磁单极子存在下的A-B效应
磁单极子如果存在对电磁理论的影响
普物2调研报告：磁单极子（如果存在）对电磁理论的影响首先，磁单极子在现有的理论上是完全能够存在的，并且是应该存在的。
有以下三点依据：1、电与磁的对称性要求磁单极子存在在经典电磁理论中，电与磁并不处于完全等价的地位，这让很多物理学家很不满意，因此试图找出磁单极子让电磁完全对称，保证物理学世界的“对称美”；（本人认为这条依据比较扯淡）；2、狄拉克的假说狄拉克在分析了量子系统波函数相位的不确定性后，指出理论允许磁单极子的单独存在，认为磁荷量和电荷量的关系为qghc =n2,(n=1,2,3…),指出g是量子化的，由此解释了q的量子化；3、大统一理论允许存在磁单极子大爆炸宇宙中，由于宇宙的不断降温，对称性降低，会使几何结构带来一系列拓补性的缺陷，这缺陷结构使得磁单极子产生成为可能，并且丰度还很大，达到了质子丰度的级别。
研究、寻找现状：1、人们对地球上及宇宙中的各种物质采样分析，试图寻找磁单极子存在的痕迹；但80多年了一无所获；2、根据磁单极子理论，由于μ0与ε0相差达五个数量级，因而认为磁单极子结合会非常紧密，因此科学家运用高能加速器进行轰击试图寻找到磁单极子，但仍是没有发现；1、3、1975年美国加州大学的高空气球实验和1982年美国斯坦福大学的超导线圈实验均观测到了与磁单极子存在相符的实验现象，但是自此以后类似的实验就未能再被重复。
磁单极子存在对电磁理论的影响：我认为，其对电磁理论的影响有以下几个方面：1、若磁单极子存在，由于运动电荷能产生磁场，那么相应的，运动磁荷也会能产生电场。
总所周知，电荷的运动产生电流，那么正负磁荷的运动也能产生“磁流”，并可能会在某种导线上传导，此时，会产生“磁流的电效应”，即磁流周围产生电场，这就会有磁流的毕-萨-拉定律，可以计算磁流导线周围的电场强度；2、由于正负电荷是分开的，电场线是不闭合的，因此有电荷存在的静电场是有源场，即∫∫E•d S=Σq/ε0,不等于0；若是存在磁单极子，那么正负磁荷也是分开的，磁场线也是不闭合的，因此静磁场也是有源场，∫∫B•d S也不为0；3、由于静电场中电场强度的环量为0，因此静电场是无旋场；而静磁场是有旋场。
§4a-b（aharonov-bohm）效应——矢势的可观测效应由于矢势不像
§4 A-B (Aharonov-Bohm) 效应——矢势的可观测效应由于矢势不像电势那样可以通过测量电势差而直接观测，所以人们曾经误以为矢势仅仅是为数学方便而引入的非物理的矢量。
1959年，阿哈勒诺夫（Y. Aharonov）和玻姆（D. Bohm）认为：在电子运动的空间，无论是否存在电磁场，电子波函数的位相都会受到空间中电磁势的影响。
经过多年的研究，人们认识到矢势与体系的量子行为直接相关；AB效应是量子效应。
AB效应在介观系统、超导量子干涉器和单电子晶体管等器件中到了广泛的应用。
本节的主要内容：经典电动力学中的电磁势量子力学中的电磁势A-B效应电子双峰干涉实验A-B效应的定量解释——电子的正则动量1、经典电动力学中的电磁势为由洛伦兹力所决定，或者说由磁感应强度B决定.A的旋度描述可以有2、Aharonov-Bohm（A-B）效应Aharonov-Bohm 提出，可以通过图示的电子干涉的实验的观测，来验证他们提出的理论是否正确：当螺线管通电之前，通过螺线管之外的两束相干电子（波）到达观测屏形成干涉条纹。
当螺线管通电之后螺线管外的磁场仍然为零，但此时电子所走的路径上的矢势已经不再为零。
如果观测屏上的电子干涉条纹在通电之后，发生了移动，就说明电子运动（的波函数）受到了矢势的影响！3、电子双峰干涉实验——A-B 效应 通电前，管外： B 0,A 0；通电后，管外：B 0, A ¹0。
通电之后，螺线管外区域的矢势对电子产生了作用，使得两束电子之间产生了一个附加的相位差，从而使得观测屏上的干涉条纹的极值位置发生了移动。
对于一个无限长的螺线管，当通电之后，经过的路径上磁感应强度B 为零，但是磁矢势为零。
实验测得干涉条纹的移动值为：e f y mv bF D 为螺线管内的磁通量F B ×d S S òò为与电磁势有关的动量（电子的电量为 -e A而当螺线管通电流、管外存在矢势时，两束电子到达即为载流线圈的磁通量。
