电单极子和磁单极子的统一模型

磁单极子探究摘要：物理学中的大部分定理和推论美在它的对称性，而最为经典的麦克斯韦方程组却存在不对称性。

出现不对称的关键在于是没有证据表明存在磁单极子。

本文对磁单极子存在下的麦克斯韦方程组进行推导，定义磁荷密度、磁流密度和电化磁流矢量，并给出磁荷守恒定律。

若假设磁单极子存在，在静场条件下，我们分情况讨论了麦克斯韦方程组的求解方法，以及磁单极子存在时电磁波的传播与辐射，并推导出磁单极子存在下的由时谐波形式构成的亥姆霍兹方程和磁荷守恒定律，以及良磁导体的条件。

我们还提出了一个磁单极子模型，该模型基于激光冷却方法控制原子，设想重新按原子的固有磁矩方向排布。

最后我们通过建立一种的电子与磁子模型，在量子力学框架内重新解释电子与磁子，并说明二者是同种粒子的不同状态。

关键词：电单极子，磁单极子，麦克斯韦方程组，电磁波，磁矩，激光冷却，磁单极子模型，电磁关系。

一、引言物理学中的大部分定理和推论美在它的对称性，而最为经典的麦克斯韦方程组却存在不对称性，关键就在于是否存在磁单极子，为此我们做出一些假设磁单极子存在的推导。

历史上对于磁单极子有很多大家都进行过预言，英国物理学家狄拉克首先在理论上预言磁单极子的存在并推到其可能存在的性质，狄拉克提出的磁单极子不仅使麦克斯韦方程组就有了完整的对称性，而且可以解释电荷量子化现象。

设磁单极子的磁荷量为g ，根据狄拉克的电荷量子化条件，电荷e 与磁荷g 有定量关系()/(2)e n hc g =。

其中n 使任意常数，c 为光速，h 为普朗克常数。

但磁子与电子必然有着内在联系，也有人已经用用纤维从理论对其进行了证明。

本文将运用一种新的电磁子，并引入量子化的以太对一些电磁理论进行新的探索。

对于麦克斯韦方程组中，B 0∇⋅=，而e D ρ∇⋅=，这就说明在现实世界中只有电荷存在，而磁荷却不存在，电荷可以激发电场，却没有磁荷激发磁场。

即存在非对称性，而在运动的电磁学研究中，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，在这一点上电磁学却满足完美的对称性。

