磁单极子之谜
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
磁单极子之谜
磁单极子之谜马守田 在历史上,人们最初认为磁现象是正负磁荷产生的。
但是,长期以来,从没有人发现过单独的磁北极或磁南极。
因此,传统上认为磁是一种固有的双极现象,即任何一块磁体无论怎样细分,最后每一小块磁体总是显示出两个相反磁性区———磁北极和磁南极,这就是两磁极的不可分性。
在安培提出分子电流是物质磁性的基本来源之后,这种不可分性得到了完满的解释。
此后又断言,单独的磁荷或磁荷的基本单元———磁单极子是不存在的。
这一论断构成了宏观电磁理论的基础,例如磁场的高斯定理就是自然界不存在磁单极子的数学表述。
然而,这并不妨碍探索微观领域中是否存在磁单极子成为物理学家很感兴趣的一个课题。
自1931年狄拉克在理论上预言存在磁单极子以来,试图证实磁单极子存在的实验研究工作,一直都在进行。
一、磁单极子可能存在的依据汤姆孙的猜想 自1897年发现电子以后,特别是1909年密立根证实电子电量是电荷的基本单位之后,汤姆孙等人从电与磁之间存在着某些对称性考虑,猜测可能存在磁单极子。
既然有带正、负基元电荷的质子和电子,为什么不可能有带相反极性的基元磁荷———磁单极子呢?这是物质运动规律在很多方面表现出的高度对称性所要求的。
反映电磁运动基本规律的麦克斯韦方程组就揭示了电与磁的某些对称性:变化的电场要激发磁场,变化的磁场也要激发电场。
但是,它揭示出的电与磁的对称性却是不完全的,因为它说电荷激发电场,却没有说磁荷激发磁场;说运动电荷(电流)激发磁场,却没有说运动磁荷(磁流)激发电场。
假若磁单极子存在,将麦克斯韦方程组写成如下形式:・D=ρe、 ・B=ρm、×E=-9B9t-j m、 ・H=9D9t-j e。
(1)式中ρe和j e为电荷密度和电流密度、ρm和j m为磁荷密度和磁流密度,那么麦克斯韦方程组所反映的电与磁的对称性就完全了:电场可由电荷、变化磁场和运动磁荷激发;磁场可由磁荷、变化电场和运动电荷激发。
所以,从电磁理论对称性考虑,可能存在磁单极子。
磁单极子是否存在
万方数据去，也依然可以保留一部分磁性。
总而言之，这一切都说明，磁性并非物质的基本属性。
磁是由电生的，现代物理学可以解释电生磁的机制。
Ｎ极和Ｓ极无法分开磁和电比起来，还有一个重要区别。
对于电荷来说，有正负之分，正负电荷可以独立分开；比如在原子里，原子核带正电，核外电子带负电，它们是完全分开的。
可是磁虽然有Ｎ极和Ｓ极，两极却总是连在一起，不论怎么也分不开。
你把条形磁铁从中间切开，切开的两段依然具有自己的Ｎ极和Ｓ极。
这就好比《匿游记））里的孙悟空，你把他剁碎、烧成灰，但仙气一吹，每一块肉、每一撮灰又会变出一个个孙猴子来，你根本拿他没办法。
为什么会出现这种情况呢？原因很简单。
我们前面说过，物质的磁性是分子、原子中电子做圆周运动的结果。
比如当电子做顺时针运动时，根据右手定则，圆周的上方对应Ｎ极，下方对应Ｓ极。
有上方必有下方，所以有Ｎ极必有Ｓ极。
当磁铁切成两半时，虽然●最先用磁单极子解释电荷量子化的英国物理学家狄拉克材料里所包含的分子数变少了，但产生磁极的机制没变，所以依然还有Ｎ极和Ｓ极。
假如存在磁单极子……不过想像力丰富的物理学家还是设想，或许存在一种粒子，这种粒子只有一个磁极，他们把这样的粒子称为磁单极子。
物理学家并不是凭空瞎想的。
首先，他们注意到在现有的电磁场理论中，电和磁并不对称，里面有电荷，却没有磁荷。
如果引进一个产生磁场的磁单极子，那么电和磁就完全对称了。
这对物理学家来说是一个很大的诱惑。
而最重要的是，磁单极子的存在能为电荷的量子化提供一个合理的解释。
我们知道，自然界中电荷所带的电量并不是任意的，而是存在着一个最小的基本电荷单位，即一个电子所带的电荷。
所有电荷都必须是一个电子电荷的整数倍，这一现象叫电荷的量子化。
虽然后来在基本粒子中出现了带１１３和２１３电子电荷的夸克，但只要我们把１１３电子电荷定义为基本电荷单位，那么夸克就带有１个和２个基本电荷，电子带３个基本电荷，其它的依次类推……所以电荷量子化的结论依然成立。
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。
磁单极子存在的可能性及其物理意义是什么
