磁单极子与电磁对称性

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。

磁单极子的电磁关系和教学设计作者：伊厚会，姚延立来源：《教育教学论坛》 2013年第33期伊厚会，姚延立（滨州学院理论物理研究所物理与电子科学系，山东滨州256603）摘要：分析了磁荷存在时的麦克斯韦方程组、电磁对称关系、边界条件、磁洛伦兹力和四维矢势等。

通过实施教学，利于学生对电磁关系的理解和思维能力的培养。

关键词：电磁关系；磁单极；麦克斯韦方程组中图分类号：G423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）33-0200-021831年，狄拉克注意到麦克斯韦方程组中电和磁的不对称性从理论上预言磁单极子是可以独立存在的。

根据电动力学和量子力学的合理推演，认为磁单极子的存在能解释电荷的量子化并前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来。

随着磁单极的提出，科学界由此掀起了一场寻找磁单极的狂潮。

目前科学家从各种岩石、土壤、陨石、海底和以及月球上的样品中均未发现磁单极子的痕迹。

在教学中介绍磁单极的前沿知识，理论上讨论磁单极存在时的电磁关系仍有非常重要的意义。

本文总结了磁荷存在时的麦克斯韦方程组，电磁对称关系，边界条件和四维矢势等，不仅有助于加强学生对电磁关系的理解，而且有助于学生物理思想和思维能力的培养。

一、磁荷存在时的麦克斯韦方程组麦克斯韦分析随时间变化的电磁场，引入位移电流后，建立了如下方程组：二、边界条件在两种介质的界面上，根据麦克斯韦方程组可以得到电磁场的边值关系：结论：本文分析总结了磁荷存在时的麦克斯韦方程组，电磁对称关系，边界条件和四维矢势和磁单极子对物理学的影响，通过实施教学不仅有助于学生理解电磁关系、体会物理学的对称美，而且有助于学生对物理思维能力的培养。

参考文献：[1]陈驰一，李康.Maxwell理论的电磁对偶性[J].浙江大学学报（理学报），2001，28（1）：27-34.[2]苏琨.磁单极与电荷量子化[J].宁夏大学学报，2001，22（4）：390-392.[3]阎明.关于磁单极和电荷量子化条件的探讨[J].上海海运学报，1999，20（3）：127-131.[4]蔡圣善，朱耘.经典电动力学[M].上海：复旦大学出版社，1985：76-78.[5]张宇译.物理学与微观物理学[M].科学技术出版社，1963.[6]郭硕鸿.电动力学[M].北京：高等教育出版社，1984.基金项目：滨州学院教学研究项目（BYJYZD201010）；滨州学院重点课程（BZXYZDKC200912）作者简介：伊厚会（1976-），男，山东费县人，博士，副教授，主要从事大学物理，电动力学等方面的教学和研究。

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。

磁单极子如果存在对电磁理论的影响磁单极子是一种假设存在的磁场源，它类似于我们所熟悉的电荷，而电荷是电场的源。

磁单极子的存在对电磁理论有很大的影响，下面将详细介绍磁单极子对电磁理论的影响。

在传统的电磁理论中，磁场是由电流所产生的。

根据安培定律，当电流通过导线时，会产生一个闭合的磁场回路。

而磁单极子的存在意味着磁场可以由单独的磁性粒子产生，就像电场可以由单个电荷产生一样。

这一假设被提出后，人们开始研究磁单极子对电磁理论的影响。

首先，磁单极子的存在改变了电磁场的对称性。

在 Maxwell 方程组被归纳为一个更为对称的形式之前，电磁理论的一大困扰就是其对称性的不完全。

正常情况下，磁场旋度为零，即无法找到类似于电荷的源来产生磁场。

然而，如果磁单极子随电荷一起存在，磁场一样可以由单极子产生，从而使电磁场的对称性得以完善。

其次，磁单极子对电磁波的传播产生了重要影响。

在传统的电磁理论中，电磁波是由霍兹(Hertz)发现的，它由振荡的电场和磁场共同组成。

然而，如果存在磁单极子，根据洛伦兹力的作用原理，当电磁波经过磁单极子时，会发生一种相互作用，使得电磁波的传播速度发生变化。

这种相互作用可以通过引入磁单极子-电荷耦合项来实现，从而改变了电磁波在空间中的传播性质。

再次，磁单极子的存在对于电磁场的量子化具有重要影响。

电磁场的量子化是量子电动力学的基础，它描述了电子、光子等粒子与电磁场的相互作用。

在标准的量子电动力学中，电荷的量子化被广泛接受，但磁单极子仍然是一个开放的问题。

如果磁单极子存在，那么量子电动力学的形式将得到修改，新的基本粒子和自旋之间的相互作用将会产生。

最后，磁单极子的存在可能导致磁场的各种有趣现象。

例如，根据磁单极子-电荷相互作用定律，当磁单极子与电荷相互作用时，可能会发生类似于电荷之间的库仑力的作用。

这可能会带来全新的磁学现象和应用，如磁单极子存储器和磁单极子逻辑门等。

总的来说，磁单极子的存在对电磁理论产生了诸多影响。

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。

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。

.引言电与磁的对偶性是指电场与磁场之间的一种对称关系，它们之间虽然用来描述这两种场的有关物理量概念不同，但是在一定条件下，可以用相同的数学模型来描述。

我们在研究电磁场的过程中会发现，电与磁经常是成对出现的，电场与磁场的分析方法也有相当的一致性例如，在静电场中，为了简化电场的计算而引入标量电位，在恒定磁场中，也仿照静电场，可以在无源区引入标量磁位，并将静电场标量电位的解的形式直接套出来，因为它们均满足拉普拉斯方程，因此解的形式也必完全相同这样做的理论依据是二重性原理，所谓二重性原理就是如果描述两种不同物理现象的方程具有相同的数学形式它们的解答也必取相同的数学形式。

