电磁学---磁单极子的魅影

电磁学探究性学习成果理学院第24研究小组 2011-5-31磁单极子魅影辛晓旭武龙程鹏张海超（西北工业大学理学院应用物理系11051001/11041001班）论文摘要：系统的阐述了磁单极子理论的探索发展之路，较为全面的总结了近几十年来科学界对磁单极子的探索历程。

我们研究小组集合了众多参考文献中的主流思想，求同存异，将诸多观点恰当的融合为一体。

前辈们很多探索方法很值得我们借鉴，在学习前人经验的基础上，我们将尽力大胆实践新的探索方法，来探寻磁单极子。

关键词：磁单极子，磁荷，磁单极子分离，电磁对称。

目录一、磁单极子设想的提出及定义…………………0 4二、磁单极子研究对物理学的重大意义 (06)三、物理学历史上对磁单极子的研究历程 (07)四、学术界对磁单极子是否在现实中存在的论述 (02)五、总结——磁单极子魅影闪烁 (13)六、参考文献 (14)一、磁单极子设想的提出及定义英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）早在1931年利用数数学公式预言了磁单极子的存在。

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子的工作。

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均无收获。

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子，最终未能证实磁单极子的存在。

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子存在理论上的可能性。

所谓磁单极子，它是理论物理学弦理论中指一些仅带有N极或S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。

这种物质的存在性在科学界时有纷争，截至目前尚未发现这种物体。

可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

对于磁单极子的强度，通常有两种定义方法：利用磁场强度日或磁感应强度来定义，磁单极子强度采用磁场强度或磁感应强度定义时的公式对照表:电 磁 电荷 磁荷（用磁场强度定义） 磁荷（用磁感应强度定义）符号q g e F qE = 定义式 e F qE =(E 的单位：1V m -⋅)m F gH = (H 的单位：1A m -⋅)m F gB = (B 的单位：1A m -⋅) SI 单位A s ⋅ V s ⋅ A m ⋅ 库仑定律 122014e r q q F e r πε= 122014e r g g F e r πμ= 01224e r g g F e r μπ''= 电磁场散度e D ρ∇⋅= m B ρ∇⋅= 0m B μρ'∇⋅= 电场旋度B E t ∂-∇⋅=∂ m B E J t ∂-∇⋅=+∂ 0m B E J t μ∂'-∇⋅=+∂ 洛伦兹力 ()m f q E v B =+⨯ ()m f g H v D =-⨯ 21m f g B v E c ⎛⎫''=-⨯ ⎪⎝⎭磁的产生总是与电息息相关。

电荷的运动产生磁场，而物质磁性的产生也是和电荷相联系的。

我们都有这样的常识，一条磁铁总是同时拥有南极和北极，即使你把它分为两半，它也会立刻产生新的南极和北极，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，或者说，磁性粒子通常是以偶极子的形式成对出现。

这同物质的电性有着明显的区别，因为正负电荷是可以单独存在的，这样就造成了磁和电的不对称性，使描述电磁现象的麦克斯韦方程组也变得不对称，例如电位移矢量的散度为电荷密度，而磁感强度的散度却为零。

但是，获得1933年诺贝尔物理学奖的英国物理学家保罗狄拉克却在1931年首先提出了磁单极子理论，从理论上预言了磁单极子存在的可能性。

他认为既然宇宙中存在着带基本电荷的电子，那么理应有带着基本“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的工作。

磁单极子这种粒子听起来虚无缥缈，令人难以置信，因为他们完全来自于纸上的计算。

但是对于电荷都能够被分为单独的正电荷和负电荷，那么磁似乎也能被分离为独立的南极或北极。

对于大自然来说，这才是完美的对称。

后来在20世纪八十年代，物理学家在试图将弱电相互作用与强电相互作用统一在一起，以便能完成最终的“大统一理论”时，其中某些理论也预言了磁单极子的存在。

在磁单极子的理论研究方面，也曾提出过多种学说，各有其特点和根据。

例如，除狄拉克最早提的磁单极子学说外，还有磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的全对称磁单极子学说：由著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等提出的采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说；应用统一规范场理论的规范磁单极子学说：应用爱因斯坦-麦克斯韦耦合场的相对论性耦合场磁单极子学说；应用超弦理论和四维规范模型的超重磁单极子学说；超对称和超弦磁单极子学说等。