磁单极子存在的可能性及其物理意义是什么在物理学的广袤领域中，磁单极子一直是一个神秘而令人着迷的概念。
我们日常生活中所熟悉的磁现象，往往都是由磁偶极子产生的，比如磁铁总是有南北两极。
然而，磁单极子——即孤立的、只有一个磁极（北极或南极）的粒子，其存在与否一直是科学界长期探讨的问题。
要探讨磁单极子存在的可能性，首先得回顾一下电磁学的基本理论。
麦克斯韦方程组完美地描述了电场和磁场的行为，但在这些方程中，电和磁的表现并不是完全对称的。
电荷可以单独存在，而磁极总是成对出现。
这就引发了一个思考：如果自然界是高度对称和优美的，那么磁单极子是否也应该存在，以使得电磁现象在某种程度上达到更完美的对称？从理论物理学的角度来看，一些大统一理论预言了磁单极子的存在。
大统一理论试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一在一个框架下。
在这些理论中，磁单极子的出现与早期宇宙的相变过程有关。
据说在宇宙诞生的极早期，温度极高，各种相互作用是统一的。
随着宇宙的冷却和膨胀，发生了一系列的相变，就有可能产生磁单极子。
然而，尽管有理论的支持，实验上却一直没有确凿的发现。
这使得磁单极子的存在仍然处于假说的阶段。
但科学家们并没有放弃寻找的努力。
在实验方面，人们设计了各种精密的实验装置来探测磁单极子。
比如，利用超导量子干涉器件（SQUID）来检测极其微弱的磁信号，或者在高能加速器实验中寻找可能产生的磁单极子。
那么，如果磁单极子真的被发现存在，它将具有极其重大的物理意义。
首先，磁单极子的存在将完善我们对电磁学的理解。
电磁学理论将会得到修正和扩展，使其更加对称和优美。
这将不仅仅是对现有理论的小修小补，而是一次根本性的变革，可能会引导我们发展出全新的电磁学理论。
其次，它对于粒子物理学的发展也将产生深远的影响。
磁单极子的性质和相互作用将为我们揭示更多关于物质基本构成和相互作用的奥秘。
它可能成为一种新的基本粒子，与已知的粒子相互作用，从而改变我们对粒子世界的认识。
磁单极子的搜索与研究
磁单极子的搜索与研究磁单极子是指只有一个极性的磁性粒子，与普通的磁铁不同，普通的磁铁是由南北两极组成。
尽管在理论物理中，磁单极子早在1931年由理查德·费曼和其他科学家提出，但至今仍未在实验中被发现。
因此，磁单极子的研究不仅是物理学的一项挑战，也引起了多个领域科学家的广泛关注，包括高能物理、凝聚态物理以及宇宙学等。
磁单极子的理论基础磁单极子的概念在经典电磁学中，磁场由电流产生，并伴随永远存在的南北极对。
2009年，物理学家们提出量子色动力学(QCD)模型，为磁单极子的存在提供了新的支持。
在这个模型中，可以想象到原本由多个夸克产生的复合粒子，可以将其扩展为单个具有单一磁性极性的粒子。
参与者与基本粒子在研究磁单极子的过程中，各种基本粒子之间的相互作用揭示了它们可能的关联。
包括但不限于光子、胶子、电子和夸克等。
由于磁单极子很可能与这些基本粒子的相互作用有关，因此对它们的深入研究至关重要。
唯一性与对称性如此独特的单极状态会引发众多物理现象。
这些现象都是基于一些深层次的对称性原理探讨，例如醉汉对称性和U(1)对称性（电荷守恒），它们在粒子物理和弦理论中起着重要作用。
有些理论认为，在大统一理论(GUT)框架下，磁单极子的出现只是一种量子纠缠和对称性破缺的结果。
磁单极子的实验搜索磁单极子的预测尽管在理论上有许多支持磁单极子的论据，但迄今为止，并没有直接的实验证据来证实其存在。
最早的磁单极遍布工作的尝试始于20世纪70年代，随后许多研究工作为寻找这些神秘粒子而努力。
研究者们通过构建强大的加速器设施，对可能的衰变过程进行模拟与观测，以期捕获它们。
加速器实验高能物理实验，如大型强子对撞机(LHC)，为寻找磁单极子提供了优越的平台。
科学家们设计了一些具体的实验例程，试图在碰撞过程中生产出磁单极子。
例如，有学者探讨了将现有粒子转化成具有不同相互作用性质的新型粒子的可能性，从而生成磁单极子的候选者。
天文观测除了加速器实验外，一些新兴领域正在利用天文观测技巧来寻找原料。
磁单极的若干方面研究
磁单极的若干方面研究磁单极子既磁铁的单独N极或S极,也即自由磁荷。
对于磁铁它的磁极总是成对出现的,无论我们怎样分割它总是存在两个磁极,直到无限小。
