[科普中國(guó)]-磁菏

簡(jiǎn)介概念

人們假定，在N極上聚集著正磁荷，在S極上聚集著負(fù)磁荷。由此可以將磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象類(lèi)比，得出一系列相似的定律，引入相似的概念。例如磁的庫(kù)侖定律、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁勢(shì)、磁偶極矩等。

與分子電流觀點(diǎn)的等效性安培提出“分子電流”假說(shuō)，開(kāi)啟了近代磁學(xué)，這實(shí)際上是否定了原先流行的磁荷觀點(diǎn)。在分子電流觀點(diǎn)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B是基本量，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H是輔助量；在磁荷觀點(diǎn)中則正好相反。現(xiàn)在科學(xué)界普遍認(rèn)為分子電流觀點(diǎn)更好地揭示了磁現(xiàn)象的本質(zhì)。

但是在計(jì)算磁介質(zhì)的磁化時(shí)兩種觀點(diǎn)是等效的：即無(wú)論采用哪種觀點(diǎn)，在自己的體系內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，可以得到同樣的宏觀效果。

磁荷及磁單極子的理論否定由于從正電荷和負(fù)電荷定義出發(fā)所得到的電磁學(xué)和電動(dòng)力學(xué)理論的巨大成功，許多物理學(xué)家堅(jiān)信磁場(chǎng)也應(yīng)相對(duì)應(yīng)地由磁荷或磁單極子產(chǎn)生。這種假設(shè)在無(wú)法深究物質(zhì)的基本粒子組成性的經(jīng)典物理范疇是合情合理的。一旦將電荷的物質(zhì)來(lái)源歸結(jié)到電子和質(zhì)子后，電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間就毫無(wú)共同之處。

帶正電的點(diǎn)電荷是其中過(guò)剩的正離子（質(zhì)子）的宏觀表現(xiàn)；帶負(fù)電的點(diǎn)電荷是其中過(guò)剩的電子的宏觀表現(xiàn)。

經(jīng)典物理認(rèn)為：點(diǎn)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)電荷產(chǎn)生蝸旋磁場(chǎng)。與之對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代物理解釋則是：電子（或質(zhì)子）產(chǎn)生電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的電子（或運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子）產(chǎn)生磁場(chǎng)。由此可見(jiàn)，電子的單位負(fù)電場(chǎng)的物質(zhì)來(lái)源是電子所具有的單位負(fù)電荷，無(wú)論電子運(yùn)動(dòng)與否，都將產(chǎn)生單位負(fù)電場(chǎng)。電子的磁場(chǎng)則完全不同：靜止電子不產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此其內(nèi)部沒(méi)有磁場(chǎng)源；運(yùn)動(dòng)電子產(chǎn)生蝸旋磁場(chǎng)，因此其內(nèi)部增加了由外力能量轉(zhuǎn)換而來(lái)的磁場(chǎng)源，并且由這個(gè)磁場(chǎng)源所產(chǎn)生的磁場(chǎng)永遠(yuǎn)是蝸旋場(chǎng)，根本沒(méi)有磁荷或磁單極子存在。由此得到結(jié)論：運(yùn)動(dòng)電子將加速外力的能量轉(zhuǎn)換為其內(nèi)部的磁能物質(zhì)源（滿足質(zhì)能轉(zhuǎn)換定律），該磁源只產(chǎn)生蝸旋磁場(chǎng)。

磁單極子歷史英國(guó)物理學(xué)家保羅·迪拉克（Paul Dirac）早在1931年利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言了磁單極粒子的存在。當(dāng)時(shí)他認(rèn)為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么理應(yīng)帶有基本“磁荷”的粒子存在。從而啟發(fā)了許多物理學(xué)家開(kāi)始了他們尋找磁單極粒子的工作。通過(guò)種種方式尋找磁單極粒子包括使用粒子加速器人工制造磁單極子均無(wú)收獲。1975年，美國(guó)的科學(xué)家利用高空氣球來(lái)探測(cè)地球大氣層外的宇宙輻射時(shí)偶爾發(fā)現(xiàn)了一條軌跡，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們分析認(rèn)為這條軌跡便是磁單極粒子所留下的軌跡。1982年2月14日，在美國(guó)斯坦福大學(xué)物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣稱(chēng)他利用超導(dǎo)線圈發(fā)現(xiàn)了磁單極粒子，然而事后他在重復(fù)他先前的實(shí)驗(yàn)時(shí)卻未得到先前探測(cè)到的磁單極粒子，最終未能證實(shí)磁單極粒子的存在。因此不少科學(xué)家認(rèn)為磁極在宇宙中總是南北兩極互補(bǔ)分離，成對(duì)的出現(xiàn)，對(duì)磁單極粒子的存在質(zhì)疑。也有理論認(rèn)為，磁單極粒子不是以基本粒子的形式存在，而是以自旋冰(spin ice)等奇異的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的出射粒子的形式存在。

