磁單極（理論物理學弦理論中提出的假設性磁性粒子）

磁單極（理論物理學弦理論中提出的假設性磁性粒子）

磁單極 （理論物理學弦理論中提出的假設性磁性粒子） 次瀏覽 | 2022.08.28 13:32:41 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 磁單極理論物理學弦理論中提出的假設性磁性粒子

磁單極是科學家在理論物理學弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設性磁性粒子。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。磁單極子這種物質的存在性在科學界時有紛爭，迄今為止科學家們還未曾發現過這種物質，因此，磁單極子可以說是21世紀物理學界重要的研究主題之一。

電和磁確實有許多相似之處：帶電體周圍有電場，磁體周圍也有磁場；同種電荷相斥，同名磁極也相斥；異種電荷相吸，異名磁極也相吸；變化的電場能激發磁場，變化的磁場也能激發電場；用摩擦的方法能使物體帶上電，如果用磁鐵的一極在一根鐵棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鐵棒磁化——物理學家法拉第和麥克斯韋為此創立了“電生磁、磁生電”的電磁場理論。

中文名

磁單極

外文名

Magnetic monopole

類型

磁性粒子

提出者

狄拉克

簡介

磁單極子是科學家在理論物理學弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設性磁性粒子。[1]在物質世界中，這是相當特殊的，因為磁性粒子通常總是以偶極子（南北兩極）的形式成對出現。磁單極子這種物質的存在性在科學界時有紛爭，迄今為止科學家們還未曾發現過這種物質，因此，磁單極子可以說是21世紀物理學界重要的研究主題之一。

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，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>相對存在)，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。

首次發現

1932年，著名的英國物理學家狄拉克，從理論上預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，磁也應該有基本磁荷——磁單極子存在。”他的這一預見吸引了不少物理學家用各種方法去尋找磁單極子。人們在各種物質中，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，美國科學家在高空氣球上探測宇宙射線時，意外地發現了一條單軌跡。經分析，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，美國斯坦福大學的物理學家布拉斯·卡布雷拉宣布，他利用超導線圈發現了一個磁單極子，不過后來再沒有找到新的磁單極子。科學實驗必須能經得起多次的重復，所以，僅有這一事例還不能證實磁單極子的存在。

繼續進行

目前，尋找磁單極子的工作仍在繼續進行，科學家們不斷改進實驗方法，提高探測儀器的精度。實現理想也許要經過好幾代人的努力，這是一項長期而艱巨的任務。一般看來，磁的來源總是同電相關的，即由電的運動(電流)產生磁場，而且產生生物質磁性的磁矩也是同自旋和電荷相聯系的。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度諾貝爾物理學獎的英國物理學家狄拉克在1931年提出了磁單極子理論。這位物理學家既在創建相對論性量子電動力學理論上有過重要貢獻，而且還有先提出了反物質學說、磁單極子學說和基本物理常數隨時間變化學說，其中反物質學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。

而磁單極子學說自從1931年提出以來，到現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磁性的一種來源，電磁現象的對稱性，而且還同宇宙極早期演化理論及微觀粒子結構理論等有關，故成為科學界關注的一個重要問題。

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子

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，僅有一次觀測結果(圖3)經仔細分析研究，排除了多種干擾，認為是一次磁單極子事例，但是后來雖然經過多次重復探測，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。總的說來，幾十年來經過多方面和大量的關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的證實。

在磁單極子的理論研究方面，也曾提出過多種的學說，各有其特點和根據。例如，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，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說；由著名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等提出的采用纖維叢新數學方法的量子力學磁單極子學說；應用統一規范場理論的規范磁單極子學說；應用愛因斯坦-麥克斯韋耦合場的相對論性耦合場磁單極子學說；應用超弦理論和4維規范模型的超重磁單極子學說；超對稱和超弦磁單極子學說等。

總的看來，涉及磁學、電磁對稱、宇宙早期演化和微觀基本粒子結構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進行研究的科學問題。

電磁疑云

電磁，電磁，在許多人的印象里，電和磁就像是一對相生相成、形影不離的孿生兄弟，也像是一對親密無間、夫唱妻隨的美滿佳偶。說到電，必然也會說到磁；提到磁，自然也離不開電。如充滿宇宙中的電磁波，它們對于我們來說簡直就是如雷貫耳，因為它們對宇宙天體和生命物質發揮著極為重要的作用，它們就是電性和磁性的統一體。

電和磁確實有許多相似之處：帶電體周圍有電場，磁體周圍也有磁場；同種電荷相斥，同名磁極也相斥；異種電荷相吸，異名磁極也相吸；變化的電場能激發磁場，變化的磁場也能激發電場；用摩擦的方法能使物體帶上電，如果用磁鐵的一極在一根鐵棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鐵棒磁化——物理學家法拉第和麥克斯韋為此創立了“電生磁、磁生電”的電磁場理論。