1931年英国著名的物理学家、量子力学的创始人之一狄拉克首先从理论上预言了磁单极的存在。
这个预言引起了科学家极大的兴趣,从而开创了磁单极研究的新的时代。
这种物质的存在性到目前为止还是个谜,人们在实验中还没有发现以基本粒子形式存在的磁单极,但是人们从理论上对磁单极作了各种详尽的探讨。
1 磁单极子的特性(1)质量大。
在真空磁场中,磁单极子的能量增加率为:2.06×104(g/go)ev/G.cm两个磁荷相等磁单极的相互作用能为≈5000WE(为两个点电荷的相互作用能),在麦克斯韦理论中,电子的质量类似地,可以根据磁单极子的相互作用能估计磁单极子的质量,最小的磁单极子的质量mg=5000me这样表明磁单极子的质量是很大的。
磁单极子的质量是质子质量的1016倍,达到20毫微克。
如果我们用加速器来产生磁单极子,它们就会成对出现,一个是正的,另一个是负的。
到目前为止,加速器的能量远小于上述能量,故不可能在加速器中找到磁单极子。
(2)具有极强的游离能力。
在较高速下,其游离能力是电子的18000倍,在低速下更大。
所以磁单极子在通过物质时,将迅速损失能量。
如通过乳胶时,会留下一条径迹。
(3)非常稳定。
因磁单极子强度守恒,它不会自行消灭。
若要湮灭,一定存在大小相等符号相反的另一磁单极子,并与其发生作用,同时释放出某种形式的能力。
(4)在磁场中加速。
H=103Oe( ),则磁单极子在磁场中每前进一厘米,将得到41兆电子伏特的能量。
(5)被抗磁质所排斥,被顺磁质所吸引。
如把磁单极子嵌进抗磁质石墨中,需要作功十分之几电子伏特,而把它从顺磁质如铬的晶体中拉出需要作功几十电子伏特。
2 研究磁单极的重大意义(1)如果确实探测到磁单极子,那么带相反极性的北单极子和南单极子就恰好与带正负电荷的质子和电子相对应。
磁单极子的探寻
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粒子的踪影。从宇宙射线中寻找 磁单极粒子的理论根据有两方面：—种是宇宙射线本身 可能含有磁单极粒子，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粒子。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粒子吸附 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。
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粒子。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粒子理论所提出的磁场 单极粒子产生的条件基本吻合，因此他认为这是 磁单极粒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粒子的 存在。
在对磁单极粒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，磁单极粒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，他们找到了磁单极粒子。但是，对于那是否真的 是磁单极粒子留下的痕迹，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粒 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”。
磁单极子是否存在？
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磁单极子是否存在？
作者：蓝色风
来源：《大科技·科学之谜》2013年第07期
答：磁单极子指的是只有一个磁极的磁体，早在1931年狄拉克就预言其存在，多年来，科学家都在想尽办法寻找这种磁体，但是至今这种磁体还没有被找到。
不过科学家在实验中还是发现了磁单极子的蛛丝马迹：2009年，科学家在柏林进行的中子散射实验中，找到了自旋
冰中磁单极子的类似物，但是最后被证实并不是狄拉克所预言的磁单极子；而后，在2010
