什么是磁单极子?

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什么是磁单极子?
目前没有找到
这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质,如果找到了它们,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展.
电磁疑云
电磁,电磁,在许多人的印象里,电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟,也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶.说到电,必然也会说到磁；提到磁,自然也离不开电.如充满宇宙中的电磁波,它们对于我们来说简直就是如雷贯耳,因为它们对宇宙天体和生命物质发挥着极为重要的作用,它们就是电性和磁性的统一体.
电和磁确实有许多相似之处：带电体周围有电场,磁体周围也有磁场；同种电荷相斥,同名磁极也相斥；异种电荷相吸,异名磁极也相吸；变化的电场能激发磁场,变化的磁场也能激发电场；用摩擦的方法能使物体带上电,如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次,也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论.
但是,实际上,就像再美满恩爱的夫妻也会有性格上的差异和其它方面的不谐调,磁和电这对佳偶也并非是完全对称的,这种不对称性不论从宏观还是微观上都有所反映.在宏观上,从地球、月球、行星到恒星、银河系和河外星系,不可胜数的天体以及辽阔无垠的星际空间,都具有磁场,磁场对天体的起源、结构和演化都有着举足轻重的影响；可是电场在宇宙空间几乎无声无息,对丰富多彩的天文学似乎毫无建树.而从微观上看：在磁与电的关系中,磁性是更为本质的东西,我们可以用磁来制约电,却不能用电来制约磁(用电产生磁,例如电磁铁,则是另外一回事).在电现象里,带电体可分割成单独带有正电荷和负电荷的粒子,正、负电荷可以单独存在；而磁体的两极总是成对出现,无论磁针被分割成多少部分,无论把它分割得多么小,新得到的每一段小磁铁总有两个磁极,长久以来,人们从来没有发现过单独存在的磁极——磁单极子.
多少年来,人们一直对电、磁这种宏观和微观上的不对称感到困惑不解,特别是为什么正、负电荷能够单独存在,而单个磁极却不能单独存在,对此人们更是充满了诸多的疑问.
那么,磁单极子到底存不存在呢?1931年,著名的英国物理学家狄拉克首先从理论上用极精美的数学物理公式预言,磁单极子是可以独立存在的.他认为,既然电有基本电荷——电子存在,磁也应有基本磁荷——磁单极子存在,这样,电磁现象的完全对称性就可以得到保证.因此,他根据电动力学和量子力学的合理推演,前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来.以前,狄拉克曾经预言过正电子的存在,并已经为实验所证实；这一次他的磁单极子假设同样震惊了科学界.
在磁单极子的理论研究方面,除狄拉克最早提出的磁单极子学说外,还有其他一些科学家也曾提出过多种的学说,各有其特点和根据.如著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上探讨过磁单极子,并且也认为它的存在是可能的.华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家,也从不同方面和不同程度地对磁单极子理论做出了补充和完善.它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足,给磁单极子的设想辅以更坚实的理论基础.
踪迹难寻
随着磁单极子的提出,科学界由此掀起了一场寻找磁单极子的狂潮.人们绞尽脑汁,采用了各种各样的方法,去寻找这种理论上的磁单极子.
科学家首先把寻找的重点放在古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石上,因为他们觉得这些物体中,会隐藏着磁单极子这种“小精灵”.然而结果却令他们大失所望：无论是在“土生土长”的地球物质中,还是那些属于“不速之客”的地球之外的天体物质中,均未发现磁单极子!
高能加速器是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段.科学家利用高能加速器加速核子(例如质子),以之冲击原子核,希望这样能够使理论中的紧密结合的正负磁单极子分离,以求找到磁单极子.美国的科学家利用同步回旋加速器,多次用高能质子与轻原子核碰撞,但是也没有发现有磁单极子产生的迹象.这样的实验已经做了很多次,得到的都是否定的结果.
古老岩石探测和加速器实验所遭到的挫折,并没有使科学家们气馁,反而更加激发了他们的斗志,并促使他们广开思路,想到了这也许是因为加速器的能量不够大的缘故,他们一方面试图研制出功能更加强大的加速器,一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射线,试图从宇宙射线中找到磁单极子的踪影.从宇宙射线中寻找磁单极子的理论根据有两方面：—种是宇宙射线本身可能含有磁单极子,另一种是宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子.他们曾经把希望寄托在一套高效能的装置上,因为这种装置可以捕捉并记录到非常微小、速度非常快的电磁现象.他们期待着利用这套装置能把宇宙线中的磁单极子吸附上,遗憾的是这套装置也未能使他们如愿以偿,满腔希望的他们又遭受了一次沉重的失望的打击.