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。

电场和磁场的统一理论研究电场和磁场是物理学中两个重要的概念，关于它们之间的关系和统一理论的研究一直以来都是科学家们的热点话题。

在麦克斯韦方程组的基础上，爱因斯坦首先提出了电磁场的统一理论，在他的创新理论中，电场和磁场不再被看作是两个孤立的现象，而是相互耦合和相互作用的统一整体。

他提出了著名的相对论电动力学，将电磁场描述为四维时空中的一个统一的对象。

相对论电动力学的提出引发了许多学者的兴趣。

他们通过数学模型和实验观测，试图解释电磁场的本质和相互作用机制。

他们发现，电磁场的传播是通过场的波动进行的，这就引出了电磁辐射的概念。

辐射可以看作是电磁场的一种扰动，它以波的形式传播，并具有能量和动量。

为了更好地理解电磁场的性质，科学家们进一步深入研究。

他们提出了电磁场量子化的理论，即量子电动力学。

量子电动力学将电磁场看作是由光子组成的，光子是电磁波的量子。

这一理论的提出，极大地推进了电磁场的研究和应用。

它不仅解释了电磁场的量子性质，还通过计算得到的结果与实验观测相吻合，进一步证实了理论的准确性。

然而，尽管电磁场的研究已经取得了许多重要的进展，但科学家们仍然面临着一些未解决的问题。

其中一个重要的问题是电磁场的量子重整化。

量子场论告诉我们，在电磁场的计算中，会出现无穷大的结果，这与实验观测不相符。

为了解决这个问题，科学家们提出了多种修正方案，例如引入截断和重正化等方法。

虽然这些方法在一定程度上解决了问题，但仍然存在一些争议和困惑。

除了量子重整化的问题之外，电磁场的统一理论研究还面临着其他挑战。

例如，如何将强相互作用和弱相互作用与电磁相互作用统一起来。

目前，科学家们提出了一些候选理论，如规范场论和弦理论，试图达到这一目标。

这些理论尝试将电磁场和其他场的相互作用描述为统一的数学框架，以便更好地解释物理现象。

总的来说，电场和磁场的统一理论的研究是一个复杂而富有挑战性的领域。

通过各种理论和实验的研究，科学家们不断推进我们对电磁场的认识，并不断扩展我们对自然界的理解。

狭义相对论统一电场与磁场"将电场和磁场融合，探究彼此间的联系，我们看见了狭义相对论中的统一."狭义相对论统一电场与磁场一、介绍狭义相对论（SRT）是20世纪著名的理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的一项重大发现，它阐明了物理宇宙的基本规律，使宇宙的客观真理和物质运动获得了科学的解释。

它是一个全面的物理学理论，既包括空间和时间，也包括动力学和相对论原理。

它还解释了多个自然规律，发现了多个新物理现象，如比较原理、相对论畸变、爱因斯坦仰角等。

结合物理定律，物理学家可以用狭义相对论来解释电场和磁场的实质，并统一电场和磁场，提出了电磁场的概念。

电磁场的发现，不仅造就物理学的发展，也催生了科技技术的飞跃，也极大地拓宽了人类认识宇宙的视野。

二、电磁场的概念电磁场是一个由电场与磁场组成的统一体。

电磁场是由电荷和其它物体产生电场，此外，电磁场除电场外，还可以产生磁场。

站在医学的角度，电磁场的统一是认识电动势的统一，也就是能量的统一，电动势和磁动势可以统一认为是能量，在多种情况下电场和磁场都可以体现能量的存在，所以这些能量实际上是相同的。

三、狭义相对论对电磁场的影响“狭义相对论”不仅影响物理宇宙本身，也影响了电磁场的发展。

按照《狭义相对论》要求，通过电动势和磁动势的统一，我们必须认识到是电动势产生了磁动势，磁动势也可以产生电动势，这就确立了电磁场的概念，即电场和磁场可以统一理解为一个整体，即电磁场。

自从《狭义相对论》发展以来，物理学家都通过狭义相对论来解释宇宙的本质，去理解和研究宇宙中的物质反应，而这些反应正是通过电磁场而产生的。

四、宇宙中电磁场的应用宇宙中电磁场是一种重要的物质力场，可以在多种物理、化学以及生物研究中起着重要作用。

比如，宇宙中的电磁场对宇宙物质本身的变化起着重要的影响，它使得高能的粒子，如电子和质子，构成原子的基本模型。

另外，宇宙中的电磁场也可以帮助我们获取能源，如通过太阳能工程。

麦克斯韦模型公式麦克斯韦模型公式是描述电磁场的基本方程之一，由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出。

它是电磁学中的重要定律之一，可以用来描述电磁场的产生和传播。

麦克斯韦模型公式由四个方程组成，分别称为麦克斯韦方程组。

这四个方程分别是：麦克斯韦-高斯定律、麦克斯韦-法拉第定律、安培环路定律和麦克斯韦-安培定律。

首先是麦克斯韦-高斯定律，它描述了电场的产生和分布。

它的数学表达式是∇·E=ρ/ε0，其中∇·E表示电场的散度，ρ表示电荷密度，ε0表示真空中的介电常数。

这个方程表明了电场的散度与电荷密度之间的关系。

接下来是麦克斯韦-法拉第定律，它描述了电磁感应现象。

它的数学表达式是∇×E=-∂B/∂t，其中∇×E表示电场的旋度，B表示磁感应强度，t表示时间。

这个方程表明了电场的旋度与磁感应强度变化率之间的关系。

然后是安培环路定律，它描述了磁场的产生和分布。

它的数学表达式是∇·B=0，其中∇·B表示磁场的散度。

这个方程表明了磁场的散度为零，即没有磁单极子存在。

最后是麦克斯韦-安培定律，它描述了电流和磁场的相互作用。

它的数学表达式是∇×B=μ0J+μ0ε0∂E/∂t，其中∇×B表示磁场的旋度，J表示电流密度，μ0表示真空中的磁导率。

这个方程表明了磁场的旋度与电流密度和电场变化率之间的关系。

麦克斯韦模型公式的提出，对电磁学的发展产生了重大影响。

它不仅统一了电场和磁场的描述，还揭示了电磁波的存在和传播规律。

麦克斯韦模型公式的应用广泛，涉及到电磁场的各个方面，如电磁波的传播、电磁感应现象、电磁场的能量传递等。

麦克斯韦模型公式是电磁学中非常重要的基本方程之一，它描述了电磁场的产生和传播规律。

通过麦克斯韦模型公式，我们可以深入理解电磁场的本质和特性，进一步推动电磁学的发展。

一磁单极子介绍这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质，如果找到了它们，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。