年，一个国际研究小组在室温的条件下，拍摄到了磁单极子和“狄拉克弦”附在一起的图像，正如狄拉克预测的，磁单极子是与狄拉克弦相伴出现的，狄拉克弦为磁单极子提供磁波，就像灌溉用的水管给喷水器供水一样。
关于磁单极子的探索_陆海燕
：
（ ）静止的磁荷 产 生 静 磁 场 ， 运动的磁荷产生 １ 磁流和电场 ． 这和电荷的情况很相似 ． （ ）磁单极子作 用 是 一 种 高 能 量 现 象 ， 远大于 ２ 电荷间的相互作用能 ． 所以磁单极子对的产生和湮 没是一种高能现象 ． 因此理论上可以用高能加速器 实验寻找磁单极子 ． 但目前未能在高能加速器中观 测到磁单极子 ， 原因可能是能量尚不够高 ． （ ）在磁场中受到的力很强 ． ３ （ ）运动的磁单极子在物 质 中 产 生 的 电 离 效 应 ４
１ 磁单极子的提出 电磁学 中 电 和 磁 表 现 出 极 大 的 相 似 性 ， 如同种 电荷相互排斥 ， 异种电荷相互吸引 ， 同样的同名磁极 相互排斥 ， 异名磁极相 互 吸 引 ． 但 是， 自然界中电荷 可以以正负两种电荷 的 形 式 单 独 存 在 ， 而磁性粒子 却总是以偶极子的形式成对出现 ． 正如一块磁铁 ， 无 论怎么分割 ， 新的磁 铁 总 和 原 来 的 磁 铁 一 样 同 时 拥 有南极和北极 ， 即使 分 割 到 原 子 水 平 也 无 法 出 现 单 独的磁极 ． 电和磁的这些差异也充分体现在麦克斯韦方程 组中 ·Ｄ ＝ρ ! ｅ （ ） １ （ ） ２ （ ） ３ （ ） ４
０ １ ４ 年第 １ １ 期 物理通报 知识介绍 ２
关于磁单极子的探索
陆海燕
） （ 南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 ２ ０ ９ ７ １ ０ ） 收稿日期 ： ４－ ２ ０ １ ０ ５－ ２ ３ （
摘
ｅ ＝ ｎ· ｇ·
２） （
ｃ
（ ） ５
ｈ 是真空中 其 中 ｎ 是整数 ， ｈ 是普朗克常数 ， ｃ ＝ ， ２ π
）修订为 光速 ． 此关系后来经施温格 （ ｗ ｉ ｎ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｈ ｇ
磁单极子：物理学的未解之谜
磁单极子：物理学的未解之谜磁单极子是指只有一个磁荷的粒子，类似于电荷的概念。
然而，在物理学中，我们至今还没有观测到磁单极子的存在。
这一现象引发了科学家们的兴趣和好奇心，他们一直在努力寻找磁单极子并解开这个物理学的未解之谜。
磁单极子的定义与性质磁单极子是指具有磁荷但没有磁偶极矩的粒子。
与电荷不同，我们可以分离出正负电荷，但是至今为止，我们还没有观测到可以分离出正负磁荷的磁单极子。
根据麦克斯韦方程组，如果存在磁单极子，那么磁场的散度将不再为零，这将对电磁学理论产生深远影响。
理论预言与实验探索早在19世纪末，英国物理学家亨利·皮尔斯曼提出了磁单极子的概念，并预言了它们的存在。
然而，尽管科学家们进行了大量的实验探索，但至今为止还没有观测到磁单极子的存在。
这一现象引发了科学家们对磁单极子的研究兴趣，并推动了相关领域的发展。
在实验探索方面，科学家们使用了各种方法来寻找磁单极子。
例如，他们通过在高能粒子加速器中进行碰撞实验，希望能够产生出磁单极子。
然而，迄今为止，这些实验都没有观测到磁单极子的存在。
此外，科学家们还通过研究天然磁体和磁性材料来寻找磁单极子的迹象，但也没有取得明确的结果。
理论解释与挑战对于为什么我们还没有观测到磁单极子的存在，科学家们提出了一些理论解释。
其中一个解释是磁单极子可能不存在，这意味着麦克斯韦方程组是完整且准确的描述了电磁现象。
另一个解释是磁单极子可能存在，但它们的质量非常大，以至于我们无法在当前的实验条件下观测到它们。
还有一种解释是磁单极子可能存在，但它们的寿命非常短，以至于我们无法观测到它们。
这些理论解释都面临着挑战。
首先，如果磁单极子不存在，那么为什么我们观测到了电荷的存在？为什么电荷可以分离成正负两种？其次，如果磁单极子的质量非常大，那么为什么我们在高能粒子加速器中还没有观测到它们？最后，如果磁单极子的寿命非常短，那么为什么我们还没有观测到它们的衰变产物？磁单极子的应用前景尽管我们还没有观测到磁单极子的存在，但科学家们对其应用前景充满了希望。
一对极 磁铁