但是,科学家们并不因此气馁和放弃,他们仍在不断地寻找着机会.人类登月飞行的实现,又重新在科学家心目中燃起了熊熊的希望之火,让科学家把目光投向那寂静荒凉的地方,因为月球上既没有大气,磁场又极微弱,应该是寻找磁单极子的好场所.1973年,科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测,而且使用了极灵敏的仪器.但出人意料的是,竟没有测出任何磁单极子.
曙光曾现
在对磁单极子进行寻找的过程中,人们“收获”到的总是一次又一次地失望.不过,在一次又一次沉重、浓郁的失败的晦暗中间,也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光.
有一些物理学家认为,磁单极子对周围物质有很强的吸引力,所以它们在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹.根据这一特点,1975年,美国的一个科研小组,用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空,经过几昼夜宇宙射线的照射,发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹,他们欣喜若狂,于是迫不及待地在随后召开的一次国际会议上声称,他们找到了磁单极子.但是,对于那是否真的是磁单极子留下的痕迹,会上争论很大,大多数科学家认为那些痕迹很明显是重离子留下的,但试验者还是坚持认为那是磁单极子留下的“杰作”.双方为此展开了激烈的争论,谁也说服不了谁.所以,到目前为止,这些痕迹到底是谁留下的,还是桩难以了断的“悬案”.
1982年,美国物理学家凯布雷拉宣布,在他的实验仪器中发现了一个磁单极子.他采用一种称为超导量子干涉式磁强计的仪器,在实验室中进行了151天的实验观察记录,经过周密分析,实验所得的数据与磁单极子理论所提出的磁场单极子产生的条件基本吻合,因此他认为这是磁单极子穿过了仪器中的超导线圈.不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象,所以这一事例还不能确证磁单极子的存在.
最近,一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说,他们发现了磁单极子存在的间接证据,他们在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应,并且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象.
虽然这些“发现”最终都没有得到很确凿的认证,但还是给科学家们增添了很大的信心.
争议难休
尽管磁单极子理论不断地得到进一步地完善,但是,人们还是不得不面对这样一个事实,那就是,与磁单子理论不断“前进”的形势相比,对磁单极子的寻找却几乎是“原地踏步”,理论和实践相比,出现了极大的“不对称”,实践成了磁单子学说中的一条“短腿”.从20世纪到21世纪,世界各地都在寻找磁单极子,在陆地、在海洋、在太空、在深海沉积物中、在月球的岩石上,却还是很难发现磁单极子的蛛丝马迹.对于这种状况,完全可以用这样的诗句来形容：“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”.
经历了这么长时间的寻找,可以说没有一个科学家敢于理直气壮地声称自己完全真正找到了磁单极子,于是,导致了关于磁单极子是否真的存在的疑云的产生,并且这种疑云渐渐地越积越厚,浓重地笼罩着科学界,并引发了新一轮的、更加激烈的关于磁单极子的争议.
对磁单极子的存在持否定态度的科学家大有人在,他们提出了这样或那样的理由加以论证,而其中最主要的理由就是：鸟过留声、兽过留痕,如果磁单极子确实在宇宙中存在,它就总会留下蛛丝马迹,但迄今为止,人们用最先进的方法和最精密的仪器,在各种物质中寻找磁单极子,都一无所获.因此可以认为,它们可能根本就是一种仅仅存在于人们主观想象中的子虚乌有的产物.
有意思的是,在19世纪末20世纪初,还曾有科学家用以太学说来否定磁单极子的存在：在人们能够用光学方法探测到的太空中,弥漫着一种被称为以太的物质.由于以太的特殊性质,它们在太空中是以一种涡旋的状态分布的,很明显,宇宙中存在着大大小小的以太旋涡.因为旋涡是一种转动,这种旋涡不论大小,转动的东西一定有一个转轴.以太的旋涡实质上就是磁场,一个转轴有必定有两端,也就是有两个极,不存在只有一个端的转轴,所以就不存在磁单极子.但是,这一说法随着以太学说的被抛弃而归于销声匿迹.