不對稱

但是，實際上，就像再美滿恩愛的夫妻也會有性格上的差異和其它方面的不諧調，磁和電這對佳偶也并非是完全對稱的，這種不對稱性不論從宏觀還是微觀上都有所反映。在宏觀上，從地球、月球、行星到恒星、銀河系和河外星系，不可勝數的天體以及遼闊無垠的星際空間，都具有磁場，磁場對天體的起源、結構和演化都有著舉足輕重的影響；可是電場在宇宙空間幾乎無聲無息，對豐富多彩的天文學似乎毫無建樹。

而從微觀上看：在磁與電的關系中，磁性是更為本質的東西，我們可以用磁來制約電，卻不能用電來制約磁（用電產生磁，例如電磁鐵，則是另外一回事）。在電現象里，帶電體可分割成單獨帶有正電荷和負電荷的粒子，正、負電荷可以單獨存在；而磁體的兩極總是成對出現，無論磁針被分割成多少部分，無論把它分割得多么小，新得到的每一段小磁鐵總有兩個磁極，長久以來，人們從來沒有發現過單獨存在的磁極——磁單極子。

多少年來，人們一直對電、磁這種宏觀和微觀上的不對稱感到困惑不解，特別是為什么正、負電荷能夠單獨存在，而單個磁極卻不能單獨存在，對此人們更是充滿了諸多的疑問。

那么，磁單極子到底存不存在呢？1931年，著名的英國物理學家狄拉克首先從理論上用極精美的數學物理公式預言，磁單極子是可以獨立存在的。他認為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應有基本磁荷——磁單極子存在，這樣，電磁現象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據電動力學和量子力學的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。以前，狄拉克曾經預言過正電子的存在，并已經為實驗所證實；這一次他的磁單極子假設同樣震驚了科學界。

理論研究

在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，還有其他一些科學家也曾提出過多種的學說，各有其特點和根據。如著名的美籍意大利物理學家費米也曾經從理論上探討過磁單極子，并且也認為它的存在是可能的。華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等一些著名的科學家，也從不同方面和不同程度地對磁單極子理論做出了補充和完善。它們彌補了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極子的設想輔以更堅實的理論基礎。

蹤跡難尋古老巖石探測

隨著磁單極子的提出，科學界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。人們絞盡腦汁，采用了各種各樣的方法，去尋找這種理論上的磁單極子。

科學家首先把尋找的重點放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上，因為他們覺得這些物體中，會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結果卻令他們大失所望：無論是在“土生土長”的地球物質中，還是那些屬于“不速之客”的地球之外的天體物質中，均未發現磁單極子！

高能加速器實驗

高能加速器是科學家實現尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段。科學家利用高能加速器加速核子（例如質子），以之沖擊原子核，希望這樣能夠使理論中的緊密結合的正負磁單極子分離，以求找到磁單極子。美國的科學家利用同步回旋加速器，多次用高能質子與輕原子核碰撞，但是也沒有發現有磁單極子產生的跡象。這樣的實驗已經做了很多次，得到的都是否定的結果。

宇宙射線中尋找

古老巖石探測和加速器實驗所遭到的挫折，并沒有使科學家們氣餒，反而更加激發了他們的斗志，并促使他們廣開思路，想到了這也許是因為加速器的能量不夠大的緣故，他們一方面試圖研制出功能更加強大的加速器，一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線，試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。

從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據有兩方面：—種是宇宙射線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產生磁單極子。他們曾經把希望寄托在一套高效能的裝置上，因為這種裝置可以捕捉并記錄到非常微小、速度非常快的電磁現象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙線中的磁單極子吸附上，遺憾的是這套裝置也未能使他們如愿以償，滿腔希望的他們又遭受了一次沉重的失望的打擊。

進行月巖檢測

但是，科學家們并不因此氣餒和放棄，他們仍在不斷地尋找著機會。人類登月飛行的實現，又重新在科學家心目中燃起了熊熊的希望之火，讓科學家把目光投向那寂靜荒涼的地方，因為月球上既沒有大氣，磁場又極微弱，應該是尋找磁單極子的好場所。1973年，科學家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運回的月巖進行了檢測，而且使用了極靈敏的儀器。但出人意料的是，竟沒有測出任何磁單極子。

曙光曾現

在對磁單極子進行尋找的過程中，人們“收獲”到的總是一次又一次地失望。不過，在一次又一次沉重、濃郁的失敗的晦暗中間，也曾不時地閃現過一兩次美妙的希望曙光。

有一些物理學家認為，磁單極子對周圍物質有很強的吸引力，所以它們在感光底板上會留下又粗又黑的痕跡。根據這一特點，1975年，美國的一個科研小組，用氣球將感光底板送到空氣極其稀薄的高空，經過幾晝夜宇宙射線的照射，發現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的一次國際會議上聲稱，他們找到了磁單極子。

