关于磁单极子的研究和讨论-物理学院-朱彬-PB12203082省公开课一等奖全国示范课微课金奖

关于磁单极子研究和讨论物理学院级朱彬PB12203082第1页学习中联想与思索我们在《电磁学与电动力学（上）》前几章中学习了空间中静止电荷激发电场，我们能够经过积分和利用电场叠加原理求得五花八门带电所激发空间中各点场强。第2页学习中联想与思索电与磁就像是一对孪生弟兄，相生相伴、形影不离。在日常生活中我们总是喜欢把电和磁联络在一起，因为对“电生磁、磁生电”电磁场理论应用极大方便了我们生活。在了解电过程中，我们认识了电子。在学习磁过程中我们当然也期望认识“磁子”。“磁子”通常叫做磁单极子，它是含有单一磁极（只有北极或只有南极）磁性物质，它周围磁感线分布类似于点电荷电场线分布。第3页磁单极子最先提出英国物理学家狄拉克是首先预言存在磁单极子物理学家。他在创建著名狄拉克方程后，于1930年首先预言了正电子存在，两年之后正电子就被C.D.安德森在试验中发觉。基于他方程，狄拉克还预言了另外两种基本粒子——只有南极或只有北极磁单极子。这是两种虚无缥缈粒子，因为它们完全来自于纸上计算，而正电子在被预言之前最少人们已经知道了电子存在。不过，既然电荷能够被分为独立正负，那么磁似乎也应该能被独立出南极和北极。对于物理学家来说，这才是“对称”。以后，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，方便最终能完成所谓“大统一理论”时，一些理论也预言了磁单极子存在。第4页磁单极子定义

在理论物理学弦理论中，磁单极子是指一些仅带有N极或S极单一磁极磁性物质，它们磁感线分布类似于点电荷电场线分布。可是它们到底存不存在呢？？？第5页磁单极子存在性身边许许多多现象和试验都似乎指向“磁单极子是不存在”答案~~在电现象里，带电体能够分割成单独带有正电荷和负电荷基本粒子，正、负电荷能够单独存在；而磁体南北两极总是成对出现，不论磁体被分割成多少部分，不论把它分割得多么小，新得到每一段小磁体依然有两个磁极，这给试验上观察磁单极子带来了极大困难，同时也增加了人们认识磁单极子好奇心。不少科学家所以认为磁极在宇宙中总是南北两极互补分离，成正确出现，对磁单极子存在质疑。第6页寻找磁单极子艰辛历程即使寻找过程是艰巨，依然有许多勇敢科学家不停地尝试。。。

1975年，美国科学家利用高空气球来探测地球大气层外宇宙辐射时偶然发觉了一条轨迹，当初科学家们分析认为这条轨迹便是磁单极子所留下轨迹。第7页寻找磁单极子艰辛历程1970年代，美国物理学家阿兰·古斯（AlanGuth）在康奈尔大学做博士后期间，与合作者研究宇宙早期磁单极子产生。这个研究没有让他在磁单极子方面做出突破，却让他对宇宙学做出了一个主要贡献。1979年12月7日，已经到了斯坦福线性加速器中心工作古斯在他初稿纸上写下了“惊人领悟”。前一天晚上计算让他相信，从当初粒子物理和宇宙学假设推导出去，早期宇宙中会产生过量磁单极子。处理这个矛盾方法是，宇宙早期经历了“暴涨”阶段。古斯成为暴涨理论创始人。第8页寻找磁单极子艰辛历程1982年2月14日，在美国斯坦福大学物理系做研究布拉斯·卡布雷拉宣称他利用超导线圈发觉了磁单极子，然而事后他在重复他先前试验时却未得到先前探测到磁单极子，最终未能证实磁单极子存在。遗憾。。。竟然没法得到先前结果！！！第9页寻找磁单极子艰辛历程是在1970年代，美国斯坦福大学物理学家布拉斯·卡布雷拉（BlasCabrera）用电线建造了一个仪器，来探测宇宙射线中磁单极子。假如有磁单极子从仪器中经过，仪器就会得到一个8磁子（磁子是一个常数）信号。他确实得到了一些信号，但都是一两磁子而已，从来没有超出3磁子。