还有人这样认为：“电场”和“磁场”是电荷和磁体四周存在着看不见、摸不着的物质.电荷和磁体通过各自的“场”这种物质向另外的电荷和磁体施加作用,同时场还表达了电力或磁力作用的范围；电力和磁力的无形的作用线分别称为“电力线”或“磁感应线”.因为电荷电场的电力线不是闭合的,它起源于正电荷,终止于负电荷,或延伸至无限远,它在电荷处是不连续的；而磁体磁场的磁感应线永远是闭合的,它在磁体内部和外部处处连续.实验中从来未见到过单个的磁极或磁荷,也从来未发现不闭合的磁感应线.所以,在经典电磁理论中,磁单极子存在的可能性就根本被排除了.正是由于上述原因,十分强调对称性的英国物理学家麦克斯韦在建立经典电磁理论的时候,虽然为了对称性也考虑过磁单极子,但是最终还是未敢贸然将它引入它的理论中.因此,这种不对称性在经典电磁理论中就一直保留到今天.
其中特别应该指出的是,就连到了晚年的狄拉克本人,也对磁单极子是否存在产生了深深的怀疑.1981年,他在致一位友人的信中说：至今我已是属于那些不相信磁单极子存在之列的人了.因此,持否定观点的人还认为,应尽早放弃对磁单极子的寻找,因为这种寻找无异于缘木求鱼,只能是徒劳无功的.
肯定磁单极存在者中,不乏非常杰出的物理学家.他们坚持认为,磁单极子是存在的,但它们成对结合得太紧密了,现在所有的高能粒子尚不能把它们轰开.但是,他们也认为,有一点是可以肯定的,这就是磁单极子即使存在,它们也极可能是在宇宙形成初期产生的,残存下来的数量也是微乎其微的,因为假如宇宙间充满了大量磁单极子,则宇宙间的磁场将不复存在.这些磁单极子本来就很少,而且它们又散布在极其广袤的宇宙之中,所以要找到它不是很容易的.但是,如果磁单极子含量很少,那么正负磁单极子之间相互湮没的几率也同时就会很低,所以它们就更有可能被保存下来.
也有的科学家首先肯定磁单极子的存在,但同时又承认磁单极子实际上很难发现.他们的理由是：在人类观测所及的范围内,存在的大多数磁单极子应是属于一种运动速度极其缓慢、“惰性”很强的“慢磁单极子”,而那些“精力充沛”、“运动神速”的“快磁单极子”,早已飞离银河系,消失在无边无际的宇宙空间.但“慢磁单极”子对物质电离作用很弱,要想观察到它们,需要有比现在装置灵敏度高上万倍的探测器才可以,而以目前的科技水平,这样的探测器暂时还无法制造出来.
有的科学家甚至还推算出了磁单极子的质量,证明了磁单极子质量大得惊人,约为质子质量的1亿亿倍,比细菌还要大!所以他们进一步认为,无论是现代加速器还是高能宇宙射线,都不能产生如此大质量的粒子,仅在宇宙诞生即宇宙大爆炸时,才有磁单极子生成所需的极高的温度和极大的能量密度条件.
特别值得一提的是,科学家虽然在实验上寻找磁单极子时总是“扫兴而归”,但在预言磁单极子存在的理论却不断有创新.如海啸是一种骇人的自然现象,它常常导致海洋中产生一种异常稳定的孤立波,即孤立子.这种孤立子在波涛汹涌的大海中几乎不受其它任何外来事物的干扰,永葆自己的波形和能量,不停地涌向远方.前苏联物理学家鲍尔雅科夫和荷兰科学家特霍夫脱在对弱力和电磁力的关系进行研究时发现,在弱电场(弱力和电磁力是这种场的不同表现)中,会发生“场啸”,每次场啸将产生与孤立子类似的粒子,他们认为这种粒子极有可能就是磁单极子.
持肯定观点的科学家都一致认为：虽然磁单极子非常少,但考虑到它对物理学所产生的巨大影响,完全值得不遗余力地去寻找.
两种观点激烈交锋,可谓是谁也说服不了谁.
不言放弃
磁单极子理论自提出以来迄今,已逾半个多世纪,长期不能被证实,也不能被否定,这在科学史上是罕见的,因为一般的科学假设如果在这么长的时间内未被证实,人们就会将此假设否定或放弃.
那么,对于经历了大半个世纪的探寻,基本上可以说是没有什么突破性进展的磁单极子,人们是否最终也同样会放弃寻找呢?
