有單級(jí)磁體嗎

【專家解說】：　　磁單極 　　把一根磁棒截成兩段，可以得到兩根新磁棒，它們都有南極和北極。事實(shí)上，不管你怎樣切割，新得到的每一段小磁鐵總有兩個(gè)磁極。因此，人們認(rèn)為磁體的兩極總是成對(duì)的出現(xiàn)，自然界中不會(huì)存在單個(gè)磁極。 　　然而，磁和電有很多相似之處。例如，同種電荷互相推斥，異種電荷互相吸引；同名磁極也互相推斥，異名磁極也互相吸引。用摩擦的方法能使物體帶上電；如果用磁鐵的一極在一根鋼棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鋼棒磁化。但是，為什么正、負(fù)電荷能夠單獨(dú)存在，而單個(gè)磁極卻不能單獨(dú)存在呢？多年來，人們百思而不得其解。 　　1932年，著名的英國(guó)物理學(xué)家狄拉克，從理論上預(yù)言磁單極是可以獨(dú)立存在的。他認(rèn)為：“既然電有基本電荷——電子存在，磁也應(yīng)該有基本磁荷——磁單極子存在?！彼倪@一預(yù)見吸引了不少物理學(xué)家用各種方法去尋找磁單極子。人們?cè)诟鞣N物質(zhì)中，如礦物、火山灰、隕石、月球土壤中尋找磁單極子；也在加速器產(chǎn)生的粒子中尋找過磁單極子，用最先進(jìn)的方法和最精密的儀器，但都一無所獲。漸漸地，人們認(rèn)為磁單極子可能根本不存在。 　　但是，在1975年，美國(guó)科學(xué)家在高空氣球上探測(cè)宇宙射線時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了一條單軌跡。經(jīng)分析，認(rèn)為這條軌跡是磁單極子留下的痕跡。然而這并不能說明真正找到了磁單極子。1982年2月14日，美國(guó)斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家布拉斯·卡布雷拉宣布，他利用超導(dǎo)線圈發(fā)現(xiàn)了一個(gè)磁單極子，不過后來再?zèng)]有找到新的磁單極子?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)必須能經(jīng)得起多次的重復(fù)，所以，僅有這一事例還不能證實(shí)磁單極子的存在。 　　目前，尋找磁單極子的工作仍在繼續(xù)進(jìn)行，科學(xué)家們不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，提高探測(cè)儀器的精度。實(shí)現(xiàn)理想也許要經(jīng)過好幾代人的努力，這是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。 　　般看來，磁的來源總是同電相關(guān)的，即由電的運(yùn)動(dòng)(電流)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且產(chǎn)生生物質(zhì)磁性的磁矩也是同自旋和電荷相聯(lián)系的。這樣磁矩的兩個(gè)磁極(北極和南極，或稱正磁極和負(fù)磁極)便是不能分開和分離存在的。這同物質(zhì)的電性是很不相同的。因?yàn)殡娦灾屑扔须娋?帶有正電極和負(fù)電極)的存在，也有分開的正電荷和負(fù)電荷的存在。這樣就造成了磁和電的不對(duì)稱，使描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋電磁方程組也顯得不對(duì)稱，例如電通密度的散度為電荷密度，而磁通密度的散度卻為零(0)，因?yàn)橹挥写啪?，沒有分離的磁荷(磁極)。但是獲得1933度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的英國(guó)物理學(xué)家狄拉克在1931年提出了磁單極子理論。這位物理學(xué)家既在創(chuàng)建相對(duì)論性量子電動(dòng)力學(xué)理論上有過重要貢獻(xiàn)，而且還有先提出了反物質(zhì)學(xué)說、磁單極子學(xué)說和基本物理常數(shù)隨時(shí)間變化學(xué)說，其中反物質(zhì)學(xué)說已在實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)，并成為阿爾法磁譜儀的重點(diǎn)研究對(duì)象。而磁單極子學(xué)說自從1931年提出以來，到現(xiàn)在一直受到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論研究的重視。這是因?yàn)榇艈螛O子問題不僅涉及物質(zhì)磁性的一種來源，電磁現(xiàn)象的對(duì)稱性，而且還同宇宙極早期演化理論及微觀粒子結(jié)構(gòu)理論等有關(guān)，故成為科學(xué)界關(guān)注的一個(gè)重要問題。例如在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，曾利用多種高能加速器進(jìn)行許多實(shí)驗(yàn)，但都未能產(chǎn)生出磁單極子；曾對(duì)地球古代大陸巖石和海洋底巖石、從天外降落到地球上的各種隕石、從月球帶回地球的月球巖石等進(jìn)行觀測(cè)也未觀測(cè)到磁單極子及其留下的特征徑跡，曾利用高空氣球和空間飛行器上的粒了探測(cè)器探測(cè)磁單極子，在很多次探測(cè)中僅觀測(cè)到一次的粒子徑跡(圖2)，經(jīng)多方面分析研究，認(rèn)為很可能是磁單極子的徑跡，但至今尚未得到重復(fù)證認(rèn)；還曾多次在地面實(shí)驗(yàn)室中利用高靈敏度和高磁屏蔽的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)式磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁單極子的探測(cè)，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)151天的日夜不停的磁單極子探測(cè)，僅有一次觀測(cè)結(jié)果(圖3)經(jīng)仔細(xì)分析研究，排除了多種干擾，認(rèn)為是一次磁單極子事例，但是后來雖然經(jīng)過多次重復(fù)探測(cè)，并且改進(jìn)和增大了測(cè)量裝置，提高了測(cè)量靈敏度，但是都未能再觀測(cè)到磁單極子?？偟恼f來，幾十年來經(jīng)過多方面和大量的關(guān)于磁單極子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，雖然曾有過兩次可能是磁單極子的觀測(cè)事例，但都尚未能得到重復(fù)的證實(shí)。 　　在磁單極子的理論研究方面，也曾提出過多種的學(xué)說，各有其特點(diǎn)和根據(jù)。例如，除狄拉克最早提出的磁單極子學(xué)說外，還有：磁荷和電荷完全對(duì)稱并具有新的量子化條件的全對(duì)稱磁單極子學(xué)說；由著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授等提出的采用纖維叢新數(shù)學(xué)方法的量子力學(xué)磁單極子學(xué)說；應(yīng)用統(tǒng)一規(guī)范場(chǎng)理論的規(guī)范磁單極子學(xué)說；應(yīng)用愛因斯坦-麥克斯韋耦合場(chǎng)的相對(duì)論性耦合場(chǎng)磁單極子學(xué)說；應(yīng)用超弦理論和4維規(guī)范模型的超重磁單極子學(xué)說；超對(duì)稱和超弦磁單極子學(xué)說等。 　　總的看來，涉及磁學(xué)、電磁對(duì)稱、宇宙早期演化和微觀基本粒子結(jié)構(gòu)等多方面的磁單極子問題是仍需要從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論方面繼續(xù)進(jìn)行研究的科學(xué)問題。