确定它的存在就可能改变物理的一些存在定理和发展方向，因为在大家的常识中磁极总是成对出现的一旦发现磁单极子就会改变大家的常识，也就会颠覆一些传统理论，磁单极子并不是空穴来风，一定有其提出的理论根据，接下来介绍磁单极子相关定义。

提到磁单极子就必须提到磁单极，对于磁单极按照大家理解的就是把一根磁棒截成两段，可以得到两根新磁棒，它们都有南极和北极。

事实上，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。

因此，人们认为磁体的两极总是成对的出现，自然界中不会存在单个磁极。

然而，问题也就来了，磁和电有很多相似之处。

例如，同种电荷互相推斥，异种电荷互相吸引；同名磁极也互相推斥，异名磁极也互相吸引。

用摩擦的方法能使物体带上电；如果用磁铁的一极在一根钢棒上沿同一方向摩擦几次，也能使钢棒磁化。

但是为什么正、负电荷能够<单独存在>相对存在，而单个磁极却不能单独存在呢？多年来，人们百思而不得其解。

一般看来，磁的来源总是同电相关的，即由电的运动(电流)产生磁场，而且产生生物质磁性的磁矩也是同自旋和电荷相联系的，但是科学家的脚步不会停下来的，对于这种理论的提出，使人们认识到了磁单极子存在的可能性，这时候不得不提起组成磁单极子的磁单极粒子，单极粒子作为物质的基本构成，它的单独存在可能非常困难，或者可能极其微弱以致无法测量，从二元论的角度分析可能会更合理些，如纯的吸引性粒子和纯的排斥性粒子，曾经作过广泛的探查，而且每当粒子加速器开拓新能区或发现新的物质源（例如从月球上取来岩石）都要重新进行磁单极粒子的的搜索。

在磁单极粒子的理论研究方面，磁单极粒子的研究为磁单极子的研究提供了方向。

在很多大统一理论暗示我们的宇宙中存在大量磁单极子，但我们从未找到过它们。

为解决这个‘单极子问题’，标准暴涨模型认为发育成我们整个可见宇宙的种子是如此微小的量子涨落，以致它仅仅含有一个单极子。

61科苑观察KE YUAN GUAN CHA摘要：人们对磁单极子的认识完全处于无知状态。

本文主要对常见的电磁现象的分析，提出磁单极子就是组成磁场的粒子。

狄拉克所预言的磁单极子其实很普通也很常见磁单极子是坡印廷矢量与电场耦合的产物。

关键词：电磁场；坡印廷矢量；坡电耦合；磁单极子狄拉克曾预言磁单极子存在他认为磁单极子是与电荷对称的一种粒子在狄拉克预言后，科学家一直苦苦地寻找至今也没找到。

磁单极子是什么，怎么样，人们都心存疑惑。

本人认为，磁单极子就是组成磁场的粒子。

这种磁单极子是由坡印廷矢量与电场耦合产生的。

一、磁单极子运动的物体具有坡印廷矢量。

运动的粒子（质子、中子、电子）同样具有坡印廷矢量。

运动速度V和坡印廷矢量S之间的关系式是V=KS/u0（K为量纲系数，K=m•m/A•A，u0为真空磁导率）。

坡印廷矢量S与电场矢量E、磁场矢量H之间的关系是S=E×H，H=S×E，带量纲运算时H=MS×E (M= s•s•s•s/m•kg) ，S×E 的物理意义是坡印廷矢量S与电场矢量E耦合（这种耦合称为坡电耦合），它们耦合的结果是磁场矢量，即磁场强度H，同时坡印廷矢量S、电场矢量E 和磁场强度H三者之间成右手系关系。