实际上,自20世纪30年代以来至今,磁单极子一直是物理学家和天文学家的热门话题,同时也引起了广大科学爱好者的极大兴趣,对它们的寻找就一直没有停止过.这是因为磁单极子复杂的相互作用过程,与目前我们所了解的一般电磁现象截然不同,磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源、电磁现象的对称性,而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关.磁单极子的引出对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题等,都能给以较好的解释.尽管迄今为止还没找到磁单极子,但是,在关于磁单极子理论研究和实践探索的半个多世纪中,采用了量子论、相对论和统一场论的复杂理论手段,联系到最广袤的宏观世界和最细微的微观世界,涉及到极漫长的和极短暂的时间尺度,它不仅给物理学带来了活力,而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战.
更为重要的是,在具体的对磁单极子进行探索过程中,对物理学特别粒子研究技术如加速器的发展,具有很大的促进作用.虽然磁单极子假说到现在为止,还没有能在实验上得到最后的证实,但它仍将是当代物理学上十分引人注目的基本理论研究和实验的重要课题之一,因为今天的磁单极子已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口,如果磁单极子确实存在,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学以及天文学的基础理论又将有重大的发展,人们对宇宙起源和发展的认识也会再深入一步.
所以,总的看来,涉及磁学、电磁对称、宇宙早期演化和微观基本粒子结构等多方面的磁单极子问题还需要从实验观测和理论方面继续进行研究,对它的寻找绝不应半途而废,否则就会前功尽弃.当然,要找到磁单极子,并不是件简单容易的事情,而是一项长期而艰巨的任务,仍然要付出许多时间和精力,甚至可能要经过好几代人的努力,但科学家们绝不会轻言放弃.
【名词解释】
狄拉克(1902—1984)：英国物理学家.既在创建相对论性量子电动力学理论上有过重要贡献,而且还先提出了反物质学说、磁单极子学说和基本物理常数随时间变化学说,其中反物质学说已在实验上得到证实,并成为阿尔法磁谱仪的重点研究对象.由于对量子力学发展所作的贡献,曾荣获1933年诺贝尔物理学奖.
孤立子：在江河湖海等水面中,仅有一个波峰,波长为无限,运动相对于时间及位置不作周期性变化的波动称为孤立波,又称为孤立子.孤立波在其波峰附近,波面较陡,能量大多集中于此,当其波高与水深之比值(常应用的比值为0.78)增至一定量值时,波峰附近会出现破碎现象.
以太：古希腊哲学家首先设想出来的一种媒质.1世纪后为解释光的传播,以及电磁和引力相互作用现象而又重新提出.当时认为,光是一种机械的弹性波,但由于这类波的传播必须有某种弹性媒质作为媒介(如声波的传播要有空气或水作为媒介),而光却可以通过真空传播,所以必须假设存在一种尚未为实验发现的以太作为传播光的媒质.为了解释光在传播中的各种性质,必须认为以太是无所不在的(包括真空和任何物质内部),没有质量的,而且是“绝对静止”的.电磁和引力作用则看作是以太中的特殊机械作用.以太这一概念在19世纪曾被人们广为接受,但后来也暴露了不少问题,如为了解释更多的现象,它必须具有各种显然是不合理的的性质；一些试图用来确定以太存在的实验往往又都归失败.直到20世纪初,随着相对论的建立和对场的进一步研究,完全确定了光(电磁波)的传播和一切相互作用的传递都通过各种场,而不是通过机械媒质.这样,以太就成为了一个陈旧的概念而被抛弃.
反常霍尔效应：美国物理学家霍尔(1855-1938)发现,如果对位于磁场中的导体施加一个电压,该磁场的方向垂直于所施加电压的方向,那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压,人们将这个电压叫做霍尔电压,产生这种现象被称为霍尔效应.更通俗地说,就是导体中有电流时,就有电荷载子在里面移动.而当导体内有磁场时,导体内的电荷载子运动就会受影响,这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去.好比一条路,本来大家是均匀地分布在路面上,往前移动,当有磁场时,大家可能会被推到靠路的右边行走.故路(导体)的两侧,就会产生电压差.铁磁材料的霍尔效应通常由两部分构成,一般非磁金属材料的电阻应正比于外加磁场,称为一般霍尔效应.然而在铁磁金属材料中,其电阻还与材料的磁化强度有关,此项被称为反常霍尔效应.