磁单极子，存在或不存在？

两个磁单极子互相崇拜，

一见钟情，

但二者都不能亲近，

狄拉克是如此可怕地苛刻！

——《量子论的华尔普吉斯之夜》

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（下图）。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。在自然界中，哪怕科学家只找到一个磁单极子，那都深远地改变现在的物理理论，以及改变我们对我们宇宙的认知。

引力和静电力。（© WikiPremed MCAT Course）

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。

电磁感应的概念。（© Richard Vowter）

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（下图）。从方程▽•B=0我们也可以看出这样一个经验事实：磁单极子不存在。只有在真空中，仅当ρ=J=0时，麦克斯韦方程才显出一种对称形式。

麦克斯韦方程的微分形式（左边）和积分形式（右边）。（© Ehsan Kamalinejad）

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）：

磁单极子不存在（左边），磁单极子存在（右边）。（© Ed Murdock）

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！

狄拉克：“在科学研究中经常出现的巧合是，当你去寻找一个东西时，你却发现了一些未曾预料到的东西。这种事情发生在我身上了，使我发现了磁单极子的概念。那时，我并没有去寻找磁单极子这类东西。”

磁单极子在20世纪始终处于物理研究的圈外，不仅仅是因为它们在自然界中没有被发现。随着作为自然界基本定律的麦克斯韦-洛伦兹理论的建立，磁单极子似乎被排除在理论圈之外。然而，事情的转变发生在1930年代和1970年代。

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，是在解释基本电荷存在这一更基本的研究中出现的一个副产品。

狄拉克的磁单极子是一个假设的粒子，只是被证明不被量子力学禁止。狄拉克当然也意识到，这并不能保证磁单极子在自然界中就实际存在。但是，由于理论上不存在阻碍磁单极子存在的理由，那么它们很可能存在于自然界的某处。

到了1970年代，物理学家开始把注意力集中在大统一理论上。想起了阿兰•古斯在一次采访中被问及：“你是怎么从粒子物理学进入到宇宙学的呢？”他回答说：“我做了8年的粒子物理学博士后才进入宇宙学领域。那时大统一理论很流行，有一天我的同事亨利•泰伊问我，大统一理论是否预言磁单极子的存在。那时我都没听说过大统一理论，但是很快我就掌握了并进行了大量计算。的确，理论预言了磁单极子的存在。而且质量大的夸张，大约是质子质量的10¹⁶倍。之后，我和亨利•泰伊得出结论：在宇宙初期应当存在大量的磁单极子......在研究磁单极子的数月后，我意识到宇宙大爆炸之后抑制磁单极子生成的机制会使宇宙进入指数膨胀的时期。于是我提出了宇宙暴涨模型。”  阿兰•古斯提出的暴涨模型不仅磁单极子的疑难，也同时解决了视界和平坦性问题。

（注：所谓的大统一磁单极子，在某些方面与狄拉克磁极有显著的区别，它们质量很大，且被赋予一种内部结构。）

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？历史上最著名的一个实验来自美国斯坦福大学的物理学家布拉斯•卡布雷拉（Blas cabrera），他把一个线圈降温至9K，使其成为超导线圈，并把它放在一个超导的铅箔筒中。该筒用以屏蔽掉一切带电粒子引起的磁通量和消除外界磁场的影响，只有磁单极进入线圈时可以引起磁通量的变化。

假如有一个磁单极子从仪器中通过，仪器就会得到一个8磁子（磁子是一个常数）的信号。如果一个磁偶极子通过，就会得到一个+8磁子的信号紧随着一个-8磁子的信号。他确实得到了一些信号，但都是一两磁子而已，从来没有超过3磁子。

布拉斯•卡布雷拉的第一次试验结果（1982）。（© Cabrera B.）

直到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。著名物理学家史蒂芬•温伯格在1983年的情人节还专门写了一首诗给卡布雷拉：

玫瑰是红色的，

紫罗兰是蓝色的，

是时候找到磁单极子了，

第二个！

但是，第二个磁单极子再也没出现过。难道卡布雷拉的实验结果是一个极其不可能的故障？难道在宇宙中只有这么一个唯一的磁单极子正好经过他的探测器？尽管他的实验不能用其他原因作解释，但即没有被证明是错的，又同样没有被确认是对的。一个单独的事件并不足以改变磁单极子的命运——从一个理论预言的粒子到一个真实存在于自然界中的粒子！

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。

参考文献：

【1】P.A.M.Dirac, Quantised Singularities in the Electromagnetic Field ，Proc.Roy. Soc. A 133, 60 ，1931

【2】'tHooft, G. (1974). "Magnetic monopoles in unified gauge theories".Nuclear Physics B 79 (2): 276–284.

【3】A.M. Polyakov,Zh. Eksp. Teor. Fiz. Pis'ma. Red. 20, 430 (1974) [JETP Lett. 20, 194 (1974)].

【4】First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letter, 48(20)1378-1381.

▽ 点击文字查看更多文章 ▽

▼ 长按以下图片 → 识别二维码 → 关注原理 ▼