磁单极子存在下的A-B效应

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。

§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。

弦理论研究取得重大突破《科学》：首次在实物中发现磁单极子的存在推动物理学基础理论研究，书写新的物质基本属性德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员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，首次观测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。

该研究成果发表在9月3日出版的《科学》杂志上。

磁单极子是科学家在理论物理学弦理论中提出的仅带有北极或南极单一磁极的假设性磁性粒子。

在物质世界中，这是相当特殊的，因为磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形式成对出现。

磁单极子这种物质的存在性在科学界时有纷争，迄今为止科学家们还未曾发现过这种物质，因此，磁单极子可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

英国物理学家保罗·狄拉克早在1931年就利用数学公式预言磁单极子存在于携带磁场的管（所谓的狄拉克弦）的末端。

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子工作。

科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获。

此次，德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森·莫里斯和阿兰·坦南特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钛酸镝单晶体，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。

在中子散射的帮助下，研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”，此名得自于偶极子本身的次序。

如此一个可控的管（弦）网络就可通过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。

在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。

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。

磁单极子和磁荷
磁单极子是一种理论上存在的物理实体，也称为磁荷或磁单极。

与原子的电子带有电荷不同，磁单极子带有磁荷，是一种只存在于理
论上的“单极子”，具有自旋磁矩。

其磁矩大小由其磁荷的大小所决定，最初由英国物理学家保罗•狄拉克在1920年提出。

磁单极子与普通的磁物质不同，它们只有一个磁性极，而不是同
时拥有南北极。

磁单极子的发现引起了对于磁学基本规律的重新审视
和探索，研究表明磁单极子能够产生与电子带电的效应相似的磁效应。

更有机构和学者认为，用人工制造方式生产磁单极子是完全可能的，
并且已经有实验室利用人工手段制造出了磁单极子。

磁荷的存在开辟了全新的磁学研究领域，进一步扩展了磁学的研
究视野。

磁荷直接导致电磁感应，与电荷一样，磁荷也可以相互排斥
或吸引。

这意味着磁荷可以用于制造新型设备，如快速传输数据，其
中磁荷可作为数据传输的载体，同时也为设计新型的储能器提供了极
大的发展空间。

不过，其他学者则持不同观点，认为磁单极子或磁荷只是理论产物，并不存在于自然界中。

然而，磁荷引发的磁场改变现象却已实实
在在地存在，磁荷理论也已经深入人心。

总之，磁单极子作为磁学基本单元之一，尽管其实际存在还有待
研究，但其重要性不可小觑，对于深入磁学的研究和发展具有重要作
用。

关于磁荷是否存在于自然界，今天仍有争议，但无论其实际存在
与否，磁荷理论都为人们探索更加广阔的磁学领域提供了思路和指引。

电动力学复习题一．选择题1. Maxwell能够创立统一的电磁场理论，关键是他发现了A . 电流的磁效应；B．电磁感应定律;C．电荷守恒定律；D．位移电流。

( D )2. 毕奥-萨伐尔(Biot-Savart)定律给出了A. 一个电流元Idl在磁场中所受的力;B. 二个电流元之间的相互作用力;C．运动电荷在磁场中所受的力;D．恒定电流激发的磁场。

( D )3．矩形波导中的截止波长λC为A 2×（m2／a2＋n2／b2）－(1/2)B 2×（m2／a2＋n2／b2）(1/2)C 2(1/2)×（m2／a2＋n2／b2）－(1/2)D [2×（m2／a2＋n2／b2）]－(1/2)( A )4. 波导内截止波长λC的物理意义是A．只有波长λ大于λC的波才能够通过；B．只有波长λ等于λC的波才能够通过；C．只有波长λ小于λC的波才能够通过；D．以上答案都不对。

( C )5．质子在加速器中被加速，当其动能为静止能量的3倍时，其质量为静止质量的A．两倍；B. 四倍; C. 六倍; D. 八倍。

( B )6．统一的电磁场理论主要是由下列哪位物理学家创立的。

A．安培；B.法拉弟； C.库仑；D麦克斯韦。

（ D ）7．电磁波斜入射到两种介质的界面时，其场强振幅的关系叫A．麦克斯韦公式; B. 亥姆霍兹公式; C. 达朗贝尔公式; D. 菲涅耳公式。

（ D ）8．电荷量为Q 距电位是零的平面导体表面为D 的点电荷，其象其电荷是A. Q ; B.εQ; C. －Q；D. Q／ε。

（ C ）9．下列说法正确的是A．磁单极总是存在的；B．矩形波导管和圆柱形波导管都不能传播TEM波；C．高斯定理只适用于静电场；D．毕奥-萨伐尔定律只适用于感应电场。

（ B ）10．下列说法错误的是A．光是一种电磁波；B．声波也是一种电磁波；C．电磁波不一定是偏振的；D．TE10波也是横波。

（ B ）11. 电场强度和电位的关系是__C_。

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。

如果存在磁单极子则麦克斯韦方程组中需要改写的式子是高斯定律磁场的高斯定律如果存在磁单极子，麦克斯韦方程组中需要改写的式子是“磁场的高斯定律”。

在传统的麦克斯韦方程组中，磁场的高斯定律是一个零值方程，即磁场无法产生磁荷，只能由电流产生。

然而，如果存在磁单极子，磁场中就会存在类似电荷的磁荷。

麦克斯韦方程组是描述电磁现象的一组非常重要的物理方程。

它由四个方程组成，分别是高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培定律。

这四个方程描述了电磁场的产生、传播和相互作用的规律。

麦克斯韦方程组中的磁场的高斯定律表示为：∇·B=0其中，∇·B表示磁感应强度B的散度。

这个方程表明，在传统的麦克斯韦方程组中，磁场B的散度为零，即磁场无法产生磁荷。

然而，根据磁单极子的存在假设，磁场中存在磁荷，这就意味着磁场的散度应该不为零。

因此，磁场的高斯定律需要进行修改，以适应磁单极子的存在。

在改写磁场的高斯定律之前，我们首先需要介绍磁单极子的概念。

磁单极子是一种假想的粒子，它只有一个磁荷，并且不存在磁荷的N极和S极的对应关系，而且没有发现它的存在迹象。

磁单极子的存在是基于对麦克斯韦方程组中的对称性破缺的考虑。

磁单极子的存在意味着磁场中存在类似电荷的磁荷，这就需要改写磁场的高斯定律。

假设磁场的磁感应强度B的散度为一个非零值ρ_m，那么磁场的高斯定律可以表示为：∇·B=ρ_m其中，ρ_m表示单位体积内的磁荷密度。

在这个改写后的磁场的高斯定律中，磁场的散度不再为零，而是和磁荷密度有关。

这表示磁场中存在磁单极子，并且磁单极子的存在会对磁场产生影响。

当我们考虑磁单极子存在时，麦克斯韦方程组的其他三个方程仍然保持不变。

这三个方程是高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培定律。

它们描述了电荷和电流对电磁场的产生和相互作用。

总结起来，如果存在磁单极子，麦克斯韦方程组中需要改写的式子是磁场的高斯定律。

在传统的麦克斯韦方程组中，磁场的散度为零，即磁场无法产生磁荷。