磁单极子
磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。
在经典电磁理论中，磁是由电流和变化的电场产生的，磁南极和磁北极总是同时存在的，不存在磁单极子。
1931年P.A.M.狄拉克从分析量子系统波函数相位不确定性出发，得出磁单极子存在的条件，预言磁单极子的存在。
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。
一旦找到了磁单极子，电磁场理论将要做重大修改，对其它相关学科也将产生极大影响。
自20世纪30年代以来至今，寻找磁单极子一直是物理学家和天文学家们的热门话题。
磁单极子理论上的存在一条磁铁总是同时拥有南极和北极，即便你将它摔成两半，新形成的两块磁铁又会立刻分别出现南极和北极。
这种现象一直持续到亚原子水平。
看上去，南极和北极似乎永远不分家。
是这样吗？磁单极子真的不存在吗？很多物理学家对这一点相当怀疑。
1931年，英国物理学家狄拉克（1902～1984年）认为，如果承认磁单极子，则磁荷的静磁场也同电场一样，这样电磁现象的完全对称性就可以得到保证。
于是他理所当然地宣称：‚如果大自然不应用这种可能性，简直令人惊诧。
‛他根据电动力学和量子力学的合理推演，得出这样的方程：eg=h/2π，其中h=6.63×10-34J 〃s 是普朗克常数，e=1.60×10-19C 是基元电荷，而g 则是预言的基元磁荷，即磁单极子。
狄拉克前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来，不仅使麦克斯韦方程具有完全对称的形式，而且根据磁单极子的存在，电荷的量子化现象也可以得到解释。
后来，在1980年代，物理学家在试图将弱电相互作用和强相互作用统一在一起，以便最终能完成所谓‚大统一理论‛时，某些理论也预言了磁单极子的存在。
艰难的寻找历程既然理论研究已确认磁单极子是存在的，那么实验物理学家就应该积极创造条件，在实验中找到它。
磁单极子的历程及对磁学理论的影响
超弦理论认为 自然界中的各种不 同粒子都是弦的不 同振动模式，比传 统的量子场论更具 预言能力。
从事超弦理论研究的物理学家普遍感到，他 们正处在一个与20 年代建立量子理论前夕非常 类似的年代，建立一个完整的M 理论和统一理论 将从根本上改变人们的时间和空间的观念，是最 有希望取得大统一成功的理论。
1. 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
磁单极子问题与物质磁性的来源、电磁现象的对称性、 同性电荷的稳定性、电荷的量子化等有关。如果磁单极子 确实存在，电荷的量子化就能得到合理解释，现有的电动 力学和量子电动力学就需要进行必要的修改。
磁单极子问题与宇宙极早 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 轻子结构、轻子和强子的统一 组成、轻子和夸克对称等难题 都能给以较好的解释，物理学 以及天文学的基础理论也将有 重大的发展，人们对宇宙起源 和发展的认识会再深入一步。
谢谢！！！
1982年2月14日，美国斯坦福大学的物理学布拉斯•卡布雷拉宣布 他利用高灵敏度和高磁屏蔽的超导量子干涉仪式磁强计进行磁单 极子的探测但是未能再观测到磁单极子。
寻找磁单极子的过程中也有的科学家提交了乐 观的实验报告
2004年12月，一组来自中国、日本、瑞士的科学家，报告 了发现磁单极子存在的间接证据。他们在铁磁晶体中观察到两 个反常霍尔效应，为只有假设存在磁单极子才能解释，这种现 象是磁单极子存在的“指纹”。
在2009年《科学》杂志中，法国物理学家在对一种名为 自旋冰的奇特晶体物质进行研究时发现了一种真实凝聚态物质 中存在的类似磁单极子的准粒子。它证明了磁单极存在使得 一般看来，磁的来源总是同 麦克斯韦方程具有更 电相关的，即由电的运动产生磁 加对称的形式，而且 场，而且产生生物质磁性的磁矩 磁荷和电荷一样遵守 也是同自旋和电荷相联系的。这 守恒定律 样磁矩的两个磁极(便是不能分开 和分离存在的。这同物质的电性 是很不相同的。因为电性中既有 D 电矩的存在，也有分开的正电荷 和负电荷的存在。这样就造成了 B m 磁和电的不对称，使描述电磁现 象的麦克斯韦电磁方程组也显得 E B J m t 不对称，例如电通密度的散度为 D 电荷密度，而磁通密度的散度却 H Jm t 为零，因为只有磁矩，没有分离 的磁极。