一对极磁铁小时候，詹姆斯·平弗德（James Pinfold）喜欢玩磁铁。
他回忆，那种无形的力量把金属物体吸在一起或分开，令他惊讶不已。
出于好奇，他曾经把一块磁铁锯成两半，试图把磁铁的北极和南极分开。
像其他曾经尝试过的人一样，平弗德最终只能得到一对更小的两极磁铁。
现在，平弗德已经是阿尔伯塔大学（University of Alberta）的物理学家了，他说：“我曾想，‘这太不可思议了’，为什么就没有独立的磁极呢？“平弗德从未停止思考这个问题。
如今他领导着一个实验，目的是寻找具有单个磁荷的理论粒子，这种单一磁荷有了北极就没有南极，反之亦然，它被称为磁单极子。
在物理学家提出的种种关于统一自然界基本力的理论中，它们的存在似乎是完全可能的，甚至是不可避免的。
然而几十年来，这种麻烦的粒子始终躲避着科学的搜寻。
科研人员已经搜寻了天空、海水和冰块，他们从北极和南极洲采集岩石样本，在陨石和月球尘埃中进行搜索，在近10 亿年前的矿石中寻找它们的踪迹。
可以说，在科学的历史上，无论从时间还是空间的角度，没有别的东西经历过同样规模的搜寻。
但是至今我们仍然一无所获。
但是物理学家们并没有打算认输。
平弗德正在耗资40 亿美元的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）上进行实验，通过筛选亚原子碎片寻找具有单极子特征的粒子。
科学家们也在密切关注来自太空的宇宙单极子。
甚至可以说，我们有可能已经发现了这神奇的粒子。
（图片来源：Dan Bishop/Discover）何必这样大费周章呢？因为磁单极子也许有助于打破粒子物理学当前的僵局。
经过了几十年的建立，标准模型（Standard Model）的框架已经能用量子力学的语言精确描述自然界四种基本力中的三种及其伴随的粒子。
然而，作为所有科学中最成功的理论之一，标准模型仍不完整，它无法描述引力，也不能解释暗物质的问题——这种神秘物质的量远超常规物质，是可见物质的5倍。
磁单极子：物理学家还在找找找
所有已知的磁体都有一对“南极”和“北极”，而且，无论把磁体分割得多小、多碎，新得到的每一段小磁体仍然会有两个成对的磁极。
那么，自然界中是否存在着只有“南极”或者只有“北极”的磁体，就像单独存在着的正电荷和负电荷一样？20世纪30年代，英国物理学家保罗·狄拉克在一篇论文中首次提出了这种可能性。
他预言，自然界存在一种只带单一磁极的粒子，叫做磁单极子。
狄拉克最初的目标并不是为了创立一个磁单极子的理论，而是为了解释电荷量子化，即，为什么我们观察到的粒子的带电量总是电子带电量的整数倍。
由于磁单极子的磁量和基本电量之间存在固定的换算关系，所以磁单极子概念的引入非常重要。
狄拉克之后，物理学家在许多前沿理论中也需要使用到磁单极子的概念，比如大统一理论预言，宇宙存在大量的磁单极子，其质量是质子的10的16次方倍；弦理论也可以证明超重磁单极子的存在，并指出超重磁单极子是在宇宙演化极早期的超高温度中产生的；甚至，暗物质的研究也需要用到磁单极子。
所以，磁单极子概念的引入很受欢迎，物理学家主观上非常希望它是真实存在的。
于是，近百年来，物理学家孜孜不倦地寻找磁单极子，比如在月面物质样本中寻找；在宇宙尘埃中寻找；或者在实验室中通过粒子加速器寻找。
有几次，物理学家确实公布了一些受人瞩目的消息。
比如，1982年的情人节，斯坦福大学的布拉斯·卡布雷拉记录到了一个“磁单极子通过超导线圈”的信号，引起了轰动。
然而，这种信号再也没出现过，卡布雷拉的发现也就成了一件悬案，也许那只是一次机器故障。
2009年，普林斯顿大学的希瓦吉·宋迪宣布，自己的团队在“自旋磁单极子：物理学家还在找找找苏凯米/文英国物理学家保罗·狄拉克28科 技 前 沿Frontier冰”晶体中观测到了类似磁单极子的物质，又引起了轰动，但后来证明，这次发现的物质与狄拉克预言的磁单极子不是一回事。
2014年，美国艾姆赫斯特学院的戴维·霍尔表示，自己的团队在人造磁场中，获得了“磁单极子的真实空间图像”，提供了证明狄拉克磁单极子存在的证据。
找不到的物质磁单极子
甘肃科技纵横
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 " !"$# 年 ! 科学家对 ’ 阿波罗 ( %! 号 #!& 号和 %’ 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 ! 竟没技纵横