概念這是一種到目前為止還基本上只是存在于理論之中的物質(zhì)，如果找到了它們，不僅現(xiàn)有的電磁理論要作重大修改，而且物理學(xué)和天文學(xué)的許多基礎(chǔ)理論也都將得到重大發(fā)展。

磁單極粒子作為物質(zhì)的基本構(gòu)成，它的單獨(dú)存在可能非常困難，或者可能極其微弱以致無(wú)法測(cè)量，從二元論的角度分析可能會(huì)更合理些，如純的吸引性粒子和純的排斥性粒子，曾經(jīng)作過(guò)廣泛的探查 ，而且每當(dāng)粒子加速器開(kāi)拓新能區(qū)或發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)源（例如從月球上取來(lái)巖石）都要重新進(jìn)行磁單極粒子的的搜索。1982年采用超導(dǎo)量子干涉器件磁強(qiáng)計(jì)探測(cè)到一起磁單極粒子的事例，但還不足以肯定其存在。

在磁單極粒子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極粒子學(xué)說(shuō)外，還有其他一些科學(xué)家也曾提出過(guò)多種的學(xué)說(shuō)，各有其特點(diǎn)和根據(jù)。如著名的美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米也曾經(jīng)從理論上探討過(guò)磁單極粒子，并且也認(rèn)為它的存在是可能的。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一些著名的科學(xué)家，也從不同方面和不同程度地對(duì)磁單極粒子理論做出了補(bǔ)充和完善。它們彌補(bǔ)了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極粒子的設(shè)想輔以更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1

質(zhì)疑在經(jīng)典電磁理論中，磁是由電流和變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的，磁南極和磁北極總是同時(shí)存在的，不存在磁單極子。如果我們將帶有磁性的金屬棒截?cái)酁槎?，新得到的兩根磁棒則會(huì)“自動(dòng)地”產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，重新編排磁場(chǎng)的北極、南極，原先的北極南極兩極在截?cái)啻虐艉髸?huì)轉(zhuǎn)換成四極各磁棒一南一北。如果繼續(xù)截下去，磁場(chǎng)也同時(shí)會(huì)繼續(xù)改變磁場(chǎng)的分布，每段磁棒總是會(huì)有相應(yīng)的南北兩極。

需求與來(lái)源1931年P(guān).A.M.狄拉克從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)相位不確定性出發(fā)，得出磁單極子存在的條件，可用以說(shuō)明電荷量子化這個(gè)理論上無(wú)法說(shuō)明的事實(shí)。20世紀(jì)70年代以后建立起來(lái)的大統(tǒng)一理論以及早期宇宙的研究都要求存在磁單極子，磁單極子的質(zhì)量重達(dá)1016吉電子伏特/光速2（GeV/C2）。實(shí)驗(yàn)上探測(cè)磁單極子成為檢驗(yàn)粒子物理大統(tǒng)一理論和天體物理宇宙演化理論的重要依據(jù)。 一些大統(tǒng)一理論也預(yù)言了磁單極子的存在：不同于基本粒子，磁單極子是孤波（局域能量包）。使用這些模型去估計(jì)大爆炸中產(chǎn)生的磁單極子的數(shù)目，得到的最初結(jié)果與對(duì)宇宙的觀察結(jié)果相矛盾--磁單極子是如此的多而巨大，它們甚至可以阻止宇宙的膨脹。然而宇宙暴漲理論(也是這個(gè)理論被提出的原因之一)成功地解決了這問(wèn)題。這個(gè)理論建立了一個(gè)模型，使得磁單極子在宇宙中存在，但數(shù)量極少的能夠與實(shí)際觀測(cè)相符合。

發(fā)展磁單極粒子理論自提出以來(lái)迄今，已逾半個(gè)多世紀(jì)，長(zhǎng)期不能被證實(shí)，也不能被否定，這在科學(xué)史上是罕見(jiàn)的，因?yàn)橐话愕目茖W(xué)假設(shè)如果在這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)未被證實(shí)，人們就會(huì)將此假設(shè)否定或放棄。那么，對(duì)于經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)的探尋，基本上可以說(shuō)是沒(méi)有什么突破性進(jìn)展的磁單極粒子，人們是否最終也同樣會(huì)放棄尋找呢？2

曙光在對(duì)磁單極粒子進(jìn)行尋找的過(guò)程中，人們“收獲”到的總是一次又一次地失望。不過(guò)，在一次又一次沉重、濃郁的失敗的晦暗中間，也曾不時(shí)地閃現(xiàn)過(guò)一兩次美妙的希望曙光。