在求解电磁场问题时，如果能将电场与磁场的方程完全对应起来，即电场和磁场所满足的方程在形式上完全一样，则在相同的条件下，解的数学形式也必然相同这时若电场或磁场的解式已知，则很方便地得到另一场量的解式在早期的研究中，人们认识电与磁都是从单方面进行研究的，既是分立的。

然而，随着电流磁效应的发现后，认识到电流与磁场之间存在着相互联系，再接着法拉第的电磁感应定律又揭示了变化的磁通与感应电动势之间的联系。

综合上两种现象，存在着“磁生电，电生磁”这种初步的对称。

直到后来在麦克斯韦综合前人的理论的自己的假设，对整个电磁现象做了系统的研究，建立了更为具有普适性的理论：借助于数学这个工具，推广了随时间变化的磁场产生涡旋电场（t B E ∂∂-=⨯∇）及提出位移电流假说，完善了随时间变化的电场产生的磁场（t D B J e ∂∂+=⨯∇v ）从而达到了电学与磁学、光学的统一。

从麦氏方程组我们可以看到电与磁之间的明确对称统一（但是对于静电磁场的描述除外）。

本文将对电与磁从统一的角度出发，揭示其彼此对偶的一面。

一方面，对偶性是电磁场内在规律的反映，能建立在比静态更一般的基础上；另一方面，对偶性原理对于我们解决某些复杂的问题可以起到简化的作用，给予极大的帮助，由电的有关物理量知道磁的，反之亦然。

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。

绝对无法从磁棒制备出磁单极子。

假设将磁棒一切为二，则不会发生一半是指北极，另一半是指南极的状况，而会是切开的每一个部分都有其自己的指北极与指南极绝对无法从磁棒制备出磁单极子。

假设将磁棒一切为二，则不会发生一半是指北极，另一半是指南极的状况，而会是切开的每一个部分都有其自己的指北极与指南极“从某些方面看，它是最接近于真正的单极子，但从另一方面看，离题更远了。

”伦敦帝国学院如果将带有磁性的金属棒截断为二，新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场，重新编排磁场的北极、南极，原先的北极南极两极在截断磁棒后会转换成四极各磁棒一南一北。

如果继续截下去，磁场也同时会继续改变磁场的分布，每段磁棒总是会有相应的南北两极。

不少科学家因此认为磁极在宇宙中总是南北两极互补分离，成对的出现，对磁单极子的存在质疑。

也有理论认为，磁单极子不是以基本粒子的形式存在，而是以自旋冰(spin ice)等奇异的凝聚态物质系统中的出射粒子的形式存在[2]。

麦克斯韦的电磁学方程组将电场、磁场及电荷的运动联系在了一起。

标准的麦克斯韦方程中只描述了电荷，而假定不存在“磁荷”。

除了这一点不同以外，麦克斯韦方程在电场和磁场电荷（黑/白）和磁荷（红/蓝）所产生的E场和B场。

[3][4]这里：∙F是电磁张量，代表着霍奇对偶（应此F代表着F的对偶张量）；∙对于带有电荷q和磁荷q的运动粒子，v是粒子的四维速度，p是粒子的四维动量；对偶变换[编辑]推广后的麦克斯韦方程组具有一种特定的对称性，叫做对偶变换。

我们可以选择任意实角度ξ，对宇宙中所有的荷和场同时作如下变换：这里带撇的量是变换前的荷、流、场，而不带撇的是变换后的荷、流、场。

这些荷、流、场在变换后仍遵守同样的麦克斯韦方程组。

这个矩阵是一个二维旋转矩阵。

对偶变换的存在使得观测者无法仅凭观测一个粒子的行为并将其与麦克斯韦方程对照就能判断这个粒子到底是具有电荷、磁荷还是两者皆有。

例如事实上，电子具有1个单位电荷而不是磁荷仅仅是人们使用麦克斯韦方程的一个习惯，而不是其所要求的；如果我们对其进行ξ = π/2对偶变换，事情就会颠倒过来。

磁单极子的研究现状与理论价值作者：物理学（一班）二小组小组成员：石钊（组长）马合锋王明梓徐磊佟欣禹魏永利尹海渤冶勇摘要：关于磁单极子的研究人们一直都没有停止过，磁单极子的话题也一直是科学领域的一个热门话题，本文是鉴于前人的一些研究成果对磁单极子主要从其研究现状和理论价值作出的论述。

Abstract: On the magnetic monopole of people have not stopped, the magnetic monopole has been the subject of scientific fields is a hot topic, this article in the light of previous studies on the magnetic monopole results from the major study status and theoretical value of the exposition.关键字：磁单极子现状价值Keyword: magnetic monopole value of the status quo正文：在历史上,人们最初认为磁现象是正负磁荷产生的。

但是,长期以来,从没有人发现过单独的磁北极或磁南极。

因此,传统上认为磁是一种固有的双极现象,即任何一磁体无论怎样细分,最后每一小块磁体总是显示出两个相反磁性区——磁北极和磁南极,这就是两磁极的不可分性。

在安培提出分子电流是物质磁性的基本来源之后,这种不可分性得到了完满的解释。

此后又断言,单独的磁荷或磁荷的基本单元———磁单极子是不存在的。

这一论断构成了宏观电磁理论的基础,例如磁场的高斯定理就是自然界不存在磁单极子的数学表述。

然而,这并不妨碍探索微观领域中是否存在磁单极子成为物理学家很感兴趣的一个课题。

自1931 年狄拉克在理论上预言存在磁单极子以来,试图证实磁单极子存在的实验研究工作,一直都在进行。