磁单极子与电磁对称性
磁单极子如果存在对电磁理论的影响
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。
麦克斯韦方程组的对称性和磁单极
总结出了如下方程组 ：
动解决 了磁单极问题 ，因为巨大的膨胀有效地使磁单极密度稀释ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｖ ·Ｄ＝ｐ
（１ａ） 零 。尽管如此 ，从实验上证实磁 单极是 否存在仍具有非常重要的现
ｖ ×Ｅ：一
ｏＩ
Ｖ ·Ｂ＝０
ｖ ×Ｈ＝－
ｏ 【
（１ｂ） （１ｅ） （１ｄ）
实 意义 。在这方面 ，最有希望的要算美 国斯坦福 大学 的一个研究小 组所报导 的结果 。该小组用了一个四绕组线 圈，还用超导量子干涉 器件作 为磁强计 。当一个磁单极穿过绕 组时 ，将 引起一个 ８（为磁通
维普资讯
叙 又 汇 ２００７１ （Ｔ－？－￣Ｉ刊 ） ．
麦竞 斯韦方 程 组的村 弥性 相磁 单嘏
口 李丽萍
（武 汉 市三 角路 中学 湖北 ·武 汉 ４３００６２）
摘 要 对麦克斯韦方程组对称性进行分析 ，指 出没有磁单极是麦氏方程组 对偶性破缺的根源 。在假 定磁 单极存在 条件 下 ，推导 出含磁 单极 的具有更 高对称性的麦克斯韦方程组 。
实验 中只是依葫芦画瓢 ，根本不能领 会实验 的原理和思想 。不利于 造性 的学 ”创造环境和条件 。研究性学习就 是根据这一需要设置的
（２） 密度 为 ｐⅢ，因磁荷运动而形成的磁流密度矢量为 Ｊ 。若将 Ｅ、Ｄ与
式 中 ｎ＝±ｌ，±２，±３，·， 为真 空磁导率 ，ｈ为普朗克常 数 。 Ｂ、Ｈ分别对应 ，则为了讨论方便 ，将 （１ｂ）式改写 为：
这就是著名的 电荷量子化条件 。（２】式表明了即使宇宙 间存 在一个 磁单极 ，它将制 约着每一个 电子 电荷 ｅ的取值 。
有 效 的 培 养 。
当前实验教学 普遍存 在着 只重视简单的操作练习。教材中的演
磁单极子的电磁关系和教学设计
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
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。
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。
磁单极子如果存在对电磁理论的影响
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
e=
nБайду номын сангаас
hc 2g
(1)
其中 n 是任意常数 ,c 是光速 , h 是普朗克常量 。如果磁单极
子存在 ,上式就可以解释电荷的量子化现象 。
1. 3 大统一理论允许存在磁单极子
1974 年特胡夫特和玻利科夫分别证明 ,在带有自发破
缺的规范场理论中 ,存在磁单极子是必然的 。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
m
=
gε c2 ( he) 1/ 2
≈ 1016 GeV/ c2
(2)
式中ε是大统一理论的能量尺度 。
收稿日期 :2009 —04 —06 基金项目 :湖南省教育厅 2006 年精品课程 (84) ;2008 年普通高校教改项目 (155) 作者简介 :张登玉 (1962 —) ,男 ,湖南祁阳人 ,衡阳师范学院物理与电子信息科学系 ,教授 ,博士 ,主要从事光学和电动力
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
磁单极子的质量约为质子质量的 1016 倍 ,即
相应的公式 ,在形式上都是对称的 。而在用 珝B 定义磁单极
强度单位的情况下 ,磁单极强度单位和有关公式 ,与电荷的
单位和相应的公式 ,就显得有些不对称了 。所以在目前的电
磁理论框架里 ,从电磁对称性的角度考虑 ,用 珬H 定义磁单极
强度的单位比较合适 。
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 48km 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 。 2. 3 80 年代初出现的希望及最近的间接证据
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做实验 ,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子的假设持怀疑态 度 。但是 ,科学家并不因此气馁和放弃 ,他们仍在不断地寻 找着机会 。人类登月飞行的实现 ,又重新在科学家心目中燃 起了希望之火 ,让科学家把目光投向那寂静荒凉的地方 ,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 。但 出人意料的是 ,竟没有测出任何磁单极子 。 2. 2 一次没有得到肯定的实验结果
摘 要 : 研讨磁单极子的理论假设 、探测现状及其研究意义 。基于电磁对称性 , 认为在目前的经典电磁理论中
用磁场强度定义磁单极子强度的单位比较合适 , 并推导出存在磁单极子时麦克斯韦方程组对称形式 。
关键词 : 磁单极子 ; 电磁对称性 ; 磁场强度 ; 磁单极子强度 ; 麦克斯韦方程组
中图分类号 : O4311 2
最近 ,一组由中国 、瑞士 、日本等多国的科学家组成的研 究小组报告说 ,他们发现了磁单极子存在的间接证据 ,他们 在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应 ,并且 认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象 。虽然这些 “发现”最终没有得到很确凿的认证 ,但还是给科学家们增添 了很大的信心[223 ] 。
电磁场的物理量电场强度 珝E 和磁感应强度珝B 以及电位移 珤D
和磁场强度 珬H ,都是由电荷所受的力直接或间接定义出的 。
在这种情况下 ,根据电磁场中所受的力来定义磁单极强度的
单位 ,用国际单位制就可以有两种定义 :
(1) 用磁场强度 珬H 定义 。即磁单极强度为 g 的静止磁
单极子 ,在真空中外磁场强度为 珬H 处所受的力为
珝F = g珬H
(3)
根据这个定义 , g 的单位是伏特 ·秒 。
(2) 用磁感应强度 珝B 定义 。即磁单极强度为 g 的静止磁
单极子 ,在真空中外磁感应强度为 珝B 处所受力为
珝F = g′珝B
(4)
根据 (4) 式定义的磁单极强度的单位为安培 ·米 。因为在真
空中 珝B =μ0 珬H 。所以
g = μ0 g′
4 磁单极强度的单位与电磁对称性
假设磁单极子存在 ,并且它们之间的相互作用力遵守库
仑定律 ,则在国际单位制里 ,磁单极强度 (即磁单极子的磁
荷) 的单位应如何确定 ,才能在目前的宏观电磁理论框架里
更好地体现出电磁对称性呢[4] ?