坡印廷矢量S与电场矢量E耦合产生的磁场矢量具有规定的方向性，也就是说，磁场矢量的方向是单向的。

这种磁场矢量就是磁单极子。

常见的电磁现象，如永磁体和通电导体周围的磁场就是由磁单极子构成的。

二、分析奥斯特实验在奥斯特实验中，当导线中有电流通过时，小磁针发生偏转，改变导线中电流的方向，小磁针偏转的方向也改变。

奥斯特实验证实：通电导体周围存在磁场，磁场的方向跟电流的方向有关。

通电直导线周围的磁感应强度为B= u0I/2∏r（u0为真空磁导率，I为导线中的电流强度）下面对奥斯特实验进行分析（一）对小磁针发生偏转的分析在奥斯特实验中，当直导线中有电流通过时，小磁针发生偏转。

1 磁单极子的提出1.1 电磁对称性的要求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,即便你将它分成两半,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,或者说,磁性粒子通常总是以偶极子(南北两极)的形式成对出现,这同物质的电性有着明显的区别,因为正负两种电荷是可以单独存在的.这样就造成了磁和电的不对称,使描述电磁现象的麦克斯韦方程组也显得不对称.在麦克斯韦方程组中,0∇⋅B = ,而e D ρ∇⋅= ,这意味着和电荷相对应的磁荷(磁单极)不存在.因此在经典的电磁理论中,电和磁并不处在完全对称的地位.对这一点,人们不很满意.如果自然界有磁荷存在,只要假定所有粒子的磁荷与电荷的比值是同一常数,总能通过适当的数学变换使麦氏方程组仍具有目前的这种形式.在电磁运动中,麦氏方程组一方面告诉我们,电与磁有对称性,即变化的电场要产生磁场,变化的磁场要产生电场;另一方面又告诉我们电与磁的对称性是不完全的,即有电荷激发电场,却没有磁荷激发磁场;有运动电荷激发磁场,却没有运动的磁荷激发电场.假如磁荷存在,那么产生磁场的方式可以有三种:磁荷、运动电荷、变化电场.产生电场的方式也可以有三种:电荷、运动磁荷、变化磁场.两者完全对称,相应的麦氏方程组也完全对称.正是这种对称性的思想,使汤姆逊等人在20世纪初就萌发了磁荷可能存在的猜想.为了使麦克斯韦方程组具有更高程度的对称性,物理学家们都希望自然界存在着磁单极.1.2 狄拉克的预言1931 年,英国物理学家保罗·狄拉克（P.A.M.Dirac ）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,没有分离的磁单极子,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,分析了量子系统波函数相位的不确12π定性后,他指出理论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g 与电荷的电荷量q 关系为:(1,2,3,...)2qgnn c == (1.1)这个关系式被称为狄拉克量子化条件,式中 为普朗克常量的.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n 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.根据磁单极子的理论,电和磁之间的相似将更加完美.著名的物理学家杨振宁教授于1983年5月在北京所作的一次学术报告中,盛赞狄拉克的磁单极子假设是他的“神来之笔”.当1n = 时,所对应的最小电荷0q 和最小磁荷0g ,分别称为单位电荷和单位磁荷.将,,c π 的数值带入狄拉克量子化条件,可以得知最小磁荷0g 比基本电荷0q 大得多,这是磁单极子的一个重要特性.这意味着异性磁荷之间的吸引力,起异性电荷之间的吸引力要强得多,必须在很强的外力作用下才能把成对的相反磁荷分开.狄拉克认为这就可以解释,为什么电子早已发现,而磁单极子却难以找到.狄拉克的预言启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极子的工作.2 磁单极子存在的理论探索2.1 大统一理论允许存在磁单极子1974年荷兰的特胡夫特和苏联的玻利科夫各自独立地证明,在带有自发破缺的规范场理论中,要求存在磁单极子.这个结论可以任意推广到基本粒子的大统一理论(即认为电磁、弱和强三种相互作用有同一来源的理论),因为在大统一理论中,也有所谓真空自发破缺机制,因此也应该有磁单极子.而且,对称性自发破缺之后,可能存在许多不同的真空态,从而空间分割成许多区域,这些区域交界处的场可能就是磁单极子存在的场.