但是，對于那是否真的是磁單極子留下的痕跡，會上爭論很大，大多數科學家認為那些痕跡很明顯是重離子留下的，但試驗者還是堅持認為那是磁單極子留下的“杰作”。雙方為此展開了激烈的爭論，誰也說服不了誰。所以，到目前為止，這些痕跡到底是誰留下的，還是樁難以了斷的“懸案”。

宣布發現

1982年，美國物理學家凱布雷拉宣布，在他的實驗儀器中發現了一個磁單極子。他采用一種稱為超導量子干涉式磁強計的儀器，在實驗室中進行了151天的實驗觀察記錄，經過周密分析，實驗所得的數據與磁單極子理論所提出的磁場單極子產生的條件基本吻合，因此他認為這是磁單極子穿過了儀器中的超導線圈。不過由于以后沒有重復觀察到類似于那次實驗中所觀察到的現象，所以這一事例還不能確證磁單極子的存在。

最近，一組由中國、瑞士、日本等多國的科學家組成的研究小組報告說，他們發現了磁單極子存在的間接證據，他們在一種被稱為鐵磁晶體的物質中觀察到反常霍爾效應，并且認為只有假設存在磁單極子才能解釋這種現象。

雖然這些“發現”最終都沒有得到很確鑿的認證，但還是給科學家們增添了很大的信心。

爭議難休

盡管磁單極子理論不斷地得到進一步地完善，但是，人們還是不得不面對這樣一個事實，那就是，與磁單子理論不斷“前進”的形勢相比，對磁單極子的尋找卻幾乎是“原地踏步”，理論和實踐相比，出現了極大的“不對稱”，實踐成了磁單子學說中的一條“短腿”。從20世紀到21世紀，世界各地都在尋找磁單極子，在陸地、在海洋、在太空、在深海沉積物中、在月球的巖石上，卻還是很難發現磁單極子的蛛絲馬跡。對于這種狀況，完全可以用這樣的詩句來形容：“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”。

經歷了這么長時間的尋找，可以說沒有一個科學家敢于理直氣壯地聲稱自己完全真正找到了磁單極子，于是，導致了關于磁單極子是否真的存在的疑云的產生，并且這種疑云漸漸地越積越厚，濃重地籠罩著科學界，并引發了新一輪的、更加激烈的關于磁單極子的爭議。

對磁單極子的存在持否定態度的科學家大有人在，他們提出了這樣或那樣的理由加以論證，而其中最主要的理由就是：鳥過留聲、獸過留痕，如果磁單極子確實在宇宙中存在，它就總會留下蛛絲馬跡，但迄今為止，人們用最先進的方法和最精密的儀器，在各種物質中尋找磁單極子，都一無所獲。因此可以認為，它們可能根本就是一種僅僅存在于人們主觀想象中的子虛烏有的產物。

有意思的是，在19世紀末20世紀初，還曾有科學家用以太學說來否定磁單極子的存在：在人們能夠用光學方法探測到的太空中，彌漫著一種被稱為以太的物質。由于以太的特殊性質，它們在太空中是以一種渦旋的狀態分布的，很明顯，宇宙中存在著大大小小的以太旋渦。

因為旋渦是一種轉動，這種旋渦不論大小，轉動的東西一定有一個轉軸。以太的旋渦實質上就是磁場，一個轉軸有必定有兩端，也就是有兩個極，不存在只有一個端的轉軸，所以就不存在磁單極子。但是，這一說法隨著以太學說的被拋棄而歸于銷聲匿跡。

還有人這樣認為：“電場”和“磁場”是電荷和磁體四周存在著看不見、摸不著的物質。電荷和磁體通過各自的“場”這種物質向另外的電荷和磁體施加作用，同時場還表達了電力或磁力作用的范圍；電力和磁力的無形的作用線分別稱為“電力線”或“磁感應線”。因為電荷電場的電力線不是閉合的，它起源于正電荷，終止于負電荷，或延伸至無限遠，它在電荷處是不連續的；而磁體磁場的磁感應線永遠是閉合的，它在磁體內部和外部處處連續。

實驗中從來未見到過單個的磁極或磁荷，也從來未發現不閉合的磁感應線。所以，在經典電磁理論中，磁單極子存在的可能性就根本被排除了。正是由于上述原因，十分強調對稱性的英國物理學家麥克斯韋在建立經典電磁理論的時候，雖然為了對稱性也考慮過磁單極子，但是最終還是未敢貿然將它引入它的理論中。因此，這種不對稱性在經典電磁理論中就一直保留到今天。

其中特別應該指出的是，就連到了晚年的狄拉克本人，也對磁單極子是否存在產生了深深的懷疑。1981年，他在致一位友人的信中說：至今我已是屬于那些不相信磁單極子存在之列的人了。因此，持否定觀點的人還認為，應盡早放棄對磁單極子的尋找，因為這種尋找無異于緣木求魚，只能是徒勞無功的。

參考資料