1982年情人节，卡布雷拉没有到试验室工作。而当他再次回到办公室时候，诧异地发觉仪器恰恰在情人节这天统计到了一个8磁子信号。今后，卡布雷拉建造了更为大型探测器，想要寻找更多这么信号，却再也没有找到。著名物理学家史蒂芬·温伯格在1983年情人节还专门写了一首诗送给卡布雷拉：“玫瑰是红色，紫罗兰是蓝色，是时候找到单极子了，第二个！”

可是直到今天，并没有些人再次找到过磁单极子，卡布雷拉当年发觉也所以令人生疑。物理学家们尝试过在月面物质样本中寻找，也尝试过在粒子加速器碰撞试验中寻找，但都一无所获。第10页寻找磁单极子艰辛历程自旋冰里发觉

年1月，美国普林斯顿大学物理学家希瓦吉·颂提（ShivajiSondhi）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。自旋冰是一个奇特物质，它组成物磁性离子排列方式与水冰中氢离子排列方式相近，因而得名。自旋冰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。在靠近绝对零度时候，这些磁性离子排列遵照“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。

假如四面体里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，与它相邻四面体里则只有一个离子指向内部。这么一来，这两个失去平衡四面体就像是磁铁南极和北极了。接下来，假如邻近四面体中离子也发生转向，那么这种不平衡性就会传递下去，这么话，就相当于南极和北极只由一条离子组成弦连接，弦中离子一个指着一个。这么就形成了类似磁单极子人造物。自旋冰不是H20结成冰第11页寻找磁单极子艰辛历程曾经在，德国和法国两个科学家小组在9月4日出版《科学》杂志上汇报他们在一个特殊晶体中观察到了“磁单极子”存在！！！不过事实证实这只是一个漂亮“误解”。

在两篇论文中，德国亥姆霍兹材料与能源中心乔纳森·莫里斯（JonathanMorris）领导团体和法国Laue-Langevin研究所汤姆·芬内尔（TomFennell）领导团体分别汇报在自旋冰晶体中观察到了类似磁单极子“准粒子”。之前一些研究中已经有迹象显示这种准粒子可能存在，此次两个团体发觉首次确凿地证实了这一点。莫里斯和同事则用磁场将自旋冰里弦进行扩展，然后用中子散射来证实这些弦真存在，进而证实弦两端分别有北极和南极。狄拉克曾经预言过“狄拉克弦”，那是一条假想连接两个磁单极子一维曲线。莫里斯等人确实探测到了弦存在，但狄拉克弦理论上是无法观察到，所以二者仍有区分。莫里斯等人取得磁单极子也非真正粒子。第12页寻找磁单极子艰辛历程值得一提是，磁单极子理论为量子力学主要概念“Berry相位”几何解释提供了理论基础。参数空间中虚拟磁场把Berry相位和磁单极子紧密联络在一起，最近在关于超冷原子-分子转换系统Berry相位理论研究中，惊奇地发觉了带分数磁荷磁单极子。伴伴随磁单极子理论提出，科学界掀起了一场寻找磁单极子狂潮。人们绞尽脑汁，采取了各种各样方法，去寻找这种理论上磁单极子。在对磁单极子进行寻找过程中，人们收获到总是一次又一次地失望。在一次又一次沉重失败晦暗中间，也曾不时地闪现过一两次美妙希望曙光。尽管如此，科学家们并没有气馁和放弃，他们仍在不停地寻找着机会，相信对追求科学和真理执着一定能够创造让全部些人震惊奇迹。第13页学以致用依据我们已经学过高斯定理、法拉第电磁感应定律等，倘若认可磁单极子存在假设，那么它们会变成什么样呢？以下是推导结果：竟然变得如此不一样？！！第14页参考文件1.C.Castelnovo;R.Moessner1,S.L.Sondhi.Magneticmonopolesinspinice.Nature.3January,451:42–45.doi:10.1038/nature06433.2.Magnetic