磁单极子的研究现状与理论价值

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。

一、磁单极子可能存在理论的依据

汤姆孙的猜想自1897 年发现电子以后,特别是1909 年密立根证实电子电量是电荷的基本单位之后,汤姆孙等人从电与磁之间存在着某些对称性考虑,猜测可能存在磁单极子。既然有带正、负基元电荷的质子和电子,为什么不可能有带相反极性的基元磁荷———磁单极子呢? 这是物质运动规律在很多方面表

现出的高度对称性所要求的。反映电磁运动基本规律的麦克斯韦方程组就揭示了电与磁的某

些对称性:变化的电场要激发磁场,变化的磁场也要激发电场。但是,它揭示出的电与磁的对称性却是不完全的,因为它说电荷激发电场,却没有说磁荷激发磁场;说运动电荷(电流) 激发磁场,却没有说运动磁荷(磁流) 激发电场。假若磁单极子存在,将麦克斯韦方程组写成如下形式:

¨▽〃D =ρe 、¨▽〃B =ρm 、

¨▽×E = -9B/9 t- jm 、¨▽〃H =9 D/9 t- je 。(1)

式中ρe 和je 为电荷密度和电流密度、ρm 和jm 为磁荷密度和磁流密度,那么麦克斯韦方程组所反映的电与磁的对称性就完全了: 电场可由电荷、变化磁场和运动磁荷激发;磁场可由磁荷、变化电场和运动电荷激发。所以,从电磁理论对称性考虑,可能存在磁单极子。狄拉克的预言存在磁单极子的一个有说服力的预言是狄拉克在1931 年提出来的。他根据量子力学研究一个磁单极子场中的单个电子时,发现角动量量子化要求基本电荷e 和基本磁荷g 之间有如下关系: eg = U/ 2 (其中U= h/ 2π) 。这样,磁单极子的存在就能用来解释电荷的量子化。此外,这个狄拉克条件还预言:从一个磁单极子发出的磁通量是g (4πr2) / r2 = 4πg = h/ e = 2 <0 。这正好精确地等于超导的磁通量子<0 的两倍。这个结果并不奇怪,因为两者的量子化条件都和角动量量子化有关。大统一理论的支持1974 年特胡夫特和波利雅科夫分别证明,在带有自发破缺的规范理论中,存在磁单极子是必然的。这一结论立刻被引入大统一理论———试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一起来的理论。因为在大统一理论中也有所谓的真空自发破缺机制,所以也应当存在磁单极子。而且对称自发破缺之后,可能存在许多不同的真空态,从而将空间分割成很多区域,这些区域交界处的场,可能就是磁单极子的场。这里,磁单极子的磁荷也遵从狄拉克量子化条件,其质量约为质子的1016倍。具有如此巨大质量的磁单极子,只可能在温度极高的宇宙大爆炸初期成对产生。至于它在宇宙早期和现在可能具有的密度,各家看法很不一致。有人认为,在宇宙早期,磁单极子数与质子数差不多,而宇宙膨胀至今,大约10000 个重子对应一个磁单极子。这比地球上金元素的含量还高。还有人认为,磁单极子在宇宙早期就很少,至今已几乎没有了。

磁单极子的磁荷g与其他任何带电粒子的电荷q乘积被с除,必须是整数或半整数。n=1对应最小电荷和最小磁荷，分别称为单位电荷和单位磁荷。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。如果磁单极子确实存在，它在一定程度上解释了目前实验上观测到的带电粒子电荷量子化现象，即任何一种带电的物质不管它们在其他方面的性质如何，它们所带的电荷精确地等于电子电荷的整数倍，例如实验测得的质子电荷与电子电荷的绝对值在很高精度上相等（见粒子电荷）。

J.S.施温格把既带电荷又带磁荷的粒子称之为双荷子（dyon）,对两个双荷子(q1,g1)和(q2,g2)组成的系统，狄拉克量子化条件应推广为 :

