 같이 대칭성의 보존을 위하여 우리는 자기 홀극이라는 개념을 생각해낼 수 있다. 맥스웰 방정식을 자기 홀극을 도입하여 국제단위계로 쓰면 다음과 같다. 여기서 “웨버 단위” 및 “암페어 미터 단위”는 자하(magnetic charge)의 단위를 어떻게 잡는지 가능한 두 가지 관례다. 으로 되어, 자기 홀극은 존재하지 않는다. 디랙 양자화 일반적으로, 자기 홀극이 존재하면 전기 홀극의 가능한 전하가 양자화되고, 반대로 전기 홀극이 존재하면 자기 홀극의 가능한 자하가 양자화된다. 이를 디랙 양자화(Dirac quantization)라고 한다. 디랙 끈의 벡터 퍼텐셜은 다음과 같다. ightVert -mathbf{r}cdotmathbf{k}} . 이 벡터 퍼텐셜은 솔레노이드 위에서 특이점을 지니는데, 이는 양자역학에서 벡터 퍼텐셜과 파동 함수의 위상과의 관계에서 기인한다. 토머스 영의 간섭 실험을 생각해 보자. 두 틈새 사이로 누군가가 디랙 선을 놓았다고 하면, 디랙 선이 가진 벡터 퍼텐셜의 영향으로 파동 함수의 간섭 중첩은 delta x 만큼 이동할 것이다. 그리고 이 때 만약 위상의 차가 2pi의 정수배라면, 이는 물리적으로 관측할 수 없다. 이로부터 다음 조건을 도출할 수 있다. 이를 디랙 양자화 조건(Dirac quantization condition)이라고 한다. 이에 따라, 자기 홀극이 존재하면, 전하는 필연적으로 양자화된다. 이로써 전자와 양성자의 전하가 (부호를 제외하고) 정확히 같다는 사실을 설명할 수 있다. 와 같이 된다. 이를 위튼 효과(Witten effect)라고 하고, 에드워드 위튼이 발견하였다. 고슴도치 모형의 자하는 다음과 같다. 이는 디랙 양자화 조건과 일치한다. 끈 이론에서의 자기 홀극 자기 홀극은 D-막으로 나타낼 수 있다. 톰 키블은 1976년에 키블 메커니즘을 발표하였다. 2차원에서 생각해 보면, 빅뱅 당시에 힉스 장은 상관거리 ζ 내에서 무작위한 방향으로 존재할 것이다. 그러므로 우리는 ζ 단위의 무작위한 우주의 단위를 생각할 수 있다. 이 때 서로 마주는 두 블록은 서로 상호작용한다. 그리고 마주한 영역의 힉스 장은 서로 연속한 방향성을 가지게 된다. 하지만 만약 세 개의 영역이 만나는 한 점을 생각하면, 이 점은 위상학적 결함(topological defect)이 된다. 이러한 점이 바로 자기 홀극 또는 반자기 홀극에 해당한다. 이와 같이, 초기 우주에서는 자기 홀극이 상당히 많이 생성되며, 이에 따라 오늘날 자기 홀극의 밀도가 상당히 높아 쉽게 관측될 수 있어야 한다. 하지만 실제로 자기 홀극은 관측된 적이 없는데, 이 문제를 자기 홀극 문제(magnetic monopole problem)라고 한다. 자기 홀극 문제는 급팽창 이론의 주요 도입 목적 가운데 하나다. 급팽창 이론에 따르면, 초기 우주는 급격히 팽창하여, 자기 홀극 밀도를 관측 가능량 미만으로 희석시킨다. 실험 자기 홀극을 발견하려는 여러 실험들이 진행되었으나, 아직 자기 홀극이 존재한다는 확실한 증거는 없다. 1982년 2월 14일에 스탠퍼드 대학교 블라스 카브레라(Blas Cabrera)의 그룹은 자기 홀극인 것처럼 보이는 데이터를 기록하였고, 이는 발견일을 따서 밸런타인데이 홀극(Valentine’s Day monopole)이라고 불리게 되었다. 그러나 그 뒤 이와 유사한 데이터는 기록되지 않았다. 실험적으로 자기 홀극을 발견하려면 크게 세 가지 방법이 있다. 직접적인 자기 홀극을 관측하기 위해 주로 다음의 세 가지 방법을 실험에서 사용한다. 첫째, 초전도체 고리를 사용한다. 자기 홀극이 초전도체 고리를 지나가면 자기장의 변화가 초전도체 고리에 유도 전류를 만들고, 이것은 자기 홀극의 존재를 증명하게 된다. 둘째, 강한 자기장을 가진 자기 홀극의 성질을 이용한다. 원자 내의 전자들은 스핀을 가지고 있어 자기 홀극과 척력 또는 인력이 작용한다. 척력이 작용할 경우 원자에 속박된 전자들이 튀어나와 어떤 자취를 그리게 되고, 관측기를 통해 그 움직임을 검출할 수 있다. 셋째, 자기 홀극이 양성자 붕괴의 촉매 역할을 할 수 있다. 따라서 양성자 붕괴를 관측하여 자기 홀극의 존재를 증명할 수 있다.