它的磁荷g 也遵从狄拉克的量子化条件,并可得到磁单极子的质量为1016GeV(或约为20ng ).即约为质子质量的1016倍,又即16212210/()g m G eV c c he ε=≈ （2.1）式中ε是大统一理论的能量尺度.这样一个超重的磁单极子将只能在宇宙诞生时的大爆炸发生后的10-35秒钟内产生.只有在那时才有足够的热量(几乎达到1030K)来产生磁单极子.北磁单极子和南磁单极子都将形成.它们之中的一小部分将合到一起湮没掉，物理大部分则将免于湮没的命运.2.2关于磁单极子存在的理论探究2.2.1狄拉克的理论论断1931年狄拉克在寻求电荷的量子化的解释时,预言了单个磁极的存在,并给出了电荷与磁荷的关系:/2(137/2)g n c e ne ng === （2.2）其中 是约化普朗克常数;n 是一个非零的整数;c 是光速;e 表示电荷;g 表示磁荷; 068.5g e =是单位磁荷.Dirac 的论断对磁单极的理论研究和实验寻找工作起了重要的推动作用.但是许多年里没有一个实验物理学家找到磁单极子存在的证据.2.2.2 从麦氏方程进行理论推导如果从电荷的正、负性质考虑到磁极的“同斥异吸”而引入磁荷、体密度,则麦氏方程Ⅰ可写为Ⅱ(2.3)可见引入磁荷密度m ρ,及磁流密度m j 后,场方程形式完全对称,如果我们作对偶变换:'cos 'sin E E H ϕϕ=+ 'cos 'sin D D B ϕϕ=+'sin 'cos H E H ϕϕ=-+ 'sin 'cos B D B ϕϕ=-+场源也以同一方式变换:'cos 'sin e e m ρρϕρϕ=+ 'cos 'sin e e m j j j ϕϕ=+'sin 'cos m e m ρρϕρϕ=-+ 'sin 'cos m e m j j j ϕϕ=-+直接代入麦氏方程组Ⅱ,可证明方程组的形式不变.由电动力学方程在对偶变换下的不变性表明,粒子具有电荷而不具有磁荷是不完整的.如果我们选择ϕ角,使00m m j ρ== ，,这时得到的电动力学方程就是通常的麦氏方程组I,加果从44e m D B πρπρ∇⋅=∇⋅=与分析,可见m e ρρ与的对称性相反,即(,')(,)e m m e ρρρρ→-,这就说明空间反演电磁矢要改号:(',')(,)E H H E →- 加果依量子力学的观点,电磁场的量子用波函数表述:123123()()x x x t A x x x t ρ ，,则引i e γϕΦ=入(微观粒子运动波函数位相改变与相因子i e γ有有关).从而,(1,2,3,...)i i i i i i e i i x x x γγπϕπ⎛⎫∂Φ∂∂=+== ⎪∂∂∂⎝⎭其中 （2.4） 而波函数的位相决定于动量和能量.4440121242212412422m m e e m j m e e D D B B B B E E j C t C t C D D H j H j C t C C t C ρπρπρπρπππ±⎧⎧∇⋅=∇⋅=⎪⎪∇⋅=∇⋅=⎪⎪⎪⎪⎪⎪I −−−−→II ⎨⎨∇⨯=-∇⨯=+⎪⎪⎪⎪⎪⎪∇⨯=+∇⨯=+⎪⎪⎩⎩引入如果123(,,,)x x x t ϕ对应的算符i p ,则123(,,,)x x x t Φ对应的动量算符为:将(2.5)式与(2.6)式比较,i i eA π=,这意味着引入不可积相因子123(,,,)x x x t γ 和引入电磁势一样.当我们绕闭合回路一周时,2()i i L dx n ππγ=+∆⎰回路 (2.7)而i i i i L Ldx e A dx e B d s π==⋅⎰⎰⎰⎰(2.8)将(2.7)式与(2.8)式比较可知,磁通量与绕回路一周时相位的变化相关.0ϕ=当时,γ是完全不确定的.0ϕ→当时,γ应有明显的变化.这样沿着一条线的端点,如果我们包围这个端点,此时()=0γ∆回路,则 可见,这一通量不为零,说明该闭合曲面内有磁单极子存在.2.3 存在磁单极子的理论假设狄拉克提出磁单极子的预言后,还有许多科学家提出了其他学说,它们各有其特点和根据.比较著名的有:全对称磁单极子学说(应用磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件);量子力学磁单极子学说(应用纤维丛新数学方法);规范磁单极子学说(应用统一规范场理论);相对论性耦合场磁单极子学说(应用爱因斯坦- 麦克斯韦耦合场);超弦磁单极子学说(应用超弦理论和四维规范模型);超对称和超弦磁单极子学说等.