。

在经典电动力学理论中引入磁单极子，必然导致电磁势在某一根弦上奇异，称为奇异弦。奇异弦会造成电磁场量子化的困难。除狄拉克量子化条件外，磁荷的量子化值在理论上没有限制。1974年，G.霍夫特和Α.М.波利亚科夫独立地把U(1)电磁场嵌入到SU(2)规范场中，并通过黑格斯机制把SU(2)对称性自发破缺到U(1)对称性，从而避免了奇异弦，得到了在全空间正则的能量有限的磁单极（数值）解，能量大约是相应的矢量粒子的质量的137倍，磁荷为狄拉克单位磁荷。

因为 SU（2）规范理论并非真实的物理模型，而SU(2)×U(1) 电弱统一理论已经从数学上证明不存在磁单极解,存在正则磁单极解的最简单的物理模型是SU(5)大统一理论。在这理论中磁荷只能是狄拉克单位磁荷的±1、±2、±3或±4倍，其中±3倍单位磁荷的磁单极是不带色的，根据色禁闭的假设（见量子色动力学），它也许在物理上更使人感兴趣。因为大统一理论中重矢量粒子的质量在 1014GeV 量级，所以磁单极子的质量也重达1016GeV。目前在理论上，有不少人讨论磁单极子与物质相互作用的特点和性质，磁单极子的存在对宇宙学的影响，以及磁单极子媒介质子衰变的可能性。磁单极子的存在还会引起物理上可能很重要的新现象，例如带整数自旋的电荷和带整数自旋的磁单极子构成的系统，可以具有半整数的自旋；费密子和磁单极子系统可以有带半整数费密子数的

状态存在。

理论上虽然证明了磁单极子的存在，但目前既又赞成的，也有反对者。赞成这一理论的，不乏非常杰出的物理学家。他们认为，磁单极子是存在的，但它们成对结合得太紧密了，现在所有的高能质点尚不能把它们轰开。但愿这个解释能被将来的实践所证实。对磁单极子的存在持否定态度的也大有人在，并且能提出这样或那样的理由加以论证。其中特别应该指出的是到了晚年的狄拉克本人，也不完全相信磁单极子真的存在。1981年11月11日，他在致阿布杜斯〃萨拉姆的信中说：“至今我已是属于那些不相信磁单极子存在之列的人了。”

但不论争论如何，有一点是可以肯定的，这就是磁单极子即使存在，其数量也是微乎其微的；因为假如宇宙间充满了大量磁单极子，则宇宙间的磁场将不复存在。理论上分析，如果取g＝137e，那么在4′1027个核子中，平均还达不到一个磁单极子。磁单极子之少，可以说已成定论。但考虑到它对物理学所产生的巨大影响，完全值得不遗余力地去寻找。目前，寻找磁单极子的实验还在进行中，人们并不因困难重重而沮丧泄气，恰恰相反，物理学家正兴致勃勃一往无前，有关磁单极子的理论讨论也更加深入。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，而且物理学乃至天文学的基础理论也将又重大的发展。

二、探测磁单极子实验的进展状况

这理论的前景是动人的，吸引了一大批实验物理学家绞尽脑汁地到处搜寻。目前，寻找磁单极子的工作仍在继续进行，科学家们不断改进实验方法，提高探测仪器的精度。实现理想也许要经过好几代人的努力，这一项长期而艰巨的任务。

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。根据理论分析，可能的磁单极子源包括宇宙大爆炸、银河系、太阳、地球、陨星、宇宙射线和加速器等等。根据磁单极子的性质与物质的相互作用，就可能探测到它们是否存在。常用的探测方法有：感应法、电离法、声学法和电磁法。在岩石中，在宇宙射线（即从宇宙空间飞来的粒子）中，在加速器实验中，甚至在月球岩石、宇宙尘埃及火星土壤中去寻找磁单极子。但是，半个多世纪的时间过去了却一无所获，没有找到磁单极子。人们不愿放弃狄拉克的预言，因此又推测，磁单极子可能是在宇宙形成初期产生的，残存下来的为数极少，而且分散在广阔的宇宙之中，要找到磁单极子是十分不易的。各种探测