磁单极子存在的麦克斯韦方程组
磁单极子存在的麦克斯韦方程组：探索磁学中的奥秘引言：在物理学中，麦克斯韦方程组是电磁学的基础理论。
然而，尽管它们在描述电场和磁场之间的相互作用方面非常成功，却没有包括磁单极子的存在。
磁单极子是一种只具有南极或北极的磁现象，这意味着它们可以像电荷一样存在。
然而，对于磁单极子而言，我们仍然面临着许多未解之谜。
在本文中，我们将讨论磁单极子的存在，并探索磁学中的奥秘。
第一部分：麦克斯韦方程组的现状麦克斯韦方程组是电磁学中最重要的理论之一。
它们由四个方程组成，分别描述了电场和磁场的产生和相互作用。
这些方程在描述电磁波传播、电磁感应和电磁辐射等现象方面均得到了验证。
然而，麦克斯韦方程组却没有包含磁单极子的概念。
第二部分：磁单极子的定义和性质磁单极子是指只具有南极或北极的磁现象。
与电荷相似，它们可以单独存在，并且可以产生类似于磁场的效应。
与电荷不同的是，迄今为止我们尚未观测到磁单极子的实际存在。
虽然一些理论模型和数学推导表明磁单极子的存在及其与磁场的相互作用，但我们仍然需要更多的实证证据来验证这一概念。
第三部分：对麦克斯韦方程组的扩展许多学者试图扩展麦克斯韦方程组以包括磁单极子的概念。
其中一种尝试是引入具有单磁极磁荷的新方程。
这些方程试图揭示磁单极子与电荷之间的相互作用以及它们的行为规律。
然而，这些尝试仍然是理论性的，并且需要进一步的实验验证。
第四部分：实验的挑战和未来的展望尽管科学家们进行了许多实验来寻找磁单极子的证据，但目前还没有得到令人信服的结果。
观测和分离磁单极子是非常困难的，因为它们没有被证明在自然界中普遍存在。
然而，随着技术的进步，未来的实验可能更有希望。
结论：磁单极子的存在是电磁学中一个重要的问题。
虽然麦克斯韦方程组是电磁学的基础理论，但它们没有包括磁单极子的概念。
我们需要进一步的实验和理论工作来验证磁单极子的存在，并深入研究它们与电荷和磁场的相互作用。
这将有助于我们更好地理解磁学中的奥秘，并推动科学在这一领域的发展。
宇宙膨胀背后的故事（18）：磁单极之谜
宇宙膨胀背后的故事（18）：磁单极之谜古斯（Alan Guth）听狄克的讲座时，他已经是到康奈尔一年多了，尚未真正开始物理学生涯，而且还面临着夭折的威胁。
此前他于麻省理工学院博士毕业，曾在赫赫有名的普林斯顿和哥伦比亚大学各做了3年的博士后，但一直没能找到正式教职。
这里时候的古斯已经31岁了。
年轻时的古斯在研究生和第一个博士后期间，古斯钻研夸克的相互作用，可是当他的论文刚发表就过时了，因为同时出现的“量子色动力学”（quantum chromodynamics）解决了有关夸克的困惑。
康奈尔当时的热门是威尔逊（Kenneth Wilson）教授发明的“格点规范理论”（lattice gauge theory），用计算机模拟计算夸克相互作用。
古斯在这里颇为得心应手，正着手撰写两篇论文，希望能成为教授职位的敲门砖。
尽管世界丰富多彩，但物理学家一直相信宇宙的一切——至少在最基本的物理层面是可以用一个最简单、最优美的“终极理论”（Theory of Everything）描述的。
牛顿发现行星绕太阳公转与苹果落地遵循的是同一个万有引力定律；麦克斯韦则是以一组漂亮的方程将电和磁的相互作用统一起来。
爱因斯坦在晚年孤独地为证明电磁力和引力也能合并成他的“统一场论”（Unified Field Theory），直到1955年逝世时依然没能找出头绪。
当日益强大的加速器发现了一个似乎更加五彩缤纷的微观世界时，物理学主流已经不怎么在乎引力了——引力的作用太弱，完全可以忽略不计。
但在电磁力之外却出现了两种新的作用力：将夸克等基本粒子约束在一起形成质子、中子的“强相互作用”和原子核衰变中的“弱相互作用”。
就在爱因斯坦去世的前一年，32岁的华裔物理学家杨振宁（Chen Ning Yang）和27岁的米尔斯（Robert Mills）一起提出了“规范场论”（gauge theory）。
他们发表的论文很短，不到5页，也没有能解决什么实际问题，却因为其理论的数学形式很吸引人而引起持续的注意。