初探磁单极子相关理论
02
磁单极子的理论预测
大统一理论和磁单极子
磁单极子在大统一理论中扮演着重要 的角色，该理论认为磁单极子是宇宙 中唯一能够携带净磁荷的粒子。
磁单极子的研究有助于深入理解大统 一理论的基本原理和宇宙的起源。
大统一理论预测了磁单极子的存在， 并认为它们在宇宙早期的相变过程中 产生。
量子引力理论与磁单极子
义。
弦论预测了磁单极子的存在，并 认为它们是宇宙中基本的几何结
构。
弦论中的磁单极子研究有助于揭 示宇宙的更深层次结构和理解弦
论的基本原理。
03
磁单极子的实验探测
直接探测方法
磁场测量
通过高精度的磁场测量设备，直 接探测磁单极子产生的磁场。
粒子计数
在特定实验环境下，通过计数磁 单极子通过探测器时的粒子数量 ，确定磁单极子的存在。
在宇宙射线的研究中，磁单极子也被用来描述射线粒子的 传播和扩散过程，以及它们与星际介质和星体的相互作用 。
磁单极子在凝聚态物理中的应用
凝聚态物理中，磁单极子理论被用来描述和研究磁性材料和自旋电子学中的一些 现象。由于磁单极子的存在可以导致特殊的磁学性质和电子行为，因此对磁单极 子的理解和控制对于发展新型磁存储器和自旋电子器件具有重要意义。
在粒子物理实验中，磁单极子的存在可以通过一些特殊的现 象来间接证明，例如在宇宙射线中观测到的奇异轨迹和异常 的能量分布。
磁单极子在天体物理中的应用
天体物理中，磁单极子理论被用来解释宇宙中的磁场起源 和演化。磁单极子的存在被认为是宇宙磁场的一种理想模 型，有助于理解恒星、星系和星系团等天体的磁场结构和 演化。
磁单极子的历史背景
磁单极子的概念最早由苏格兰物 理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 提出，他通过数学模型预测了磁
磁单极子文档
磁单极子1. 引言磁单极子是指只有北极或南极的磁荷。
与电荷有正负之分不同，磁荷只存在单个的北或南极。
磁单极子自19世纪初被理论物理学家提出以来，一直是研究的焦点之一。
本文将介绍磁单极子的概念、性质以及应用。
2. 磁单极子的概念磁单极子的概念最早由英国物理学家伯恩特（P.W. Dirac）在1931年提出。
他认为，如果存在独立的磁单极子，那么磁感线的起点和终点将不再相同，从而违背了传统的磁感线闭合回路的原理。
磁单极子的存在将会对电磁学理论和应用产生革命性的影响。
然而，尽管一些科学家曾经希望发现磁单极子，但至今为止还没有被观察到确凿的实验证据。
物理学理论中并未明确证明磁单极子的存在。
但尽管实验证据暂时缺失，研究者们仍持续致力于磁单极子的研究。
3. 磁单极子的性质3.1 基本性质磁单极子是一种类似于磁针的物体，它们具有自身的磁矩。
磁单极子可以感应产生磁场，与磁场之间可以相互作用。
然而，与电荷不同，磁单极子的磁荷总和恒为零。
3.2 磁单极子的磁场分布虽然尚未观测到独立的磁单极子，但研究表明，如果存在磁单极子，其磁场分布将呈现球对称性。
不同于电荷形成的电场分布，磁单极子的磁场呈现出一种不同寻常的特征。
3.3 磁单极子的量子化与电荷量的量子化规律不同，磁单极子的磁荷量是连续的，没有量子化的特性。
这意味着，如果存在磁单极子，磁荷可取任意实数值，而不受量子化的限制。
4. 磁单极子的应用虽然磁单极子尚未被观察到，但科学家们仍然探索其潜在的应用领域。
4.1 量子计算磁单极子可以作为量子比特的载体，用于量子计算。
与传统的基于电荷的量子比特不同，基于磁单极子的量子比特可以克服一些电荷比特上的限制，从而可能实现更强大的量子计算能力。
4.2 磁单极子传感器磁单极子的特殊性质使其有望应用于磁场传感器的领域。
由于磁单极子独特的磁场分布特征，磁单极子传感器可能能够实现更高灵敏度、更广泛的测量范围，在磁场测量领域具有潜在的应用前景。
