初探磁单极子相关理论
磁单极子及磁洛伦兹力的探讨课件
当磁单极子在磁场中做圆周运动 时，其产生的磁场与普通磁铁产
生的磁场相同。
04
磁单极子与磁洛伦兹力的实 验验证
实验设计思路
建立磁场模型
选择合适的实验材料
为了验证磁单极子和磁洛伦兹力的存在， 需要建立一个合适的磁场模型，以便进行 实验操作和数据分析。
根据磁场模型的要求，选择具有磁性的材 料作为实验对象，如铁、钴、镍等。
03
磁单极子与磁洛伦兹力的关 系
磁单极子产生的磁场
磁单极子具有正负极性，能够产生磁场。
磁单极子的磁场分布与普通磁铁的磁场分布不同，其磁场线呈闭合曲线，没有N极 和S极的分离。
磁单极子的磁场强度与普通磁铁的磁场强度相同，均由磁单极子的磁荷量决定。
磁单极子在磁场中的受力分析
磁单极子在磁场中受到洛伦兹力 的作用，该力的大小与磁单极子 的磁荷量、磁场强度以及磁场的
磁单极子及磁洛伦兹力的探讨课件
目录 Contents
• 磁单极子简介 • 磁洛伦兹力概述 • 磁单极子与磁洛伦兹力的关系 • 磁单极子与磁洛伦兹力的实验验证 • 未来研究方向与展望
01
磁单极子简介
磁单极子的定义
01
磁单极子是指只具有N极或S极单 一磁极的磁性物质。
02
与常规的磁铁不同，磁单极子具 有长程的磁场，其磁力线呈闭合 曲线，因此不存在磁场消失的问 题。
确导向和控制。
新材料与新技术的应用
1 2
新材料的发现与应用
随着新材料技术的不断发展，有望发现具有优异 磁性能的新型材料，为磁单极子和磁洛伦兹力的 研究提供新的实验平台。
数值模拟技术的应用
利用高性能计算机进行数值模拟，可以更深入地 理解磁单极子和磁洛伦兹力的行为和机制。
磁单极子的历程及对磁学理论的影响
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。
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。
1. 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 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。
谢谢！！！
1982年2月14日，美国斯坦福大学的物理学布拉斯•卡布雷拉宣布 他利用高灵敏度和高磁屏蔽的超导量子干涉仪式磁强计进行磁单 极子的探测但是未能再观测到磁单极子。
寻找磁单极子的过程中也有的科学家提交了乐 观的实验报告
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，为只有假设存在磁单极子才能解释，这种现 象是磁单极子存在的“指纹”。
在2009年《科学》杂志中，法国物理学家在对一种名为 自旋冰的奇特晶体物质进行研究时发现了一种真实凝聚态物质 中存在的类似磁单极子的准粒子。它证明了磁单极存在使得 一般看来，磁的来源总是同 麦克斯韦方程具有更 电相关的，即由电的运动产生磁 加对称的形式，而且 场，而且产生生物质磁性的磁矩 磁荷和电荷一样遵守 也是同自旋和电荷相联系的。这 守恒定律 样磁矩的两个磁极(便是不能分开 和分离存在的。这同物质的电性 是很不相同的。因为电性中既有 D 电矩的存在，也有分开的正电荷 和负电荷的存在。这样就造成了 B m 磁和电的不对称，使描述电磁现 象的麦克斯韦电磁方程组也显得 E B J m t 不对称，例如电通密度的散度为 D 电荷密度，而磁通密度的散度却 H Jm t 为零，因为只有磁矩，没有分离 的磁极。
初探磁单极子相关理论
02
磁单极子的理论预测
大统一理论和磁单极子
磁单极子在大统一理论中扮演着重要 的角色，该理论认为磁单极子是宇宙 中唯一能够携带净磁荷的粒子。
磁单极子的研究有助于深入理解大统 一理论的基本原理和宇宙的起源。
大统一理论预测了磁单极子的存在， 并认为它们在宇宙早期的相变过程中 产生。
量子引力理论与磁单极子
义。
弦论预测了磁单极子的存在，并 认为它们是宇宙中基本的几何结
构。
弦论中的磁单极子研究有助于揭 示宇宙的更深层次结构和理解弦
论的基本原理。
03
磁单极子的实验探测
直接探测方法
磁场测量
通过高精度的磁场测量设备，直 接探测磁单极子产生的磁场。
粒子计数
在特定实验环境下，通过计数磁 单极子通过探测器时的粒子数量 ，确定磁单极子的存在。
在宇宙射线的研究中，磁单极子也被用来描述射线粒子的 传播和扩散过程，以及它们与星际介质和星体的相互作用 。
磁单极子在凝聚态物理中的应用
凝聚态物理中，磁单极子理论被用来描述和研究磁性材料和自旋电子学中的一些 现象。由于磁单极子的存在可以导致特殊的磁学性质和电子行为，因此对磁单极 子的理解和控制对于发展新型磁存储器和自旋电子器件具有重要意义。
在粒子物理实验中，磁单极子的存在可以通过一些特殊的现 象来间接证明，例如在宇宙射线中观测到的奇异轨迹和异常 的能量分布。
磁单极子在天体物理中的应用
天体物理中，磁单极子理论被用来解释宇宙中的磁场起源 和演化。磁单极子的存在被认为是宇宙磁场的一种理想模 型，有助于理解恒星、星系和星系团等天体的磁场结构和 演化。
磁单极子的历史背景
磁单极子的概念最早由苏格兰物 理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 提出，他通过数学模型预测了磁
磁单极子文档
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。
微观粒子物理学中的新理论和新发现
微观粒子物理学中的新理论和新发现微观粒子物理学是研究构成我们身体和周围环境的基本粒子及其相互作用的学科，它深入研究了物质的最基本结构和相互作用方式。