方法都是根据目前在理论上预言的磁单极子的性质而提出的。其性质是:磁性强,容易被外磁场加速;电离能力比宇宙射线强得多;质量很大;正负磁单极子相遇而产生湮灭时会产生许多光子等等。最初,不少人企图用强磁场抽吸的办法,从岩石中寻找残存的磁单极子。岩样包括海底岩石、月球上的岩石和各种陨石,但都没有成功。

在实验室范围内，可以利用高能加速器来加速核子（例如质子），用来冲击原子核，使原来紧密结合的正负磁单极子分离，然后用核乳胶记录它们。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，但是没有发现有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。加速器实验的否定结果，并没有使科学家们气馁，反而使他们广开思路，想到这也许是因为加速器的能量不够高的缘故。为什么不利用能量更大的天然的宇宙射线呢？于是，科学家信心百倍，走出实验室，到大自然中摆开了战场，去寻找磁单极子。

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。他们期待着利用这套装臵把宇宙线中的磁单极子吸附上。然而，结果令他们失望，仍然是一无所获。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，结果如何呢？一句话，都是以失望告终，没有找到一个磁单极子。

人类登月飞行的实现，又引起了科学家的极大兴趣：因为月球上既没有大气，磁场又极微弱，应该是寻找磁单极子的好场所。1973年科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测，而且使用了极灵敏的仪器──仪器的精度如此的精密，即使在月岩中有一个基本磁荷大小的磁单极子也可以检测出来。但出人意料的是，竟没有测出任何磁单极子。他们定出的上限是每克月岩中含有的磁单极子不超过1.7 10-4个。看来磁单极子真是“踏破铁鞋无觅处”啊！

也有人利用大型粒子加速器大量观察宇宙射线,试图从中寻找磁单极子留下的径迹。例如1973 年美国利用气球在约39 千米的高空探测宇宙射线,气球上放臵一台由33 层塑料薄片、1 层照像乳胶和1 层照像底片组成的探测器,却并未

发现磁单极子的径迹。美国研究人员还在人造卫星上装臵探测器,同样也一无所获。这使很多物理学家对狄拉克的预言持怀疑态度,甚至狄拉克本人也说:“至今我是属于那些不相信磁单极子存在者之列。”但还是有不少物理学家对探测磁单极子极感兴趣。

1975 年,一个由美国加利福尼亚大学和休斯敦大学组成的联合小组,在高空气球上安装了一个探测宇宙射线的装臵,记录各种宇宙粒子的径迹。他们在对各种径迹进行显微分析后宣布,所观察的径迹中有一条电离性很强的粒子留下的径迹是磁单极子引起的。这个粒子的质量比质子约大200 倍。这一事件在物理学界引起了极大轰动。但是,随后有不少人对他们的发现提出了不同看法,认为他们探测到的不是磁单极子,而是像铂这样的重原子核,或很重的反粒子。甚至还有一位参与该试验的研究人员出来证实,上述试验报告的部分论据引用了错误的实验数据,这次事件引起的轰动效应也随之烟消云散。