著名的美籍意大利物理学家费米曾经从理论上探讨过磁单极子,并且认为它的存在是可能的.华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家,也从不同方面和不同程度地对磁单极子理论做出了补充和完善.它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足,给磁单极子的存在以更坚实的理论根据.一些寻求统一电、弱与强相互作用的理论也预言了磁单极子的存在.但这些所谓大统一理论预言的单极子的质量大约为质子质量的 1016倍对于实验来说太i i i i i p p eA ieA x x →+⎧⎪∂∂⎨→+⎪∂∂⎩(2.5) (2.6)2s e B d s nπ⋅=⎰⎰大了.欧洲核研究中心(CERN)的zrides等人的理论研究给出了磁单极子与质子的比率的极限约为1:1020.预期每平方公里的面积上每年约有200个磁单极子通过.这个理论第一次对磁单极子的质量和通量同时作出了估计.这些估计为实验工作者指出了新的探索领域.综上所述,多年理论研究结果表明,磁单极子是存在的,当然,最后还有待于实验去证明.在这方面人们也作了不少的工作.3 通过实验探究磁单极子的现状3.180多年的努力不见踪迹自从1931年狄拉克大胆地预言磁单极子的存在以来,有些人对各种岩石、土壤、陨石,包括从海底和月球上得到的样品,企图用强磁场抽吸可能残存在这些样品中的磁单极子或者找寻磁单极子在其中留下的径迹,有些人用宇宙射线、高能加速器甚至人造卫星作实验,结果都丝毫未发现磁单极子的痕迹.于是,许多物理学家对磁单极的假设持怀疑态度,但也有很多物理学家在继续探索这个问题.3.2一次没有得到肯定的实验结果1975年,美国加州大学的一个科研小组宣布,他们用一个装有探测宇宙射线仪器的气球在距地面40KM的高空,记录到一条电离性能很强的粒子留下的径迹.他们认为这是磁单极子的事例.这件事曾一度轰动了物理学界.但不久以后,有些物理学家提出质疑,认为这条径迹并不具有确定性,它可以是一个很重的原子核留下的,也可以是一个很重的反粒子留下的.而且该科研小组的解释在统计学上也不合理.因此,这个结果最后没有得到物理学界的承认.3.380年代初出现的希望1982年,美国斯坦福大学的茨勃兰(Cabrera)作了一个实验.他把一个直径为5cm的铌线圈降温到9K,使之成为超导线圈,并把它放在一个超导的铅箔圆筒中.该圆筒可以屏蔽掉一切带电粒子的磁通量,只有磁单极进入铌线圈后可以引起磁通量的变化.2月14日下午,他的仪器测到磁通量突然跳高了8个刻度,这正好是一个磁单极进人线圈引起的变化.到3月11日止,该实验共做了151天.茨勃兰非常谨慎,他没有宣布发现磁单极子,只是报道了实验结果,与理论上的预言符合,尚不能用磁单极子以外的其他事件作出满意解释,因而受到广泛重视.当然怀疑茨勃兰实验结果的也不少.自1982年以来,包括茨勃兰在内的世界物理学家尚未能重复这个结果.3.4 国内学者对磁单极子的研究2004年12月,一组来自中国、日本、瑞士的科学家,报告了发现磁单极子存在的间接证据.他们在铁磁晶体中观察到两个反常霍尔效应,认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象.一本美国出版的《科学》杂志,报道了中科院物理研究所证明了磁单极子存在的消息.该所的研究员详细分析了晶格倒空间（动量空间）中的势能奇点问题,提出其实质上相应于晶格倒空间的一种磁单极存在形式.这种磁单极并非存在于实际空间,而是存在于晶体的动量空间中,具有很低的能量并且能够在实验中很容易观测到.最直接的方法是测量磁性晶体中的反常霍尔效应.他们基于以上理论,直接计算出了钙钛矿型钌氧化物中的反常霍尔系数,并与日本著名实验科学家十仓好纪实验小组测量实验结果一致.3.5 自旋冰里的发现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.另外,一组日本物理学家在2009年5月召开的国际中子散射大会上,也曾报告在自旋冰中观测到了磁单极子类似物存在的证据.科学家们什么时候能找到真正的磁单极子,乃至真正的磁单极子是否存在,仍然是个神秘的问号.4 研究磁单极子的意义4.1 磁单极子对物理学发展的理论价值由于磁单极子问题不仅涉及物质磁性的来源和电磁现象的对称性,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,因此研究磁单极子具有重大的理论价值.