在不断探索和研究中，微观粒子物理学发展了许多新理论和新发现，为我们认识宇宙的本质和构成提供了重要的参考和理论基础。
一、新理论1.弦理论弦理论是目前微观粒子物理学中最重要的理论之一。
它认为基本粒子不是点状物体，而是弦，弦以不同的方式振动时就能产生不同的粒子。
弦理论不仅能够统一物理学中的所有基本力，还能将物理学与数学有机结合，打开了了解世界的新大门。
2.暗物质理论暗物质理论认为宇宙中存在着没有发现的物质，这种物质不会与常规物质相互作用，因此无法直接观察到。
暗物质理论是解释宇宙形成和演化的关键理论之一，它可以解释宇宙中存在巨大的质量和引力场的原因。
3.量子场论量子场论是描述宇宙的基本结构和粒子相互作用的重要理论之一。
它把自然界看成了一个极其复杂的场，并且通过量子化的方式描述了相互作用。
量子场论被广泛应用于目前的高能物理实验。
二、新发现1. 上帝粒子上帝粒子，也被称为希格斯粒子，是解释物质与能量是如何获得其质量的重要粒子。
在欧洲核子中心的大型强子对撞机实验中，科学家们证实了希格斯粒子的存在，这一发现确认了粒子物理学标准模型的基本理论。
2. 中微子超光速中微子超光速现象是指中微子的速度比光速要快。
在欧洲核子中心的实验中，科学家们观察到了这一现象，并推测中微子具有负质量。
这一发现挑战了现有的物理理论，也为物理学家提供了新的思路和研究思路。
3. 磁单极子磁单极子是一种假想物质，它只有一个磁极，而不存在相应的相反磁极。
在实验中，科学家们证实了磁单极子的存在，并建议它可能是纳米尺度下电磁场的重要组成部分。
这一发现为磁学和材料科学领域提供了新的研究方向和深入思考。
总之，微观粒子物理学中的新理论和新发现让我们有了更深入的认识和理解宇宙的本质和构成，也为科学家们提供了新的研究思路和方法。
电磁学论文
磁单极子摘要:关键词：引言：记得念高中时，物理课本中提到电荷可单独存在正电荷与负电荷，又由于电和磁的联系非常密切人们就设想存在单个的磁荷，即存在单个N极和单个S极的磁荷也就是科学家所预言的磁单极子后来在工大学习电磁学时，又对电和磁的相关知识作了进一步的学习，发现了磁和电的惊人相似性，而且很多磁的概念基本上就是跟电的概念一样的，于是就对磁单极子产生了浓厚的兴趣，便由此开始了自己的“探索”了。
正文：一、磁单极子的理论磁棒截成两段，可得到两根新磁棒，它们都有南极和北极，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极，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。
这与电有着明显的区别，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，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。
磁和电有很多相似之处。
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。
摩擦能使物体带电；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，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。
在1931年英国物理学家保罗·狄拉克首先提出了磁单极子理论，从理论上预言了磁单极子的存在。
他认为既然宇宙中存在着带基本电荷的电子，那么理应有带有基本“磁荷”的粒子存在。
简单而言，磁单极子是一种在物理界尚未发现的基本粒子。
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。
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，让人难以置信，因为它们完全来自于纸上计算。
但是，既然电荷能够被分为独立的正电荷和负电荷，那么磁似乎也应该能被独立出南极和北极。
磁单极子存在的可能性及其物理意义是什么
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。
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L= m0c2
1
v2 c2
1 0
g (m
1 c2
v Ae)
eg 2n 0(x)
Pi
L vi
exp{ i P x) 1
mv
0c2
gAe
1
0
g
A dl eg 2n eg 2n
ce
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三，综述。
由以上的推导我们看到磁单极子是能与薛定锷方程相容存在的，它具有与电荷相 对称的性质
(4)
பைடு நூலகம்
E＝-jm
-
B t
H
j0
D t
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3，研究其电磁对偶性。
设有变化矩阵（5）
G
a c
b d
使
E H
' '
a c
bE
d
H
联立（4）和（5）：
并考虑到detG=1 经计算得对偶变化关系：
H
0 E ' 0
B
0 D 'D 0
g
0 e 'e
参考资料
P.M.A.Dirac,Proc.Roc,A133(1933 ),60
《电动力学》，高等教育出版社 《电磁学》，张玉民等，科学出版社 《量子力学导论》，曾谨言等，北京大学出版社
《理论力学》金尚年等 《电磁学专题研究》，陈秉坤等 《Maxwell电磁理论的电磁对偶性》，陈驰一等 《磁单极子研究的科学意义》，李国栋