1982 年,美国斯坦福大学的一个研究小组宣布,他们观察到一起“候补磁单极子事件”。他们的探测器是用直径01005 厘米的铌导线绕制成的一个环形线圈,线圈直径5 厘米、共4 匝,把它用作灵敏磁强计的传感探头。磁强计和线圈都放在一个直径20 厘米、长1 米的圆筒形超导铅屏蔽之内,然后将它们装在阿姆科铁桶中。这种组合在超导情况下可以屏蔽外界磁场的干扰,如果有一个磁单极子穿过铌线圈,必然引起线圈磁通量的显著变化,从而激发起超导电流。这台探测器运行了38 天,在1982 年2 月14 日记录到一些磁通量的突然改变,其改变量恰好与满足狄拉克条件的磁单极子穿过铌线圈时引起的改变相同。为了慎重起见,他们并没有宣称发现了磁单极子,而是报告他们观察到一起“候补磁单极子件”。此后,他们又启用了一个更先进的新探测器,但是至今没有听到其重复观测到磁单极子事件的报告。虽然如此,由于那次事件得到的结果与理论预言相符,又不能用磁单极子以外的事件做出较好的解释,因而仍然受到各国科学家的重视。这一事件增强了人们发现磁单极子的信心,所以有关磁单极子的理论研究和实验探索还在不断进行。然而,最终能否真正探测到磁单极子,仍然是一个谜。

三：研究磁单极子的价值

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，如果上述猜想和预言能够得到

证实,能在实验中发现或者俘获磁单极子,无论对于理论研究或者实际应用都具有极其重大的意义。

首先,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。这时麦氏方程组将得到改写,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。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。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。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。

其次, 物理学最基本的目的是寻求自然界物质运动的统一规律。牛顿力学统一了天体的运动与地球上物体的运动；麦克斯韦电磁场理论统一了电与磁两类不同的现象；量子力学统一了微观世界的规律。20 世纪建立的相对论和量子力学是物理学的两次重要革命。

20 世纪60 年代，格拉肖、温伯格、萨拉姆等人成功地统一了电磁相互作用与弱相互作用。爱因斯坦花费了他的后半生，寻求引力与电磁相互作用的统一理论，但没有成功。在20 世纪后期，一些科学家抛弃了基本粒子是点粒子的假设，提出了基本粒子是一维弦的假设，建立起一个自洽的理论———“超弦理论”。

超弦理论认为自然界中的各种不同粒子都是弦的不同振动模式，比传统的量子场论更具预言能力。它要求引力存在，包括规范场描述的电磁、弱和强相互作用，是一个统一理论。它是一次新一轮变革，被许多著名物理学家预言为是物理学的第三次革命。在超弦理论的结构中，磁单极子起着重要作用。如果超弦理论成立，磁单极子就必须存在，虽然其密度也许已被宇宙暴胀稀释到无法观测的程度。按照狄拉克量子化条件，当最小电荷q0 很小时，最小磁荷g0 远比q0 大，而当q0 很大时，g0远比q0 小。假如我们认为电子和磁单极子的质量是电磁起源的话，就可以预期在q0→∞时，磁单极子是轻粒子。我们需要一种以磁单极子而非电子为基础的描述，这种描述恰好就是另一种超弦理论，或是原先理论的变种。从事超弦理论研究的物理学家普遍感到，他们正处在一个与20 年代建立量子理论前夕非常类似的年代，建立一个完整的M理论和统一理论将从根本上改变人们的时间和空间的观念，是最有希望取得“大统一”成功的理论。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。

最后，如果磁单极子确实存在,并能被俘获和控制,目前对其实际用途还没有做出充分估计。但是已有人认为,由于磁单极子的磁性很强,可以用来建造比当前能量高得多的粒子加速器。据估计一个约2 米长的磁单极加速器,其性能可以超过周长900 米的传统圆形加速器。此外,还可以利用磁单极子制造超小型、高效率的电动机和发电机,治疗癌症以及研究新能源。还有人大胆设想,把一些磁单极子放在船上,有可能利用地磁场使船行驶。

总之，关于磁单极的研究还在研究当中，相信总有一天人们会得到自己想要的答案。

[参考文献]

[1]叶式煇。磁单极子之谜自然杂志1980年12期

[2] 李国栋. 自然辩证法通讯 1983年 02期

[3]叶禹卿。北京教育学院学报(自然科学版), 2006年 01期