磁单极子,存在或不存在?

来源: 原理

发布日期: 2016-07-22 10:30:46

本文探讨了磁单极子的概念及其在物理学中的重要性,包括历史上的理论发展和实验尝试。文章指出,尽管理论上有磁单极子的存在可能,但至今仍未在自然界中发现其踪迹,实验结果也未能提供确凿证据。

电和磁这两个概念我们再熟悉不过了。电有正电荷和负电荷,电荷之间同性相斥、异性相吸。同样的,磁也有北极和南极。但是它们却有着根本性的不同:电有独立的电荷,比如电子;而磁却没有独立的磁荷。磁铁的南北极总是同时存在的,如果你把一块磁铁断开,你并不会得到两个独立的南磁极和北磁极,而是两个分别具有南北磁极的小磁铁。

在物理上,相距很近但符号相反的一对电荷或磁荷被称之为偶极子。如果只有一个出现,就称之为单极子。电单极很普遍,任何一个带有电荷的基本粒子都是,比如电子或者夸克。但是磁单极子?到目前为止,我们还从未在自然界发现它的踪迹。

如果电荷正在移动,即电流,它会产生垂直于电荷移动方向的磁场。如果电流沿一根笔直电线通过,磁场就会环绕着电线产生。如果把带电流的电线闭合成一个回路或线圈,就会在里面产生磁场。如果线圈里的磁场改变了,就会产生电流!这就是电磁感应,法拉第在150多年前就发现了。

所以,我们有电荷、电流和电场,但是从来没有磁荷和磁流,只有磁场。通过改变磁场可以驱使电子移动,但是你不可以通过改变电场来使磁荷移动,因为磁荷并不存在。换句话说,宇宙中的电和磁之间有着基本的不对称性。这也是为什么麦克斯韦方程中电场(E)和磁场(B)方程看起来如此的不同。

现在我们假设,自然界中的确有磁荷和磁流的存在,只是我们还没发现它们。如果磁单极子的确存在,那么麦克斯韦方程看起来会是这样的(微分形式)。一旦允许磁单极子存在,除了一些基本常数的不同,麦克斯韦方程看起来非常对称!

1931年,狄拉克正忙于研究新的空穴理论,他向《皇家学会学报》递交了一篇引人注目的论文,题为“电磁场的量子化异常”。该论文将3个新假设的亚原子粒子引入到物理学当中,它们分别是:正电子、反质子和磁单极子。狄拉克最初的目标并不是为了创立一个磁单极子的理论,它的出现似乎只是一个偶然结果。

到了1970年代,物理学家开始把注意力集中在大统一理论上。1974年以后,当特霍夫特('t Hooft)和坡里亚可夫(Polyakov)证明规范场理论【例如SU(5)】预言了磁单极子时,很多人对这些磁极表示了极大的关注。那么重点是,我们要怎么寻找它?

1982年2月,情人节那天,卡布雷拉并没有到实验室工作。而当他再次回到办公室的时候,惊讶地发现仪器恰恰在情人节这天记录到了一个8磁子的信号。这个发现引起了物理学界广泛的讨论。此后,卡布雷拉建造了更为大型的探测器,想要寻找更多这样的信号,却再也没有找到。

现在仍然有许多的实验在寻找磁单极子,但至今仍然毫无收获。尽管从美学的角度出发,我们渴望着磁单极子的存在,但或许自然在某些程度上就是不对称的。磁单极子,存在,还是不存在?我们无法给出答案,这是一个只有依靠实验才能解决的问题。

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