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磁单极子之谜
马守田
在历史上,人们最初认为磁现象是正负磁荷产
生的。
但是,长期以来,从没有人发现过单独的磁北
极或磁南极。
因此,传统上认为磁是一种固有的双
极现象,即任何一块磁体无论怎样细分,最后每一小
块磁体总是显示出两个相反磁性区———磁北极和磁
南极,这就是两磁极的不可分性。
在安培提出分子
电流是物质磁性的基本来源之后,这种不可分性得
到了完满的解释。
此后又断言,单独的磁荷或磁荷
的基本单元———磁单极子是不存在的。
这一论断构
成了宏观电磁理论的基础,例如磁场的高斯定理就
是自然界不存在磁单极子的数学表述。
然而,这并
不妨碍探索微观领域中是否存在磁单极子成为物理
学家很感兴趣的一个课题。
自1931年狄拉克在理
论上预言存在磁单极子以来,试图证实磁单极子存
在的实验研究工作,一直都在进行。
一、磁单极子可能存在的依据
汤姆孙的猜想 自1897年发现电子以后,特别
是1909年密立根证实电子电量是电荷的基本单位
之后,汤姆孙等人从电与磁之间存在着某些对称性
考虑,猜测可能存在磁单极子。
既然有带正、负基元
电荷的质子和电子,为什么不可能有带相反极性的
基元磁荷———磁单极子呢?这是物质运动规律在很
多方面表现出的高度对称性所要求的。
反映电磁运
动基本规律的麦克斯韦方程组就揭示了电与磁的某
些对称性:变化的电场要激发磁场,变化的磁场也要
激发电场。
但是,它揭示出的电与磁的对称性却是
不完全的,因为它说电荷激发电场,却没有说磁荷激
发磁场;说运动电荷(电流)激发磁场,却没有说运动
磁荷(磁流)激发电场。
假若磁单极子存在,将麦克
斯韦方程组写成如下形式:
・D=ρe、 ・B=ρm、
×E=-9B
9t-j m、 ・H=9D
9t-j e。
(1)
式中ρe和j e为电荷密度和电流密度、ρm和j m为磁荷密度和磁流密度,那么麦克斯韦方程组所反映的电与磁的对称性就完全了:电场可由电荷、变化磁场和运动磁荷激发;磁场可由磁荷、变化电场和运动电荷激发。
所以,从电磁理论对称性考虑,可能存在磁单极子。
狄拉克的预言 存在磁单极子的一个有说服力的预言是狄拉克在1931年提出来的。
他根据量子力学研究一个磁单极子场中的单个电子时,发现角动量量子化要求基本电荷e和基本磁荷g之间有如下关系:eg= /2(其中 =h/2π)。
这样,磁单极子的存在就能用来解释电荷的量子化。
此外,这个狄拉克条件还预言:从一个磁单极子发出的磁通量是g(4πr2)/r2=4πg=h/e=2<0。
这正好精确地等于超导的磁通量子<0的两倍。
这个结果并不奇怪,因为两者的量子化条件都和角动量量子化有关。
大统一理论的支持 1974年特胡夫特和波利雅科夫分别证明,在带有自发破缺的规范理论中,存在磁单极子是必然的。
这一结论立刻被引入大统一理论———试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一起来的理论。
因为在大统一理论中也有所谓的真空自发破缺机制,所以也应当存在磁单极子。
而且对称自发破缺之后,可能存在许多不同的真空态,从而将空间分割成很多区域,这些区域交界处的场,可能就是磁单极子的场。
这里,磁单极子的磁荷也遵从狄拉克量子化条件,其质量约为质子的1016倍。
具有如此巨大质量的磁单极子,只可能在温度极高的宇宙大爆炸初期成对产生。
至于它在宇宙早期和现在可能具有的密度,各家看法很不一致。
有人认为,在宇宙早期,磁单极子数与质子数差不多,而宇宙膨胀至今,大约10000个重子对应一个磁单极子。
这比地球上金元素的含量还高。
还有人认为,磁单极子在宇宙早期就很少,至今已几乎没有了。
二、探测磁单极子的意义
如果上述猜想和预言能够得到证实,能在实验中发现或者俘获磁单极子,无论对于理论研究或者实际应用都具有极其重大的意义。
首先,如果确实探测到磁单极子,那么带相反极性的北单极子和南单极子就恰好与带正负电荷的质子和电子相对应。
这时麦氏方程组将改写成(1)式的形式,这不仅进一步完善了电磁理论的对称性,而且必将使我们更深刻地理解电磁现象的本质。
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・现代物理知识
其次,量子电动力学是目前解释和预测电磁现象较成熟的理论。
