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浅析磁单极子摘要：自20世纪30年代以来，磁单极子一直是物理学家和天文学家的热门话题，同时也吸引了广大的科学爱好者的兴趣。
磁单极子复杂的相互作用过程与一般电磁现象截然不同，磁单极子问题涉及电磁现象的对称性、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、超弦理论等难题都能给以较好的解释。
通过大统一理论以及对早期宇宙的研究，如果磁单极子确实存在，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学以及天文学的基础理论也将有重大的发展，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。
关键词：磁与电；磁单极子；理论假设；特点；理论研究；研究意义；自旋冰中的发现1磁与电的关系[1]电现象与磁现象是我们生活中常见的二种现象。
科学家通过实验，提出和总结了电学概念和规律，建立了“电学”。
根据电现象与磁现象有许多相似之处，科学家仿照电荷、电路、库仑定律等电学概念和规律，提出了与电学相对应的“磁学”。
在19世纪初，尽管发现了“闪电使一些原来没有磁性的钢制刀叉带磁”等现象，但大多数科学家，包括一些著名的科学家，都认为“磁与电没有关系”，其中一些甚至表示愿意证明“磁与电是没有关系的”。
1820年，一直坚信“电一定可以转化为磁”的物理学家奥斯特，做了通电导线使其周围小磁针发生偏转的实验，发表论文“关于磁针上电流碰撞的实验”，使人们认识到电与磁之间存在密切的关系，从而“打开了电学中的一扇大门”。
现在多数人都知道奥斯特实验，清楚在电流的周围存在磁场，相信磁场是由电流产生的。
在奥斯特研究成果的基础上，安培、法拉第、比奥—萨伐尔、拉普拉斯、高斯等一批物理学家，陆续发现和总结出安培定律、法拉第电磁感应定律、比萨定律、高斯定律、安培环路定律等一系列规律，确定了电与磁之间的各种密切关系。
1840年，英国物理学家麦克斯韦总结当时已知的电现象与磁现象规律，提出了位移电流等假设，将法拉第提出的电场、磁场概念“数学化”，建立了经典的电磁场理论。
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。
磁单极子存在的可能性及其物理意义是什么在物理学的广袤领域中，磁单极子一直是一个神秘而令人着迷的概念。
我们日常生活中所熟悉的磁现象，往往都是由磁偶极子产生的，比如磁铁总是有南北两极。
然而，磁单极子——即孤立的、只有一个磁极（北极或南极）的粒子，其存在与否一直是科学界长期探讨的问题。
要探讨磁单极子存在的可能性，首先得回顾一下电磁学的基本理论。
麦克斯韦方程组完美地描述了电场和磁场的行为，但在这些方程中，电和磁的表现并不是完全对称的。
电荷可以单独存在，而磁极总是成对出现。
这就引发了一个思考：如果自然界是高度对称和优美的，那么磁单极子是否也应该存在，以使得电磁现象在某种程度上达到更完美的对称？从理论物理学的角度来看，一些大统一理论预言了磁单极子的存在。
大统一理论试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一在一个框架下。
在这些理论中，磁单极子的出现与早期宇宙的相变过程有关。
据说在宇宙诞生的极早期，温度极高，各种相互作用是统一的。
随着宇宙的冷却和膨胀，发生了一系列的相变，就有可能产生磁单极子。
然而，尽管有理论的支持，实验上却一直没有确凿的发现。
这使得磁单极子的存在仍然处于假说的阶段。
但科学家们并没有放弃寻找的努力。
在实验方面，人们设计了各种精密的实验装置来探测磁单极子。
比如，利用超导量子干涉器件（SQUID）来检测极其微弱的磁信号，或者在高能加速器实验中寻找可能产生的磁单极子。
那么，如果磁单极子真的被发现存在，它将具有极其重大的物理意义。
首先，磁单极子的存在将完善我们对电磁学的理解。
电磁学理论将会得到修正和扩展，使其更加对称和优美。
这将不仅仅是对现有理论的小修小补，而是一次根本性的变革，可能会引导我们发展出全新的电磁学理论。
其次，它对于粒子物理学的发展也将产生深远的影响。
磁单极子的性质和相互作用将为我们揭示更多关于物质基本构成和相互作用的奥秘。
它可能成为一种新的基本粒子，与已知的粒子相互作用，从而改变我们对粒子世界的认识。
磁单极子的搜索与研究磁单极子是指只有一个极性的磁性粒子，与普通的磁铁不同，普通的磁铁是由南北两极组成。