磁单极子已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口,磁单极子问题与物质磁性的来源、电磁现象的对称性、同性电荷的稳定性、电荷的量子化等有关.如果磁单极子确实存在,电荷的量子化就能得到合理解释,现有的电动力学和量子电动力学就需要进行必要的修改.磁单极子问题与宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关,磁单极子的引出对轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克对称等难题等,都能给以较好的解释,物理学以及天文学的基础理论也将有重大的发展,人们对宇宙起源和发展的认识会再深入一步.在对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间尺度,不仅给物理学带来了活力,促进了物理学特别粒子研究技术如加速器的发展,而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战.4.2 存在磁单极子时麦氏方程组的对称性如果在实验上真的找到了磁单极子,它将对物理学产生重要的影响.首先,麦克斯韦电磁理论将得到进一步修正.现在的麦氏方程组将只是一种特殊情形,它不包含磁单极子.而普遍情形下的电磁场方程将是完全对称的.相应地,电动力学和量子力学也要作必要的修改.目前麦克斯韦方程组为:,e t ρε∂B ∇⋅E =∇⨯E =-∂ (4.1) 0210,e j c t μ∂E ∇⋅B =∇⨯B =+∂(4.2)e ρ为电荷密度,e J 为电流密度.这组方程隐含着电流连续性方程,只要对磁场的旋度方程求散度,而()0∇⋅∇⨯B =,并由电场的散度方程,得到0e m j t ρ∂∇⋅+=∂ (4.3) 假若磁单极子存在,设其密度为m ρ,磁场的散度方程便应改写为m ρ∇⋅B = ,但这时若对电场的旋度方程求散度,左边给出()0∇⋅∇⨯E = 而右边给出mt ρ∂-∂,因此这方程也必须修改.设磁荷运动形成的磁流密度为m J ,它也应当遵从连续性方程(即磁荷守恒),即0m m j tρ∂∇⋅+=∂ (4.4) 因而电场旋度方程应当修改成m j t ∂B ∇⨯E =--∂ ,考虑到真空中00,D H εμ=E B = ,麦克斯韦方程组可修改成,e m D j t ρ∂B ∇⋅=∇⨯E =--∂(4.5) ,m e D H j tρ∂∇⋅B =∇⨯=+∂ (4.6) 从源和场两方面看,这组方程都显示出十分优美的对称性.总结综上所述,磁单极子的存在及其集体激发行为已经成为解决一系列重大物理问题的必然要求.电磁理论的完美对称同样期待着这一神秘粒子的出现.然而,磁单极子到底存在与否,却是一个未解的谜.有些人对此产生了怀疑,即使是狄拉克本人到了晚年也对磁单极子的存在变得不那么肯定.当然,同时也有许多人坚信磁单极子是存在的,没能找到它们,是由于异性磁荷结合得太过紧密,以至于现有的高能粒子尚不能轰开它们.例如,著名的弦论学家Polchinski就认为,磁单极子的存在是物理学中一个可打的前所未有且最为可靠的赌,同时他也承认要预言具体何时能发现磁单极子是非常困难的.人们最不愿看到的尴尬情形是,理论物理学家预言了某事物的存在,而同时又认为该事物可能永远也见不到.假如磁单极子的质量真的处在大统一理论的尺度的话,就远远超出了加速器所能达到的范围.宇宙的不断膨胀把大爆炸可能产生的磁单极子大大稀释了,这又增加了在宇宙射线中进行捕获的难度.由于磁单极子的存在不仅对电磁理论而且对天文学乃至整个物理学的基础理论都将产生巨大的影响,仍然值得物理学家不遗余力地去寻找它们.致谢:在此真诚的感谢段马威老师在我做论文过程中对我的指导和帮助.参考文献:[1]郭硕鸿. 电动力学[M].3.北京: 高等教育出版社.2008. 3～29[2]王忠亮. 电磁学讨论[M].成都: 四川教育出版社.1988[3] 叶禹卿. 磁单极子浅析[J].北京教育学院学报, 2006(1),15～19[4]张登玉. 试谈磁单极子[J].大学物理,1994(12),33～35[5] 张登玉. 磁单极子与电磁对称性[J].衡阳师范学院学报,2009(6),30[6] 张之翔. 磁单极强度的单位与电磁对称性[J].大学物理,1988(11),5[7] 刘光华. 磁单极子进展概述[J].大学物理,2010(11),29。