磁单极存在的天文观测证据和它在天体物理学的重大作用―磁
Lm bLEdd
(b 10 102 )
(爆发瞬间)
超新星爆发以后
超新星爆发瞬间，天体核心物质密度接近或超过原子核密度，聚集 在核心中的磁单极催化核子衰变反应产生的RC光度及其辐射压非常 巨大, 使得包括星体核心在内的整个星体物质(处于高温等离子体状 态)向外抛射。核心区域的磁单极通过电磁相互作用也随着等离子体 物质向外抛射。星体核心区域物质密度急剧下降，核心区磁单数目 也下降，因此RC光度及其辐射压強将会大幅度降低。此后那些抛射 速度低于逃逸速度的物质(包括一些磁单极)开始向星体中心回落。 它使得星体中心的物质密度再次较快地增长。星体核心内的磁单极 仍然持续不断地催化核子衰变产生RC光度和相应的辐射压, 抗拒着 (c) 2 回落物质的坍缩。由于RC光度 Lm s (nB ) , 中心物质密度不仅 不可能趋向于无穷大，而且将会远远低于核密度(否则将出现再次爆 发。残留的星体最后终于会达到某种稳定的平衡状态:它内部核心磁 单极催化核子衰变产生RC光度必定远远低于这个残留星体的 Eddington光度。
II.磁单极存在的天文观测证椐
问题(1983年) ：如果粒子物理学中有关磁单极的观念及其RC效应 是正确的，它会对天体物理学带来什么重要的作用?它们会产生 哪些重要的观测效应? 利用磁单极催化核子衰变反应作为能源, 1985年我们提出了<含磁 单极的超巨质量恒星－类星体与活动星系核模型> ( 替代黑洞模型 )。 星系核心的超巨质量天体在其周围附近区域的引力效应类似于黑洞 . 含有足够数量磁单极的超巨质量天体既无黑洞视界面、也无中 心奇异性, 这是由于磁单极催化核子衰变反应的速率正比于物质 密度的平方.衰变出来的轻子与光子向外发射, 因此中心密度不 可能趋向无穷大.结合粒子物理学中的RC效应,避免了经典广义相 对论的黑洞理论呈现的中心奇异性问题. 2001年，我们的有关论文（ Peng & Chou, 2001, ApJL)明确地提出了 五个主要理论预言。其中三个定量预言被后来的天文观测证实。
A-B效应
2018/6/11 2
一. A-B实验 1959年阿哈罗诺夫-玻姆提出了一个假想实验。 问题：在放入带电流直 螺线管后，两束电子在 1 电子屏上的干涉条纹是 B. A 否会改变？ S
2
来的两束电子束的干涉条纹不会改变。
3
注意：AB效应的存在已被实 验所证实。在AB效应中，由于 电子不受Lorentz力作用，因此 纯粹是一种量子效应。
（r R）
（r
R）
（ 1）
4
2018/6/11
Φ 为螺线管内的总磁通量
Bn z 1 B A nz (rA ) r r 0
(r R) (r R)
（ 2）
电子的Schrodinger方程
1 e 2 ( i A ) V （ r ） ψ （ r ） E ψ （ r ） （ 3） 2m c ie (0) 将方程的解写成 ψ（r ） ψ （r ）exp（ A(r ) dr ） （ 4） c 0 其中，积分沿电子束路径 L(r )进行；ψ (r) 满足 A 0
A
1 Brn (r R) 2 A 2 φ BR n n (r R ) Hamilton算符： 2μ c
1 2μ ˆ L 2 2 2 iK 2μr02 2
K i
q Φ 2 2 2 q2 Φ2 ( ) 2 2 2 r0 c 2πr0 2μr0 c 4π 2 r02
qΦ 2ππh
由此得Schrodinger方程
2 2 2 ( iK )ψ（ ) Eψ（ ) （11） 2 2 2πr0
令
Ψ (φ) = e ψ (φ)
AB效应表明，矢势 A具有实质的物理意义。
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一直没能实现， 在 "’’$ 年有人宣称做出了清楚的检 验标量 (/0 效应的实验， 但是被认为是忽略了定域 力场的结果， 并不是几何性的相位 2 关于磁矢势， 过 去许多实验都验证了它的作用 2 本文讨论的 (/0 效应就是如上所述基于电磁 作用的 (/0 效应， 在这个基础上加入了磁单极子的 存在 2 近几年来， 电磁场和电磁对偶引起了人们很大