二、磁单极子研究对物理学的重大意义磁单极子的预言如果能被证实，或在实验中发现或者俘获磁单极子，那么，无论对于理论研究还是实际应用都具有极其重大的意义。

第一，人们所熟知的量子力学和电动力学都是解释和预测电磁现象较为成熟的理论，但其理论的基础是认为两磁极是不可分开的。

因此，若磁单极子真的存在，就要对两大力学理论做出较大的修正。

第二，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。

第三，磁单极子亦是现代宇宙早期演化学说中的一个重要因素。

宇宙大统一理论认为，如果宇宙早期的演化过程与科学家们所推测的结果一致，即宇宙大爆炸。

在爆炸过后的缓慢冷却过程中，应产生大量的磁单极子，虽然正负磁单极子会产生湮灭，但毕竟这种概率是有限的，所以现在仍应有足够多的磁单极子，但经过大量实验人们并没有发现磁单极子的身影。

这明了什么呢?宇宙大统一理论有缺陷?宇宙膨胀速度与人们的计算值不符?又或者有什么更神秘的物质对其造成影响?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。

第四，在对磁单极子进行探索的过程，对物理学特别是粒子研究技术如加速器的发展．具有很大的促进作用。

第五，因为磁单极子复杂的相互作用过程，与目前我们所了解的一般电磁现象截然不同。

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，同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等，磁单极子的引出还与同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称性等难题等，都能给以较好的解释。

尽管迄今为止还没找到磁单极子，但是，在关于磁单极子理论研究和实践探索的半个多世纪中，采用了量子理论、相对论和统一场论的复杂理论手段。

联系到最广袤的宏观世界和最细微的微观世界，涉及到极漫长的和极短暂的时问尺度，它不仅给物理学带来了活力，而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战。

三、物理学历史上对磁单极子的研究历程十九到二十世纪，随着人们对电和磁的了解越来越深入，人们开始猜测，电和磁应该像一对孪生兄弟一样具有完全的对称性。

电和磁确实有许多相似之处：带电体周围有电场，磁体周围也有磁场；同种电荷相斥，同名磁极也相斥；异种电荷相吸，异名磁极也相吸；变化的电场能激发磁场，变化的磁场也能激发电场；用摩擦的方法能使物体带上电，用磁铁同向摩擦几次铁棒，也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。

1931年，著名的英国物理学家狄拉克首先从理论上用极精美的数学物理公式预言，磁单极子是可以独立存在的。

他认为，既然电有带有基本电荷的粒子——电子存在，磁也应有带有基本磁荷的粒子——磁单极子存在，这样，电磁现象的完全对称性就可以n eg =hc 4π得到保证。

因此，他根据电动力学和量子力学的合理推演，前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来。

磁单极子具有磁荷g ，而且电荷与磁荷之间有如下关系：4n eg hc π= 其中h 是普朗克常数，c 是真空中光速，n 是任何整数，磁荷g 比基本电荷e 大得多。

以前，狄拉克曾经预言过正电子的存在，并已经为实验所证实，这一次他的磁单极子假设同样震惊了科学界。

除了狄拉克，还有许多科学家也对磁单极子产生浓厚的兴趣。

如美国著名的物理学家费米也曾经从理率低色散的代稀土光学玻璃，从而使成本大大降低。

同时打破了国外在军用光学玻璃技术上对我国实行的封锁，这项科研成果获得了当时我国科技领域的最高荣誉—— 国家科委发明奖和中科院优秀奖。

随着磁单极子的提出，科学界由此掀起了一场寻找磁单极子的热潮。

人们绞尽脑汁，采用了各种各样的方法，去寻找这种理论上预言的磁单极子。

科学家首先把寻找的重点放在古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石上，日本物理学家后藤等人检验了露出地面的铁矿石和铁陨石碎片。

这些具有磁性的物体，会像吸铁石一样，吸收从宇宙深处飞来的磁单极子。

他们使用了强度为6万高斯的脉冲磁场，一次脉冲的时间约为1毫秒。

他们期待利用这套装置把宇宙线中的磁单极子吸附上。

然而，结果令他们失望，仍然一无所获。

类似的实验在海底、矿山、深海沉积物和地球大气等，都有人做了多次。

结果都以失望告终，没有找到一个磁单极子。

高能加速器是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段。

科学家利用高能加速器加速核子(例如质子)，冲击原子核，希望这样能够使理论中的紧密结合的“正负”磁单极子分离，以求找到磁单极子。

美国布鲁克海文实验室就利用同步回旋加速器，使300亿电子伏的质子与轻原子核碰撞，但是没有发现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。

经过一次次的失败后，科学家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依据有两方面：一方面是宇宙射线本身可能含有磁单极子，另一方面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俘获。

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。

我国科学家曾经设计过一个实验：实验方式：在气球等实验平台上，沿各个方位次第放上超导量子干涉仪之类的仪器，以最大限度地捕捉各个方向的磁单极子。