尽管在理论物理中，磁单极子早在1931年由理查德·费曼和其他科学家提出，但至今仍未在实验中被发现。
因此，磁单极子的研究不仅是物理学的一项挑战，也引起了多个领域科学家的广泛关注，包括高能物理、凝聚态物理以及宇宙学等。
磁单极子的理论基础磁单极子的概念在经典电磁学中，磁场由电流产生，并伴随永远存在的南北极对。
2009年，物理学家们提出量子色动力学(QCD)模型，为磁单极子的存在提供了新的支持。
在这个模型中，可以想象到原本由多个夸克产生的复合粒子，可以将其扩展为单个具有单一磁性极性的粒子。
参与者与基本粒子在研究磁单极子的过程中，各种基本粒子之间的相互作用揭示了它们可能的关联。
包括但不限于光子、胶子、电子和夸克等。
由于磁单极子很可能与这些基本粒子的相互作用有关，因此对它们的深入研究至关重要。
唯一性与对称性如此独特的单极状态会引发众多物理现象。
这些现象都是基于一些深层次的对称性原理探讨，例如醉汉对称性和U(1)对称性（电荷守恒），它们在粒子物理和弦理论中起着重要作用。
有些理论认为，在大统一理论(GUT)框架下，磁单极子的出现只是一种量子纠缠和对称性破缺的结果。
磁单极子的实验搜索磁单极子的预测尽管在理论上有许多支持磁单极子的论据，但迄今为止，并没有直接的实验证据来证实其存在。
最早的磁单极遍布工作的尝试始于20世纪70年代，随后许多研究工作为寻找这些神秘粒子而努力。
研究者们通过构建强大的加速器设施，对可能的衰变过程进行模拟与观测，以期捕获它们。
加速器实验高能物理实验，如大型强子对撞机(LHC)，为寻找磁单极子提供了优越的平台。
科学家们设计了一些具体的实验例程，试图在碰撞过程中生产出磁单极子。
例如，有学者探讨了将现有粒子转化成具有不同相互作用性质的新型粒子的可能性，从而生成磁单极子的候选者。
天文观测除了加速器实验外，一些新兴领域正在利用天文观测技巧来寻找原料。
磁单极子的物理特性与应用磁单极子是指只具有一个磁极，而没有相对应的另一个磁极的磁子。
磁单极子从理论上来说是存在的，但是至今还没有直接的观测到。
然而，在物理领域中，磁单极子的概念已经被广泛地应用了。
本文将对磁单极子的物理特性以及应用做一个简单的介绍。
一、磁单极子的物理特性1. 理论上的存在在理论物理中，磁单极子被认为是存在的。
事实上，从热力学计算中得到的有效磁荷证明了存在磁单极子的可能性。
但由于在实验中没有发现任何单独的磁荷，所以称之为“假象”物理学，但是人们相信它将会在未来的实验中被观测到。
2. 奇异性磁单极子具有奇异性，这意味着磁场与磁荷之间存在类似电荷和电场的关系。
同样类似于电学中电荷和电荷之间存在电场相互作用的情况一样，磁荷和磁荷之间也存在磁场相互作用。
3. 磁单极子和电测量单位之间的关系磁单极子和物理电学单位之间存在着关系。
单位电流等于单位电荷流经物理电学中的单位电阻，而单位磁荷等于单位磁单极子在磁场力作用下移动所需的单位力。
二、磁单极子的应用1. 磁单极子作为天然磁体在磁学中，我们知道，磁体是谁与带电粒子的相互作用来获得能量的磁场。
磁单极子可以作为天然的磁体，由于磁单极子具有奇异性，可以对周围环境中的磁场强烈的引导和加强作用，可以提高磁体的强度，提高其性能。
2. 用于制作超导磁体超导磁体是一种主要用于物理学中的重要仪器，常见于核磁共振、粒子加速器等领域。
现在的超导磁体中常常需要利用超导材料抵抗电阻，以防止电流损耗和热产生。
而这类材料中，磁单极子的存在对电性能的影响较大。
因此，磁单极子也被广泛地应用于制作超导磁体。
3. 应用于计算机存储器传统的计算机存储器通常是基于磁性操作，而基于磁单极子技术的计算机存储器被认为将大大提高计算机的运行速度。
这是因为，磁单极子具有偶极磁矩和垂直磁域特性，可以更加灵活地实现存储。
结语虽然我们目前还没有发现单独的磁荷存在，也即磁单极子，但是由于其在物理学中的广泛应用，磁单极子理论研究的深入，对于磁学领域的发展都起到了积极的促进作用。
关于磁单极子的几种设想
陆晶金
【期刊名称】《科教文汇》
【年(卷),期】2012(000)024
【摘要】电和磁联系相当紧密,电和磁又有许多相似之处,既然电荷有单个的正电荷与负电荷,为什么就不能有单个的“磁荷”存在呢?科学家对“磁单极子”在不断地探索和研究,但迄今为止没有可靠的证据表明“磁单极子”的存在.本人在学习和教学中,归纳总结了“磁单极子”的三种设想,(1)“磁单极子”根本不存在;(2)“磁单极子”就像科学家预言那样确实存在；(3)本人想象中的“磁单极子”确实存在但单个“磁荷”不存在.并对这三种设想的理由做了些我个人认为是理由的阐述,以供同行们参考.
