什么是磁單極？

熱心網(wǎng)友：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。事實上，不管你怎樣切割，新得到的每一段小磁鐵總有兩個磁極。因此，人們認為磁體的兩極總是成對的出現(xiàn)，自然界中不會存在單個磁極。 　　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、負電荷能夠單獨存在，而單個磁極卻不能單獨存在呢？多年來，人們百思而不得其解。 　　1932年，著名的英國物理學(xué)家狄拉克，從理論上預(yù)言磁單極是可以獨立存在的。他認為：“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。人們在各種物質(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，用最先進的方法和最精密的儀器，但都一無所獲。漸漸地，人們認為磁單極子可能根本不存在。 　　但是，在1975年，美國科學(xué)家在高空氣球上探測宇宙射線時，意外地發(fā)現(xiàn)了一條單軌跡。經(jīng)分析，認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)了一個磁單極子，不過后來再沒有找到新的磁單極子?？茖W(xué)實驗必須能經(jīng)得起多次的重復(fù)，所以，僅有這一事例還不能證實磁單極子的存在。 　　目前，尋找磁單極子的工作仍在繼續(xù)進行，科學(xué)家們不斷改進實驗方法，提高探測儀器的精度。實現(xiàn)理想也許要經(jīng)過好幾代人的努力，這是一項長期而艱巨的任務(wù)。一般看來，磁的來源總是同電相關(guān)的，即由電的運動(電流)產(chǎn)生磁場，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。這樣磁矩的兩個磁極(北極和南極，或稱正磁極和負磁極)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。因為電性中既有電矩(帶有正電極和負電極)的存在，也有分開的正電荷和負電荷的存在。這樣就造成了磁和電的不對稱，使描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋電磁方程組也顯得不對稱，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)，因為只有磁矩，沒有分離的磁荷(磁極)。但是獲得1933度諾貝爾物理學(xué)獎的英國物理學(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)建相對論性量子電動力學(xué)理論上有過重要貢獻，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)隨時間變化學(xué)說，其中反物質(zhì)學(xué)說已在實驗上得到證實，并成為阿爾法磁譜儀的重點研究對象。而磁單極子學(xué)說自從1931年提出以來，到現(xiàn)在一直受到實驗觀測和理論研究的重視。這是因為磁單極子問題不僅涉及物質(zhì)磁性的一種來源，電磁現(xiàn)象的對稱性，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)注的一個重要問題。例如在實驗觀測方面，曾利用多種高能加速器進行許多實驗，但都未能產(chǎn)生出磁單極子；曾對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行觀測也未觀測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器探測磁單極子，在很多次探測中僅觀測到一次的粒子徑跡(圖2)，經(jīng)多方面分析研究，認為很可能是磁單極子的徑跡，但至今尚未得到重復(fù)證認；還曾多次在地面實驗室中利用高靈敏度和高磁屏蔽的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)式磁強計進行磁單極子的探測，進行了長達151天的日夜不停的磁單極子探測，僅有一次觀測結(jié)果(圖3)經(jīng)仔細分析研究，排除了多種干擾，認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，并且改進和增大了測量裝置，提高了測量靈敏度，但是都未能再觀測到磁單極子?？偟恼f來，幾十年來經(jīng)過多方面和大量的關(guān)于磁單極子的實驗觀測，雖然曾有過兩次可能是磁單極子的觀測事例，但都尚未能得到重復(fù)的證實。 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：磁荷和電荷完全對稱并具有新的量子化條件的全對稱磁單極子學(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-麥克斯韋耦合場的相對論性耦合場磁單極子學(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；超對稱和超弦磁單極子學(xué)說等。 總的看來，涉及磁學(xué)、電磁對稱、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驗觀測和理論方面繼續(xù)進行研究的科學(xué)問題。