图 . （/） 无场有 $ 的几何效应 （012 效应） （ ；3） 无场有 $) 的几何效应
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图 . （ /） ， 04/56768 和 2659 设 想 了 两 个 实 验， （ 3） 是人们熟悉的双缝电子衍射实验， 目的 #图 （ . /） 是显示矢势 $ 的意义， 两束相干电子束中间包围了 一个磁能" 的存在， 改变了空间的拓扑性质， 使得 两电子束获得附加的相位差 " "， （:） ") 其中") ! ,* ; # "$<.$ = .) " .( >3 # 显示标势意义的假想实验为图 . （ 3） ， 两个法拉 ! $! 第筒的电势差为 !$) ， 法拉第筒内部是无电场作用 造成两电子束的附加相位差 的区域， 但有电势 - ， " +* ， （?） ! $ ! " （!$) ） ") ， （ ?） 式 其中 + 为筒的长度， " 为电子的群速度 （ # :） 的! $ 会导致电子波干涉图随磁通" 或电势差 ! $ 而周期变化 #
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对偶张量为
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两个张量在本质上是相同的， 都代表了总的电磁场 的状态， 并且相互可推 % 对于电子用张量 %&’ 描述比 较方便， 而对于磁子， 可以转到张量" %&’ 上来描述 % 上面讲述了带电子和磁子的电磁场可以用 %&’ 或" 但是电子、 磁子形成的两个分量电磁 %&’ 来描述， 场分别与总电磁场的关系如何呢？假定总电磁场用 电磁势来表述为 ! "+ ) " " ( "$ ( # "# ! " ") # ! ! ! "+ $ # "# ! ! +$， （&-） ! +) % !
关键词：(/0 效应，电磁对偶，几何相位
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［3， &］ 的兴趣， 得出了不少的表述方法 ， 也有一些这方
"4 引
言
［%］ （ $） 对称 面的工作 2 在这里我们采用的是基于 !" ［’］ 性的双电磁四维矢势的电磁场描述方法 ， 利用这
在电磁范畴中的 ()*+,-./0-)1 （ (/0） 效应， 实际 上已经是量子力学中的基本内容了 2 在经典电动力 学， 电磁势是一种工具， 为了方便计算电磁作用的力 场而引入的辅助量， 本身不对应任何物理实在 2 但是 在量子力学， 势是具有根本性物理实在的量， 如电磁 矢量势、 引力势， 它不是可有可无的， 电磁势在运动 方程的消去， 一定在另一形式上出现物理补偿效应 2 ［"—5］ 我们这里讨论的 (/0 效应 ， 还有包括如 ()*+-/ ()*+-,-./6*+19 效 应 都 是 势 在 物 理 ,-./6*7)8+ 效应、 作用中体现的效应 2 关于电磁范畴的 (/0 效应， 所涉及的势包括磁 ［:］ 矢势和电标势 2 关于电标势， 理论认为两束原来相 位相同 的 电 子 波 分 别 经 过 两 个 法 拉 第 筒 后， 相位 差为 " < &， ! ! ; # $%（ $ &） 实验对于这一效应的检验由于技术上的困难多年来
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只要引入替换 " ! !， ! ! ( "， !$ !!) ， !) ! ( !$ ， $$ ! $)， $) ! ( $$ ， 对称性依然成立 % 我们所采用的电磁共轭理论就是建立在上面的 对称性之上， 根据这种对称， 可以得出与原来电磁张 量相对应的另一种张量形式 % 原来的电磁张量在上 面的约定下可写为 * ( "( " ( ") ( "* * ( !( " ( !) ( !* "( * ( !* !) !( * "* ( ") ") !* * ( !( !) ( "* * "( "* ( !) ， （&+） !( * !* ") % （&,） ( "( *