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磁单极子之谜:为什么没有只有南极或只有北极的磁铁?

作者: admin 来源: 中国数字博物馆

导语:我们可以从理论和实验两方面来看电磁场理论。麦克斯韦方程组是经典的电磁场理论,但是这个理论并不能完美解释为何我们找不到磁单极子,也不能解释为何电荷都是以固定值存在的。当科学家将麦克斯韦方程组拓展到包含磁单极子,电荷就只能以固定值存在,这使得经典电磁场理论与量子电动力学得到了统一。而在实验方面,在实验室里构造类磁单极子、通过大型强子对撞机寻找磁单极子、甚至是在浩渺无垠的宇宙里寻找它的存在,人们一直没有放弃过对磁单极子的探索。磁单极子真的存在吗?还是这只是人们对电磁对偶一厢情愿的想法?作者把这个问题留给了我们自己。

  你很可能已经听说过希格斯玻色子了。早在很久以前就有人预测了这种难以捉摸的粒子的存在,它的存在也帮助了人们解释宇宙为什么像现在这样运转。但我们仍旧花了几十年时间去寻找它。

    不过,量子力学还预测了一种难以捉摸的粒子的存在,这种粒子困扰了人们更长时间。事实上,我们一直试着寻找它,但我们至今没有找到过哪怕一个这种粒子。

这就是磁单极子。它的一些特性使得它比其他粒子更特别。

 

磁与电的相似性

    对物理感兴趣的人大概已经对电单极子有过了解了,不过你可能更熟悉它的另一个名字:电荷。

    在电场里不同的电荷有着不同的反应,正电荷从正极运动到负极,负电荷从负极运动到正极。电荷的正负又称为电荷的“性”,同性电荷相互排斥,异性电荷相互吸引。

(译注1,为解释清楚正负电荷的定义,这里没有完全按照英文翻译。)

    电单极子以带有一个正电荷或一个负电荷的粒子形式存在,比如说电子,以及质子。

    乍看之下,磁场跟电场有点相似。就场的方向来看,磁体从磁场的北极运动到南极,人们藉此定义磁场的方向。

(译注2,电场的负极方向是电场中正电荷运动的方向,磁场的南极是磁场中磁体运动的方向,因此作者说电场和磁场相似。)

    然而,当我们试图在磁场中寻找电荷的对应物时,这种对称性却被打破了。我们能够找到以带电粒子的形式存在的电单极子,但我们却从未观测到过磁单极子。

    跟电场相反,磁体总是以偶极子的形式存在,有一个北极和一个南极。当一整块长条磁铁被分成两半,你不可能得到一块只有北极的磁铁和一块只有南极的磁铁。相反的,你会得到两块新的、更小的磁铁,每一块磁铁都有南极和北极。

    即使你将那块磁铁分成独立的粒子,你还是只能得到磁偶极子。

    回顾已经建立的磁学,我们能够在麦克斯韦方程组中看到电学与磁学的连续性,并将其整合成传统的电磁场理论。

    麦克斯韦早在1861年到1862年间就发布了这一方程组,它们直到今天还相当有用,不论是在工程、通信、医学领域还是别的一些领域上。

    但是,这组方程中的其中一个方程——磁场高斯定理——表明了世界上并没有磁单极子。

    我们日常所观察到的磁性都来自于电荷移动。带电粒子沿路径移动(比如电子沿导线运动)形成电流,而这种电流激发了环绕电流流动方向的磁场。

    第二种形成磁性的原因跟量子力学中的“自旋”概念有关。比起惯常认定的带电粒子按固定方向移动,我们可以将自旋看成带电粒子绕一个轴旋转。

    自旋使得粒子产生了一个角动量,而这个角动量使得带电粒子表现得像磁双极子(比如,一个很小很小的条状磁铁就是一个磁双极子)。这个解释意味着,我们不需要磁单极子也可以描述磁场产生的现象。

    但是,由于传统的电磁场理论与我们所观测到的现象没有矛盾,这并不意味着没有磁单极子的存在。相反,这仅仅意味着我们还没有观测到过磁单极子。

看向理论更深奥晦涩的部分,我们将会找到对磁单极子存在性的一些有趣争论。

 

对称性的诱惑

    1894年,诺奖得主Pierre Curie(译注,即我们熟知的居里夫人的丈夫)描绘了一种未被发现的粒子存在的可能性,目前没有理论能否定它的存在。

更晚一些时候,在1931年,诺奖得主Paul Dirac拓展了麦克斯韦方程组使其包含磁单极子,展示了麦克斯韦方程组的一种未被证实可能性。在这种情况下电荷只能取一些特定的值,不能任意取值。

(译注,为避免误导,本段有添字。)

而电荷的量子化是量子力学的要求,所以,Dirac的工作向人们展示了传统电磁理论与量子电动力学理论的兼容性。

(译注,电荷的量子化即指上文的“电荷只能取一些特定的值,不能任意取值”)

    不管怎样,有的物理学家执着于自然理论的对称之美。由于磁单极子的存在将预示着电场和磁场间存在对偶性,那些言磁单极子存在的理论是让人着迷的。

    对偶性,在物理当中,意味着一种理论跟另一种完全不同的理论有相似性。

    如果电场力跟磁场力有完全的相似性,那也许另一种力也会跟其他力有相似性。也许强力和弱力之间也会存在某种联系,使得所有力的大一统理论成为可能。

    不过,大一统理论具有的迷人对称性并不能说明它的正确性,我们还需要更多证据。

图片1.png

单一的磁单极子可能藏在我们没找到的地方。 CERN/MoEDAL

 

单极子的匹配

    通过在波色-爱因斯坦凝聚和超流体中构造类单极子结构的复杂实验,科学家们已经接近看到磁单极子了。

    但是,当人们在实验室里证明磁单极子并非不可能存在的同时,他们却没有在自然界里发现哪怕一个磁单极子。

    粒子物理实验已经宣称在某些情况下找到了可能是单极子的粒子,但是目前为止这些发现都不够确凿,或者不具有可重复性。

    大型强子对撞机中的磁单极子和奇异粒子探测器已经取代了之前在实验室内的实验,至今人们还是没有找到过磁单极子。

    于是那些热衷于研究磁单极子的科学家们转而去寻找我们至今没有发现磁单极子的原因。

    那些通过电流加速的粒子加速器至今没有探测到磁单极子也许仅仅只是因为磁单极子的质量大过了我们现在能够创造的粒子的质量。

按这个理论,我们可以估计磁单极子的最大可能质量。结合我们已知的宇宙的结构,我们可以估算出磁单极子的质量可能高达1014 TeV。

(译注,1TeV=1000MeV=109eV。eV即电子伏,为1个电子在真空中通过1V电位差时的能量变化,是能量单位。能量可以通过爱因斯坦质能转换方程E=mc2转换成质量。)

具有这样质量的物体可能在大爆炸后的早期宇宙中就产生了,在宇宙开始膨胀之前就已经存在。如果宇宙冷却到一定温度,在这个温度下磁单极子不再有充足的能量膨胀,那也许磁单极子就会在这儿。只是这种情况少之又少。也许,让我们以为能找到磁单极子不过是上帝的一个圈套。

 

翻译:叶紫微  审校:李昱

原文链接:https://theconversation.com/explainer-the-mysterious-missing-magnetic-monopole-57661


关于我

T'Mir Danger Julius

T'Mir Danger Julius最近以论文《用全Belle数据集对B0 -> pi0pi0衰减的评估》完成了她实验粒子物理的PhD学位。她现在是斯威本科技大学革新中心的一名数据科学家。