磁单极子是否存在.doc

磁单极子是否存在最近，英国自然杂志于2014年1月30日刊登了一篇报道磁单极子被发现存在的证据的文章，马上引起整个科学界的震动。那么，什么是磁单极子？它是否真的存在呢？电和磁向来被认为是一对，麦克斯韦的电磁学理论和方程也是对称和完美的典范，但是实际上电和磁又有明显的不对称：有单独存在的电子和正电子，正负电荷可以分开独立存在，而南北磁极则总是成对出现。实际上，磁单极子这种东西，最初在科学家的眼中是被看做不存在的，物理学上最早认为磁性物质一定都存在两个磁极，单独一个S极或N极的物质在科学家的眼中是荒谬的。电磁学的开创人麦克斯韦在计算他的方程的时候，曾经因为对称性考虑过磁单级子的存在，不过最后还是放弃了。而现代物理学基石狭义相对论也认为，我们所知的磁场只是电场的相对论效应，考虑磁单级子存在，是不现实的。这种想法一直到了1931年，才出现了转机。那一年，量子力学巨匠保罗狄拉克(Paul Dirac)在方程中预言，既然存在“电荷”，那么也应该存在单独极性(也就是只有一个磁极)的“磁荷”，即“磁单极子”。狄拉克认为，如果考虑电磁的对称性，磁单极子是有可能存在的。可以说，从那时开始，磁单级子这种东西在理论上就站稳了脚跟，而后不少研究都认为磁单级子有可能存在。然而，寻找磁单级子这种东西，却不是一件容易的事，科学家对此在实验中探索了数十年，然而至今依然无果。关于磁单极子是否存在一直没有定论，现存在两种设想。第一种设想是“磁单极子”根本就不存在。虽然人们早就发现电和磁有很多相似之处。例如，电荷周围存在电场，变化的磁场周围也存在电场。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。但是，它们也有一些完全不同的地方，在电现象中，有电荷，并且正、负电荷可以单独存在，而在磁现象中，人们并没有发现“磁荷”，同时磁体的“N”极和“S”极也不可能单独同时存在。因为一块磁体，无论你怎样细分，分得再小，它总有N极和S极，这是理由之一。理由之二是根据“磁现象的电本质”理论来说，“磁单极子”根本不存在。人们已经知道磁极和电流均可以产生磁场，电流磁场对磁体的作用与磁体磁场对磁体的作用是相同的，于是科学家通过研究得知运动起来的电荷可以产生磁场(该理论1876年美国的罗兰用实验证明了这一点)，这就是磁现象的电本质。法国科学家安培受此启发，提出了著名的分子电流假说。安培认为，在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流分子电流，分子电流使每个微粒都成为微小的磁体，它的两侧是极性不同的两个磁极。安培的这一假说可以解释很多磁现象，同时也解释了磁体具有磁性是由于磁体内部微小磁体在受外界磁场作用下分子电流方向大致相同的结果。根据这一假说也同样可以说明磁单极子不可能存在，因为产生磁场的原因是因为有小磁体，也就是说产生磁的本质是由于电流表的运动，电流的运动产生的磁场必有“N”“S”极(右手定则)。第二种设想是“磁单极子”确实存在。前面提到，早在1931年英国物理学家保罗狄拉克（Paul Dirac）利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在。从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极粒子的工作。在物理学上，寻找新粒子通常有两条途径：一条途径是通过“守株待兔”的方法观测从宇宙空间中飞到地球的粒子，另一种途径是通过高能粒子加速器产生出新的粒子，目前均无收获。1968年，吴大峻和杨振宁推广了狄拉克弦的理论，给出了磁单极子矢量势更好的描述方式，并得到了第一个杨一米尔斯(Yang-Mills)场方程的解，这个解描述了一个点状且到处带有1/r势的磁单极子，这种磁单极子被称为吴杨磁单极子。1975年，美国的科学家利用高空气球来探测地球大气层外的宇宙辐射时偶尔发现了一条轨迹，当时科学家们分析认为这条轨迹便是磁单极粒子所留下的轨迹。1982年2月14日，在美国斯坦福大学物理系做研究的布拉斯卡布雷拉宣称他利用超导线圈发现了磁单极粒子，然而事后他在重复他先前的实验时却未得到先前探测到的磁单极粒子，最终未能证实磁单极粒子的存在。内森塞伯格（Nathan Seiberg）和爱德华威滕（Edward Witten）两位美国物理学家于1994年首次证明出磁单极粒子存在理论上的可能性。2009年9月，德国和法国的两个科学研究小组在当月出版的科学杂志上发表论文，宣布他们在一种特殊的晶体中观察到了“磁单极子”的存在以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。下面着重介绍几种重要理论：一、狄拉克对磁单极子的预言1931年，狄拉克对电磁场理论做了研究后认为：电磁场应当对称，“如果大自然不应用这种可能性，简直令人惊诧”。