有一些物理學(xué)家認(rèn)為，磁單極粒子對(duì)周?chē)镔|(zhì)有很強(qiáng)的吸引力，所以它們?cè)诟泄獾装迳蠒?huì)留下又粗又黑的痕跡。根據(jù)這一特點(diǎn)，1975年，美國(guó)的一個(gè)科研小組，用氣球?qū)⒏泄獾装逅偷娇諝鈽O其稀薄的高空，經(jīng)過(guò)幾晝夜宇宙射線的照射，發(fā)現(xiàn)感光底板上真的有又粗又黑的痕跡，他們欣喜若狂，于是迫不及待地在隨后召開(kāi)的一次國(guó)際會(huì)議上聲稱(chēng)，他們找到了磁單極粒子。但是，對(duì)于那是否真的是磁單極粒子留下的痕跡，會(huì)上爭(zhēng)論很大，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為那些痕跡很明顯是重離子留下的，但試驗(yàn)者還是堅(jiān)持認(rèn)為那是磁單極粒子留下的“杰作”。雙方為此展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論，誰(shuí)也說(shuō)服不了誰(shuí)。所以，到目前為止，這些痕跡到底是誰(shuí)留下的，還是樁難以了斷的“懸案”。

1982年，美國(guó)物理學(xué)家凱布雷拉宣布，在他的實(shí)驗(yàn)儀器中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)磁單極粒子。他采用一種稱(chēng)為超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了151天的實(shí)驗(yàn)觀察記錄，經(jīng)過(guò)周密分析，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與磁單極粒子理論所提出的磁場(chǎng)單極粒子產(chǎn)生的條件基本吻合，因此他認(rèn)為這是磁單極粒子穿過(guò)了儀器中的超導(dǎo)線圈。不過(guò)由于以后沒(méi)有重復(fù)觀察到類(lèi)似于那次實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，所以這一事例還不能確證磁單極粒子的存在。

最近，一組由中國(guó)、瑞士、日本等多國(guó)的科學(xué)家組成的研究小組報(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了磁單極粒子存在的間接證據(jù)，他們?cè)谝环N被稱(chēng)為鐵磁晶體的物質(zhì)中觀察到反常霍爾效應(yīng)，并且認(rèn)為只有假設(shè)存在磁單極粒子才能解釋這種現(xiàn)象。德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)研究中心的研究人員在德國(guó)德累斯頓大學(xué)、圣安德魯斯大學(xué)、拉普拉塔大學(xué)及英國(guó)牛津大學(xué)同事的協(xié)作下，首次觀測(cè)到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實(shí)際材料中出現(xiàn)的過(guò)程。該研究成果發(fā)表在9月3日出版的《科學(xué)》雜志上。

科學(xué)家們?cè)ㄟ^(guò)種種方式尋找磁單極子，包括使用粒子加速器人工制造磁單極子，但均無(wú)收獲。此次，德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應(yīng)堆中進(jìn)行了一次中子散射實(shí)驗(yàn)。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結(jié)晶成相當(dāng)顯著的幾何形狀，也被稱(chēng)為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實(shí)材料內(nèi)部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式意大利面條”，此名得自于偶極子本身的次序。如此一個(gè)可控的管(弦)網(wǎng)絡(luò)就可通過(guò)磁通量的傳輸?shù)靡孕纬桑@些弦可通過(guò)與自身攜帶磁矩的中子進(jìn)行反應(yīng)觀察到，于是中子就可作為逆表示的弦進(jìn)行散射。 在中子散射測(cè)量過(guò)程中，研究人員對(duì)晶體施加一個(gè)磁場(chǎng)，利用這個(gè)磁場(chǎng)就可影響弦的對(duì)稱(chēng)和方向，從而降低弦網(wǎng)絡(luò)的密度以促成單極子的分離。結(jié)果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見(jiàn)的，并在其兩端出現(xiàn)了磁單極子。 研究人員也在熱容量測(cè)量中發(fā)現(xiàn)了由這些單極子組成的氣體的特征。這進(jìn)一步證實(shí)了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。

特別值得一提的是，科學(xué)家雖然在實(shí)驗(yàn)上尋找磁單極粒子時(shí)總是“掃興而歸”，但在預(yù)言磁單極粒子存在的理論卻不斷有創(chuàng)新。如海嘯是一種駭人的自然現(xiàn)象，它常常導(dǎo)致海洋中產(chǎn)生一種異常穩(wěn)定的孤立波，即孤立子。這種孤立子在波濤洶涌的大海中幾乎不受其它任何外來(lái)事物的干擾，永葆自己的波形和能量，不停地涌向遠(yuǎn)方。前蘇聯(lián)物理學(xué)家鮑爾雅科夫和荷蘭科學(xué)家特霍夫脫在對(duì)弱力和電磁力的關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在弱電場(chǎng)(弱力和電磁力是這種場(chǎng)的不同表現(xiàn))中，會(huì)發(fā)生“場(chǎng)嘯”，每次場(chǎng)嘯將產(chǎn)生與孤立子類(lèi)似的粒子，他們認(rèn)為這種粒子極有可能就是磁單極粒子。3