0
e hc2
B
•
dS
2n
即，磁通量不为0。
曲面中有某个磁单极子。
B
g0
0
联立（２）和（３），得磁荷表达式：
eg0＝2n h
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二，探讨磁单极子性质。
1，定义磁单极强度单位磁g：荷g：
单位为 [V • s]
F gH
2，修正的Maxwell方程组：
• •
D 0(4) 1
B＝g0
令
e i（x1,x2 ,x3,t)
则：
2 2
计算得： 令：
ei ( i )
x j
xj xj
i x j
iK j
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不可积时，则K
不再能表示为一个标量的梯度。
j
重新定义：
K jdxj 0
闭合回路
得：
x j
x j
iK j
从另一个角度看，设一个电子无场时动量为Pj
引入磁矢势场Aj
在该场中有 其中：
e
Pj Pj 0c2 Aj
Pj
i
h
x j
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故相应的关于 的变换为： x j
ie
x j
x j
0
h c2
Aj
对比：
x j
x j
iK j
Pj
Pj
e 0c
2
Aj
有相同的形式。
其实,只要满足
Kj
两种变化就相同。
e 0 hc2 Aj
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5，磁单极子的磁动力学。
真空中，只有一个磁单极子时，引入电矢势Ae E
Ae
及磁标势
B 1 c2
A e t
m
则有：
2 Ae
1 c2
2Ae t 2
Jm
6 1
方程组（6）
2m
1 c2
2m
t 2
m
6－2
• Ae
m
t
0
63
其中引入的规范为：
• Ae
m t
0
6，推导磁荷量子化条件.
计算得磁荷运动的拉格朗日量 为：
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初探磁单极子相关理论
张亮 韦何 张娜
系别：化学物理系
指导老师：张子平 教授
2007年1月
大纲
❖探讨磁单极子存在可能性 ❖修正Ｍaxwell方程组 ❖探讨磁单极子的性质 ❖综述
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1864年，Maxwell提出著名的Maxwell 方程组（1）。
• •
D 0(1) 1
E＝-jm
-
B t
H
j0
B t
积分形式
E
H
D • d S q0
B • dS＝ g0
•
dS
Im
B t
•
d
S
•
d
L
I0
D t
•
d S
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引入磁单极子后，推导得：
电荷量子化条件：磁荷量子化条件：
eg0＝2n h
可以看到它们的完美统一。
eg0 2n
谢谢大家的参与，其中的不足请各位老师和同学们予 以指导。
B＝0
(1)
E＝-
B
t
H
j0
D t
真空无源条件下，（1）有严格的电磁对偶不变性。
但真空有源条件下，不满足电磁对偶不变性。因 此，Dirac提出磁单极子理论以解决该问题。
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一，探讨磁单极子存在可能性。
假设无场时，一个电子运动的波函数为：
(x1, x2, x3,t)
He 4 • r3
运动磁荷产生的电场：
g vr
Em 4 • r3
由右手螺旋定则判定。
由左手螺旋定则判定
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c.磁安培力与磁洛仑兹力。
磁流 I m 在外电场E中受到的磁安培力:
Fm 0 I m dl E
以v运动的磁荷会受到磁洛伦兹力fm：
fm 0 g v E
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0
0 ' 0 0 B' 0 0 g ' 0
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4,从电磁对偶性出发，探讨磁单极子的性质。
★方法：从已知电性基本粒子e的基本性质出发，由对偶变换关系，得磁性基 本粒子g的基本性质。
a.导出Hm.
E
e
4 0
•
r r3
Hm
g
40
•
r r3
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b. 运动电荷产生的磁场：
e vr
讨论位相总变化
( )回路＝ Kj • d x j 回路
0
e hc2
回路
Aj
•
d
xj
＝
0
e h
c2
A•
d
S
e
0 h c2 B • d S
由于位相因子的不确定性，作推广：
( )回路
2n
0
e hc2
B•dS
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假设有些一波函数，它们含有一条节线，且该节线只有一个端点（场的奇 点）。取包围这个奇点的闭曲面，得：
元电荷
磁单极子
场强
运动粒子产 生的场 在场中受力
Ee
e
4 0
•
r r3
He
e
4
•
vr r3
Hm
g
40
•
r r3
g vr
Em 4 • r3
fe 0e • v H fm 0g • v E
电磁学小论文竞赛 引入磁单极子后，新Maxwell方程组有更完美的对称性。
微分形式
• •
D 0
B＝g0