4. 1 磁单极强度的两种单位
目前的电磁理论是不存在磁单极子的电磁理论 。描述
(5)
式中μ0 = 4π×107 亨利/ 米 。
2009 年第 3 期
张登玉 ,游开明 ,高峰 ,等 :磁单极子与电磁对称性
3 5
4. 2 磁库仑定律
为了与静电的库仑定律对应 ,在 (3) 式定义的情况下 ,假
定磁单极 g1 和 g2 之间相对静止 ,它们之间的相互作用力为
珝F
=
1 4πx
g1 g2 r3
珗r
(6)
根据量纲分析 , x 的单位
[ x ] = 亨利 / 米 = [μ0 ]
(7)
于是得出相对静止的磁单极 g1 和 g2 之间的相互作用力的
库仑定律为
珝F
=
1 4πμ0
g1 g2 r3
珗r
(8)
同理可得出相对静止的磁单极 g′1 和 g′2 之间的相互作用力的
库仑定律为
珝F
=
μ0 4π
g′1r3g′2 珗r
第 30 卷第 3 期 2009年6月
衡阳师范学院学报 Journal of Hengyang Normal U niversity
No . 3Vol. 30 J une . 2 0 0 9
磁单极子与电磁对称性
张登玉 , 游开明 , 高 峰 , 唐建锋 , 詹孝贵
(衡阳师范学院 物理与电子信息科学系 , 湖南 衡阳 421008)
1982 年 ,美国斯坦福大学的茨勃兰 ( Cabrera) 做了一个 实验 ,他把一个直径为 5cm 的铌线圈降温到 9 K ,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 ,只有磁单极子进入铌线圈后 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入线圈引 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 ,包括茨勃兰在内的物理学家尚 未能重复这个结果 。
珝F = g (珬H - ν珒×珤D)
(10)
如果采用定义式 (4) ,则磁单极强度 g′所受的力为
珝F = g′(珝B - c12ν珒×珝E)
(11)
狄拉克曾根据量子力学的要求得出结论 :对所有的波函数来
说 ,沿任何闭合曲线走一圈 ,周相的变化值都必须相等 ,由这
个结论 ,他得出了电荷的量子化公式 。在国际单位制中 ,如
但也有许多杰出的物理学家坚持认为磁单极子是存在 的 ,只是它们成对结合得太紧密了 ,现在所有的高能粒子尚 不能把它们分离开 。有的科学家还推算出了磁单极子的质 量 ,证明了磁单极子的质量大得惊人 ,约为质子质量的 1 亿 亿倍 ,比细菌还要大 。他们同时认为 ,如果存在磁单极子 ,它 们极大可能是在宇宙形成初期产生的 ,残存下来的数量很少 很少 ,因为如果宇宙间充满了大量磁单极子 ,则宇宙间的磁 场将不复存在 。正因为磁单极子数量微乎其微 ,所以要找寻 到它们是非常困难的 。持肯定观点的科学家一致认为 :虽然 磁单极子非常少 ,但由于它对物理学所产生的巨大影响 ,完 全值得不遗余力的去找寻 。
学的教学以及量子信息的科研工作.
3 4
衡阳师范学院学报
2009 年第 30 卷
2 探测磁单极子的现状
几十年来 ,物理学家根据理论上预言的磁单极子质量很 大 、电离能力极强 、与电荷有密切联系 ,容易被顺磁吸收 ,正 负磁荷相遇湮没成光子等性质 ,千方百计地寻找磁单极子 。 2. 1 70 多年的努力不见踪迹
在麦克斯韦方程组中 , ·珝B = 0 ,而 ·珤D =ρe ,这意味 着和电荷相对应的磁荷 (磁单极子) 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 的电荷与磁荷的比值是同一常数 ,总能通过适当的数学变换 使麦克斯韦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 ;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 。