【总页数】2页(P94-95)
【作者】陆晶金
【作者单位】福建省屏南职业中专学校福建·屏南352300
【正文语种】中文
【中图分类】O41
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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。
这时麦氏方程组将改写成▽·D= -▽×=▽·B= ▽×H=的形式,这不仅进一步完善了电磁理论的对称性,而且必将使我们更深刻地理解电磁现象的本质。
(2)量子电动力学是目前解释和预测电磁现象较成熟的理论。
但是,至今认为两磁极是不可分的,因此量子电动力学理论就规定磁粒子流的强度恒等于零。
如果磁单极子确实存在,这样的规定就不能成立,必需对量子电动力学理论作较大的修正。
(3)大统一理论认为,如果宇宙按通常认为的速度膨胀,早期应产生大量的磁单极子,而正负磁单极子的湮灭率是有限的,现在仍应有足够多的磁单极子,但是大量实验都没有发现磁单极子。
这说明磁单极子即使有也不可能太多。
这表明,或者大统一理论有缺陷,或者宇宙膨胀速度应加快,或者某些重要因素没有考虑到。
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。
(4)磁荷的存在能很好的解释电荷的量子化。
假设磁单极存在,则其磁荷gm 与电荷e应满足如下关系:式中1,±2,±3……,μ0为真空磁导率,为普朗克常数,这就是著名的电荷量子化条件。
上式表明了即使宇宙存在一个磁单极,它将制约着每一个电子电荷e的取值。
同时,当n=1时,最小的电子电荷单元为。
所以,如果gm 存在,则一切电子电荷都只能是e0的整数倍、反之,若将上式中的e视为基本常数,则当n=1时,gm有最小值:×10-9A.m=2.054119×1010e更大的gm都是g0的整数倍,而且gm与e有相同量纲。
由于g0约为1010e,故由库仑定律给出的两个磁单极(磁荷)间作用力要比电荷间作用力大1020倍。
3 磁单极的实验进展(1)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。
(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。
而且该科研刁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。
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的锐线圈降温到9K,使之成为超导线圈,并把它放在一个超导的铅箔圆筒中,该圆筒用以屏蔽掉一切带电粒子的磁通量,只有磁单极进人锐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。
自从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。
4 反对之声安培认为:“任何物质的分子中都存在圆形电流称为分子电流,分子电流相当于一个基元磁体,当物质不呈现磁性时,这些分子电流做无规则地排列,由于它们对外界所产生的磁场效应互相抵消,故使整个物体不显磁性,在外磁场作用下等效基元磁体的分子电流将倾向于沿外磁场方向取向而显磁性。
从安培分子电流的假说说明了磁体的N极和S极两种磁极不能单独存在,因为基元磁体的两个极对应于电流的两个面,显然这两个面是不能单独存在的。
另一方面,从方程▽·D=4πρe与▽·B=4πρm可见ρm与ρe的对称性相反,因为▽与D都是极矢,对空间反演要变号。
而B是轴矢,对空间反演不变。
所以▽·D 与ρe是标量,在时间反转下是偶性,▽·B与ρm是标量,在时间反转下呈奇性。
这样若一粒子既带电荷又带磁荷,则必然导致空间反演和时间反演不再是物理学定律有效的对称性质。
根据这些论证部分人认为根本不存在磁单极。
5 最新研究状况最近磁单极的研究又有了新的突破,具体主要表现在以下几个方面。
(1)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。
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。
(2)反常Hall效应及动量空间中的磁单极研究获成果。
中国物理研究所理论室方忠研究员等人,详细分析了此种动量空间中的奇点问题,首次提出其实质上相应于倒空间的一种磁单极存在形式。
方忠研究员通过从头计算的方法,直接计算了SrRuO3中的反常Hall系数,并与日本著名实验科学家Y.Tokura领导的实验小组测量的实验结果进行了比较,得到了一致的结果,从而有力的证明了磁单极存在于晶体的动量空间中。
现代物理学特别是材料科学的迅速发展,导致了晶格倒空间概念的提出。
这是因为晶体具有严格的周期对称性,其中电子的行为必须要用量子力学中的波函数的概念来描述。
每一个可能的电子占据态相应于晶格倒空间中的一个波函数。
这种磁单极并非存在于实空间中,而是存在于晶体的动量空间中,并且,这种磁单极具有很低的能量,能够在实验中很容易的观测到。
最直接的方法是测量磁性晶体中的反常Hall效应。
由于磁单极的存在,电子的Hall输运行为受到很大的影响,导致其反常Hall系数与晶体的磁化强度成非线性关系,而并非以前预测的线性关系。
基于以上理论,方忠研究员的研究结果解决了困惑物理学界多年的一个基本问题。
6 未来展望虽然磁单极子假说到现在为止,还没有能在实验上得到最后的证实,但它仍将是当代物理学上十分引人注目的基本理论研究和实验的重要课题之一,因为今天的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,如果磁单极子确实存在,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学以及天文学的基础理论又将有重大的发展,人们对宇宙起源和发展的认识也会再深入一步。
我们相信磁单极的研究不久就会有惊人的发现。
参考文献[1] 美国.科学.杂志,2009.。