但是,至今认为两磁极是不可分的,因此量子电动力学理论就规定磁粒子流的强度恒等于零。
如果磁单极子确实存在,这样的规定就不能成立,必需对量子电动力学理论作较大的修正。
第三,我们知道,物质世界中存在电荷的最小单元,其意义是相当深刻的。
如果证实了磁单极子存在,狄拉克条件就为电荷量子化的事实提供了很好的解释。
第四,大统一理论认为,如果宇宙按通常认为的速度膨胀,早期应产生大量的磁单极子,而正负磁单极子的湮灭率是有限的,现在仍应有足够多的磁单极子,但是大量实验都没有发现磁单极子。
这说明磁单极子即使有也不可能太多。
这表明,或者大统一理论有缺陷,或者宇宙膨胀速度应加快,或者某些重要因素没有考虑到。
可见,探测磁单极子对宇宙起源理论和大统一理论都有重大意义。
如果磁单极子确实存在,并能被俘获和控制,目前对其实际用途还没有做出充分估计。
但是已有人认为,由于磁单极子的磁性很强,可以用来建造比当前能量高得多的粒子加速器。
据估计一个约2米长的磁单极加速器,其性能可以超过周长900米的传统圆形加速器。
此外,还可以利用磁单极子制造超小型、高效率的电动机和发电机,治疗癌症以及研究新能源。
还有人大胆设想,把一些磁单极子放在船上,有可能利用地磁场使船行驶。
三、探测磁单极子实验的进展状况
由于探测磁单极子有重要意义,所以国外不少人员都在想方设法寻找它。
各种探测方法都是根据目前在理论上预言的磁单极子的性质而提出的。
其性质是:磁性强,容易被外磁场加速;电离能力比宇宙射线强得多;质量很大;正负磁单极子相遇而产生湮灭时会产生许多光子等等。
最初,不少人企图用强磁场抽吸的办法,从岩石中寻找残存的磁单极子。
岩样包括海底岩石、月球上的岩石和各种陨石,但都没有成功。
也有人利用大型粒子加速器大量观察宇宙射线,试图从中寻找磁单极子留下的径迹。
例如1973年美国利用气球在约39千米的高空探测宇宙射线,气球上放置一台由33层塑料薄片、1层照像乳胶和1层照像底片组成的探测器,却并未发现磁单极子的径迹。
美国研究人员还在人造卫星上装置探测器,同样也一无所获。
这使很多物理学家对狄拉克的预言持怀疑态度,甚至狄拉克本人也说:“至今我是属于那些不相信磁单极子存在者之列。
”但还是有不少物理学家对探测磁单极子极感兴趣。
1975年,一个由美国加利福尼亚大学和休斯敦大学组成的联合小组,在高空气球上安装了一个探测宇宙射线的装置,记录各种宇宙粒子的径迹。
他们在对各种径迹进行显微分析后宣布,所观察的径迹中有一条电离性很强的粒子留下的径迹是磁单极子引起的。
这个粒子的质量比质子约大200倍。
这一事件在物理学界引起了极大轰动。
但是,随后有不少人对他们的发现提出了不同看法,认为他们探测到的不是磁单极子,而是像铂这样的重原子核,或很重的反粒子。
甚至还有一位参与该试验的研究人员出来证实,上述试验报告的部分论据引用了错误的实验数据,这次事件引起的轰动效应也随之烟消云散。
1982年,美国斯坦福大学的一个研究小组宣布,他们观察到一起“候补磁单极子事件”。
他们的探测器是用直径01005厘米的铌导线绕制成的一个环形线圈,线圈直径5厘米、共4匝,把它用作灵敏磁强计的传感探头。
磁强计和线圈都放在一个直径20厘米、长1米的圆筒形超导铅屏蔽之内,然后将它们装在阿姆科铁桶中。
这种组合在超导情况下可以屏蔽外界磁场的干扰,如果有一个磁单极子穿过铌线圈,必然引起线圈磁通量的显著变化,从而激发起超导电流。
这台探测器运行了38天,在1982年2月14日记录到一些磁通量的突然改变,其改变量恰好与满足狄拉克条件的磁单极子穿过铌线圈时引起的改变相同。
为了慎重起见,他们并没有宣称发现了磁单极子,而是报告他们观察到一起“候补磁单极子事件”。
此后,他们又启用了一个更先进的新探测器,但是至今没有听到其重复观测到磁单极子事件的报告。
虽然如此,由于那次事件得到的结果与理论预言相符,又不能用磁单极子以外的事件做出较好的解释,因而仍然受到各国科学家的重视。
这一事件增强了人们发现磁单极子的信心,所以有关磁单极子的理论研究和实验探索还在不断进行。
然而,最终能否真正探测到磁单极子,仍然是一个谜。
(内蒙古鄂尔多斯教育学院物理系 017000)
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