ચુંબકીય એકધ્રુવ (magnetic monopole)

January, 2012

ચુંબકીય એકધ્રુવ (magnetic monopole) : ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રોટૉન જેવા વિદ્યુતકણને અનુરૂપ અને ઉત્તર અથવા દક્ષિણ ચુંબકીય વિદ્યુતભાર ધરાવતો કાલ્પનિક ચુંબકીય કણ. ચુંબકીય એક ધ્રુવનું પ્રતિપાદન સંરક્ષણ (conservation) અને સંમિતીય (symmetry) નિયમોને આધારે થયેલું છે. સ્થિર વિદ્યુતભાર વિદ્યુતક્ષેત્ર અને ગતિ કરતો વિદ્યુતભાર ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે. ચુંબકીય કણ પણ સ્થિર હોય ત્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને ગતિ કરે ત્યારે વિદ્યુત ક્ષેત્ર પેદા કરે છે. ચુંબકીય એકધ્રુવની વિભાવનાથી ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી અને ચિરપ્રતિષ્ઠિત વિદ્યુતચુંબકીય સિદ્ધાંત(classical electromagnetic theory)ના ક્ષેત્રે કોઈ વિસંગતતા ઊભી થતી નથી; પરંતુ ક્વૉન્ટમ વિદ્યુતગતિકીના સૈદ્ધાંતિક પાયા ઉપર તેની ઘેરી અસર થાય છે. ચુંબકીય એકધ્રુવવાળા કણનું અસ્તિત્વ સ્વીકારવામાં આવે તો જ મૅક્સવેલનાં સમીકરણો સંપૂર્ણપણે સંમિતીય ઠરે છે.

ઈ. સ. 1862માં મૅક્સવેલે વિદ્યુત-ચુંબકત્વના નિયમોને સ્પષ્ટ કર્યા. આ નિયમો ચાર વિકલન સમીકરણોના રૂપમાં છે. સમય અને સ્થળ સાથે વિદ્યુતક્ષેત્ર અને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં થતા ફેરફારના દર, મૅક્સવેલના નિયમો વડે દર્શાવાય છે. વિદ્યુતક્ષેત્ર અને ચુંબકીય ક્ષેત્રનું એકત્વ હોવા છતાં મૅક્સવેલનાં સમીકરણો અસંમિતિ (asymmetry) ધરાવે છે. જેમકે, વિદ્યુતક્ષેત્ર નું સમીકરણ છે. જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર સમીકરણ છે. વિદ્યુતક્ષેત્રનું સમીકરણ દર્શાવે છે કે મુક્ત વિદ્યુતભાર શક્ય છે, જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્રના સમીકરણ અનુસાર મુક્ત ચુંબકીય એકધ્રુવ શક્ય નથી. વિશ્વમાં સરેરાશ ચુંબકીય ક્ષેત્રનું મૂલ્ય વધુ હોય ત્યાં પ્રોટૉન માટેના ચુંબકીય-ભારનું મૂલ્ય વધુ હશે. પી. એ. એમ. ડીરાક અનુસાર વિદ્યુતભારનું ક્વૉન્ટમીકરણ દર્શાવતું સમીકરણ   હોવું જોઈએ. અહીં પ્લાંકનો અચળાંક અને g = ચુંબકીય એકધ્રુવ પરનો વિદ્યુતભાર દર્શાવે છે. આ સમીકરણ અનુસાર ચુંબકીય વિદ્યુતભાર gનું મૂલ્ય જાણતા હોઈએ તો જ ઇલેક્ટ્રૉનના વિદ્યુતભારનું મૂલ્ય (e) મેળવી શકાય છે. આ રીતે, વિદ્યુતભારનું ક્વૉન્ટમીકરણ સહેલાઈથી સમજી શકાય.

 મૂલ્ય જાણીતું છે. આથી લખી શકાય કે

ડીરાકે પ્રતિપાદિત કર્યું કે ચુંબકીય એકધ્રુવ અસ્તિત્વ ધરાવી શકે છે. ડીરાકે દર્શાવ્યું કે ચુંબકીય એકધ્રુવ અસ્તિત્વ ધરાવે તો મૅક્સવેલનાં સમીકરણોની અસંમિતિ દૂર થાય એટલું જ નહિ પણ વિદ્યુતભારનું ક્વૉન્ટમીકરણ પણ સરળતાથી સમજાવી શકાય. જો ઇલેક્ટ્રૉન માટે વિદ્યુતભારનું મૂલ્ય qe = -e અને તેના પરનો ચુંબકીય ભાર qm = 0 લેવામાં આવે તો પ્રોટૉન માટેના વિદ્યુતભારનું મૂલ્ય qe = +e અને ચુંબકીય ભારનો માનાંક(modulus) અથવા ધન કિંમત,

| qm (પ્રોટૉન અથવા ન્યુટ્રૉન) | < 2 × 10–24 e

મેળવી શકાય. પૃથ્વીની સપાટી પર સરેરાશ ચુંબકીય ક્ષેત્રનું મૂલ્ય 1 ગૉસ કરતાં ઓછું હોવાને લીધે પ્રોટૉન માટે ચુંબકીય ભાર qmનું મૂલ્ય અતિ-અલ્પ છે.

ચુંબકીય એકધ્રુવનું નિરૂપણ નીચે પ્રમાણે કરી શકાય :

(1) અનંત લાંબી ચુંબકીય દ્વિ-ધ્રુવોની રેખાનો એક છેડો અથવા (2) ચુસ્ત રીતે લપેટવામાં આવેલ અનંત લંબાઈ ધરાવતી પરનલિકા-(solenoid)નો એક છેડો.

પૃથ્વી પર સામાન્ય પદાર્થ માટે qm = 0 પરંતુ અસ્થિર અથવા ખૂબ જ અલ્પજીવી (short lived) કણ માટે qm ≠ 0 સંભવી શકે છે. વિશ્વમાં અન્યત્ર પણ qm ≠ 0 સંભવી શકે છે. આવી શક્યતાને ધ્યાનમાં રાખી બાહ્ય અવકાશમાંનાં કૉસ્મિક કિરણો, ચંદ્ર પરના ખડકો કે પ્રવેગકોમાં ઉત્પન્ન થતા અલ્પજીવી કણ પર ચુંબકીય એકધ્રુવ માટે સંશોધન ચાલે છે; પરંતુ હજુ સુધી ચુંબકીય એકધ્રુવનું અસ્તિત્વ પ્રાયોગિક રીતે સાબિત કરી શકાયું નથી.

સામાન્યત: કુદરતના નિયમો સંમિતિ ધરાવતા હોય છે. વિદ્યુત ચુંબકત્વ માટેના મૅક્સવેલના વર્તમાન નિયમો અસંમિતિ ધરાવે છે. ફક્ત વિદ્યુતભારથી જ વિદ્યુત અને ચુંબકત્વ સાથે સંકળાયેલી ઘટનાઓ પેદા થતી હોય તો ચુંબકીય એકધ્રુવ નકારી શકાય. પ્રથમ નજરે દેખાતી અસંમિતિ ખરેખર કોઈ અજ્ઞાત ગૂઢ સંમિતિનું પરિણામ પણ હોઈ શકે.

બી. આઈ. શેઠ

પ્રહલાદ છ. પટેલ