磁单极子—搜狗百科 电磁，电磁，在许多人的印象里，电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟，也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶。

说到电，必然也会说到磁；提到磁，自然也离不开电。

如充满宇宙中的电磁波，它们对于我们来说简直就是如雷贯耳，因为它们对宇宙天体和生命物质发挥着极为重要的作用，它们就是电性和磁性的统一体。

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，如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次，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。

但是，实际上，就像再美满恩爱的夫妻也会有性格上的差异和其它方面的不谐调，磁和电这对佳偶也并非是完全对称的，这种不对称性不论从宏观还是微观上都有所反映。

在宏观上，从地球、月球、行星到恒星、银河系和河外星系，不可胜数的天体以及辽阔无垠的星际空间，都具有磁场，磁场对天体的起源、结构和演化都有着举足轻重的影响；可是电场在宇宙空间几乎无声无息，对丰富多彩的天文学似乎毫无建树。

而从微观上看：在磁与电的关系中，磁性是更为本质的东西，我们可以用磁来制约电，却不能用电来制约磁(用电产生磁，例如电磁铁，则是另外一回事)。

在电现象里，带电体可分割成单独带有正电荷和负电荷的粒子，正、负电荷可以单独存在；而磁体的两极总是成对出现，无论磁针被分割成多少部分，无论把它分割得多么小，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极，长久以来，人们从来没有发现过单独存在的磁极——磁单极子。

多少年来，人们一直对电、磁这种宏观和微观上的不对称感到困惑不解，特别是为什么正、负电荷能够单独存在，而单个磁极却不能单独存在，对此人们更是充满了诸多的疑问。

那么，磁单极子到底存不存在呢？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。

电磁学：电与磁的统一电磁学是物理学的一个重要分支，研究电和磁现象之间的关系以及它们的统一性。

在电磁学中，电和磁被认为是相互关联的，它们之间存在着密切的联系和相互转化的现象。

本文将从电和磁的起源、电磁场的概念、麦克斯韦方程组以及电磁波等方面来探讨电与磁的统一。

一、电和磁的起源电和磁的起源可以追溯到古代。

早在古希腊时期，人们就发现琥珀经过摩擦后能够吸引小物体，这就是静电现象的最早发现。

而磁铁的发现可以追溯到中国古代，人们发现磁铁能够吸引铁物体。

然而，直到17世纪，科学家们才开始系统地研究电和磁的现象，并逐渐揭示了它们之间的关系。

二、电磁场的概念电磁场是电和磁相互作用的媒介。

根据麦克斯韦方程组的描述，电荷和电流产生的电场和磁场相互作用，形成了电磁场。

电磁场具有传播性，可以通过电磁波的形式传播。

电磁场的概念的提出，使得电和磁的统一得以实现。

三、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是电磁学的基础，它描述了电场和磁场的生成和演化规律。

麦克斯韦方程组由四个方程组成，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应定律的修正形式。

这四个方程统一了电和磁的描述，揭示了它们之间的密切联系。

四、电磁波电磁波是电磁场的一种传播形式，它是由电场和磁场相互耦合而形成的波动现象。

电磁波具有电磁场的传播性质，可以在真空中传播，并且速度是光速。

电磁波的频率和波长决定了它的性质，不同频率的电磁波具有不同的特性，比如射线、微波、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。

五、电磁学的应用电磁学的研究对现代科技的发展起到了重要的推动作用。

电磁学的应用广泛涉及到电力、通信、电子技术、医学、材料科学等领域。

比如，电力系统的输电和配电、无线通信技术的发展、电子设备的制造和使用、医学影像技术的应用等都离不开电磁学的理论和方法。

六、电与磁的统一的意义电与磁的统一意味着电磁学的建立，它揭示了电和磁之间的密切联系和相互转化的现象。

电磁学的发展不仅推动了科学的进步，也为人类社会的发展带来了巨大的影响。