他认为出现不对称的原因是电磁场只有磁矩，没有分离的磁荷（磁极），如果存在磁单极子，静磁场就会与电场一样，电磁现象的完全对称性就可以得到保证。根据对电动力学和量子力学的合理推演，分析量子系统波函数相位的不确定性后，他指出理论上允许只带一种磁极性的粒子（磁单极子）单独存在，论证了以磁单极子为基础“对称量子电动力学”存在的可能性。狄拉克提出一种新粒子（磁单极子）后，不仅使麦克斯韦方程具有了完全对称的形式，而且可以解释电荷的量子化现象。狄拉克研究了一个电子在磁单极子的磁场中的运动，认为磁单极子磁荷量与电荷的电荷量关系为：qg/hc=n/2（n=1,2,3）这个关系式被称为狄拉克量子化条件，式中h为普朗克常量的1/2。狄拉克量子化条件指出：任何带电粒子的电荷必须是单位电荷的整数倍，任何带磁粒子（磁单极子）的磁荷必须是单位磁荷的整数倍。狄拉克量子化条件中的为整数，揭示了磁荷和电荷的不连续性，解释了物理学中一直悬而未决的“电荷量子化”难题。二、自旋冰中的磁单极子 2008年1月，美国普林斯顿大学的物理学家希瓦吉颂提(Shivaji Sondhi)等人在英国自然杂志上发表文章指出，“自旋冰”里可能包含磁单极子。自旋冰是一种奇特的物质，它的磁性离子的排列方式与水冰中氢离子的排列方式相近，因而得名。自旋冰的结构是一个一个四面体顶点相接，每个顶点上有一个磁性离子。在接近绝对零度的时候，这些磁性离子的排列遵循“冰法则”，在每个四面体里，必定有两个离子将北极指向内部，另外两个指向外部。如果四面体里的某个磁性离子因为某种原因发生了转向，那么情况可能就变成，这个四面体里有三个离子指向内部，与它相邻的四面体里则只有一个离子指向内部。这样一来，这两个失去平衡的四面体就像是磁铁的南极和北极了。接下来，如果邻近的四面体中的离子也发生转向，那么这种不平衡性就会传递下去，这样的话，就相当于南极和北极只由一条由离子构成的弦连接，弦中的离子一个指着一个，这就形成了类似磁单极子的人造物。芬内尔等研究人员为了观察这种磁单极子，利用中子去测量自旋冰晶体内离子的散射模式。结果发现，散射的结果与假设磁单极子存在的计算机模型预测的一致。德国亥姆霍兹研究中心的学者们在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。他们研究的材料是一种钦酸摘单晶体，这种材料可结晶成相当显著的几何形状，也被称为烧录石晶格。在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用磁场就可影响弦的对称性和方向，将晶体里的弦进行扩展，从而降低弦网络的密度以促成磁单极子的分离。结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了磁单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。研究人员认为，此项技术将产生深远的影响，更重要的是，它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离。在此项工作中，研究人员首次证实了磁单极子以物质的非常态存在，即它们的出现是由偶极子的特殊排列促成的。莫里斯对此结果进行了进一步的解释，他认为此项工作正在书写新的物质基本属性。一般来说，这些属性对于具有相同拓扑结构(烧录石晶格上的磁矩)的材料来说都是适用的。三、量子云可模拟磁单极子研究人员明确提出宇宙大爆炸应该创造了磁单极子这种基本粒子，但目前为止从没有人检测到亦或在实验室内创造出这东西。在自然杂志2014年1月发表的文章中，一个由马塞诸塞洲阿默斯特大学的大卫霍尔（David Hall）领导的研究团队成功在一个模拟状态下的一团极低温Rb原子内重建了这么一个狄拉克磁单极子，低温状态下的原子证实了Paul Dirac 83年前的假说。霍尔的团队遵循了由芬兰阿尔托大学（Aalto University）的研究员Ville Pietil和Mikko Mttnen提出的理论，模拟探究一个电子在磁单极子的附近的状态如何，这个模拟的磁单极子由数以百万计的冷却至绝对零度以上亿分之一度的Rb原子构成。在这种条件下，原子开始失去独立时的特征并开始转变为一种被称为玻色-爱因斯坦聚集态（以下简称BEC）的可收集量子态。对单极子的新研究是最接近于真实的磁单极子，因为所创造的模型是最接近于狄拉克磁单极子的理论。磁单极子学说自从1931年提出以来，到现在一直受到实验观测和理论研究的重视。这是因为磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源，电磁现象的对称性，而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关，故成为科学界关注的一个重要课题。最近，一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说，他们发现了磁单极子存在的间接证据，他们在一种被称为铁磁晶体