磁現(xiàn)象的三個(gè)大秘密

游丹南

磁鐵和磁力在我們的日常生活中無(wú)處不在，它們能幫助我們?cè)谀吧囊巴庹业椒较颍€能把家里的冰箱門封緊。除了這些常見(jiàn)的例子，磁現(xiàn)象有時(shí)還能在某些場(chǎng)合下大顯身手，比如在核磁共振掃描儀中，磁場(chǎng)能發(fā)揮重要的作用。

盡管磁現(xiàn)象很常見(jiàn)，但它還是有一些很了不起的秘密。

只有運(yùn)動(dòng)才產(chǎn)生磁現(xiàn)象

一個(gè)帶電荷的粒子，孤零零地呆在那里，不做任何活動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)從粒子的各個(gè)方向擴(kuò)散到四周，并指示其他附近的帶電粒子如何響應(yīng)。如果附近有個(gè)電荷相同的帶電粒子，它將被推開(kāi);如果遠(yuǎn)處有個(gè)電荷相反的帶電粒子，它會(huì)被輕輕地拉近一些。

但是，如果你讓帶電荷的粒子運(yùn)動(dòng)起來(lái)，就會(huì)發(fā)生一件令人驚訝的事情：一個(gè)新的場(chǎng)出現(xiàn)了！這個(gè)奇怪的場(chǎng)有著一種奇怪的表現(xiàn)形式：場(chǎng)的方向不是直接指向粒子或遠(yuǎn)離粒子，而是繞著粒子旋轉(zhuǎn)的，垂直于粒子運(yùn)動(dòng)方向的。此外，附近的帶電的粒子只有在運(yùn)動(dòng)的情況下，才能感受到這個(gè)新場(chǎng)，并且粒子所感受到的力的方向也垂直于它的運(yùn)動(dòng)方向。

這個(gè)場(chǎng)我們稱之為磁場(chǎng)，它是由移動(dòng)的電荷引起，又只影響移動(dòng)的電荷。但是你的冰箱里的磁鐵并沒(méi)有動(dòng)，那它們?yōu)槭裁催€有磁性？

你的磁鐵本身不動(dòng)，但里面構(gòu)成它的物質(zhì)卻在動(dòng)。磁體中的每個(gè)原子都有層層的電子，電子是帶電粒子，具有自旋的性質(zhì)。為了便于理解，我們可以把自旋的電子看成一個(gè)個(gè)旋轉(zhuǎn)的小球，雖然這種類比嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是不正確的，因?yàn)樽孕鋵?shí)是一種很深?yuàn)W的量子性質(zhì)。

這樣，電子的自旋就相當(dāng)于電子在自轉(zhuǎn)，而自轉(zhuǎn)也是一種運(yùn)動(dòng)。于是，每個(gè)電子都可以產(chǎn)生一個(gè)微弱的磁場(chǎng)。在大多數(shù)材料中，每個(gè)電子自旋的方向是隨機(jī)分布的，產(chǎn)生的每個(gè)磁場(chǎng)在宏觀尺度上相互抵消。但是在磁鐵中，很多電子自旋的方向都大致相同，最終合起來(lái)的磁場(chǎng)足以在宏觀尺度上體現(xiàn)出來(lái)。

磁單極子是有可能存在的

我們?cè)谟钪嬷锌吹降乃写艌?chǎng)，全都是由移動(dòng)的電荷產(chǎn)生的，所以南磁極與北磁極總是成對(duì)出現(xiàn)，無(wú)法把它倆隔離開(kāi)來(lái)。如果你拿一塊磁鐵，把它切成兩半，最后得到的則是更小的、磁性更弱的兩塊磁鐵——它們的內(nèi)部電子仍然在自旋，和以前一樣。

磁鐵的這種特性是眾所周知的。在19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，成功地把電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象統(tǒng)一在一個(gè)理論框架下，他還把“沒(méi)有單個(gè)磁極那樣的東西”這個(gè)觀點(diǎn)直接寫(xiě)進(jìn)了他的方程組——即著名的麥克斯韋方程組。幾十年來(lái)，科學(xué)家們從來(lái)都沒(méi)有質(zhì)疑過(guò)這個(gè)觀點(diǎn)。

但是，當(dāng)我們開(kāi)始研究奇妙的微觀世界時(shí)，我們對(duì)量子力學(xué)的日益了解，給上面的觀點(diǎn)帶來(lái)了一些質(zhì)疑。量子領(lǐng)域的先驅(qū)，英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克在上個(gè)世紀(jì)30年代首先注意到了這個(gè)問(wèn)題。

狄拉克利用量子力學(xué)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，如果宇宙中存在一種假設(shè)的僅帶有北極或南極的單一磁極的基本粒子，即磁單極子，那么宇宙中所有的電荷必須是量子化的。也就是說(shuō)是，磁單極子如果存在，那么電荷量必為某一特定常數(shù)的整數(shù)倍?，F(xiàn)實(shí)中，物理學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)早就發(fā)現(xiàn)，電荷的確是量子化的，這一特定常數(shù)就是基本電荷，是一個(gè)質(zhì)子所帶的電荷，或一個(gè)電子所帶的負(fù)電荷的量。狄拉克的研究表明，宇宙中有可能存在著磁單極子，但到現(xiàn)在，物理學(xué)家還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何磁單極子。

磁單極子是當(dāng)今物理學(xué)的前沿課題，許多物理學(xué)家仍在不遺余力地去尋找這種神秘的粒子。因?yàn)樵S多前沿的物理理論都包含了磁單極子，如果這種粒子真的存在，那么它肯定會(huì)給物理學(xué)帶來(lái)巨大的影響。

磁現(xiàn)象是狹義相對(duì)論創(chuàng)立的關(guān)鍵

麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的電與磁之間的聯(lián)系，不僅僅是表面上的聯(lián)系。他意識(shí)到，電與磁就像是同一枚硬幣的兩面：變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，反之亦然。而且，光其實(shí)就是不斷振蕩的電與磁相互作用時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。

愛(ài)因斯坦是麥克斯韋理論的超級(jí)粉絲，而且他還考慮到了麥克斯韋從沒(méi)想到過(guò)的問(wèn)題。愛(ài)因斯坦意識(shí)到，電、磁和運(yùn)動(dòng)之間存在著聯(lián)系。同樣，先假設(shè)一個(gè)帶電荷的粒子，孤零零地呆在那里，如果你開(kāi)始跑過(guò)去會(huì)發(fā)生什么？

從你的角度來(lái)看，電荷看起來(lái)是在移動(dòng)。移動(dòng)的電荷有什么作用？沒(méi)錯(cuò)，它們會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以，不僅電場(chǎng)和磁場(chǎng)是同一枚硬幣的兩面，而且你可以通過(guò)簡(jiǎn)單的移動(dòng)來(lái)將硬幣的一面轉(zhuǎn)換為硬幣的另一面。這也意味著，電和磁現(xiàn)象是相對(duì)的，不同的觀察者會(huì)對(duì)他們所看到的現(xiàn)象產(chǎn)生分歧：一些靜止的觀察者可能會(huì)看到電場(chǎng)，而一些運(yùn)動(dòng)種的觀察者將發(fā)現(xiàn)這個(gè)電場(chǎng)的所在之處還有著一個(gè)磁場(chǎng)。

根據(jù)上面的思路，愛(ài)因斯坦繼續(xù)分析下去，最終在1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，并以此建立起一種新的時(shí)空觀。在這一時(shí)空觀下，除了電和磁現(xiàn)象以外，質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間都是相對(duì)的，其觀量結(jié)果取決于物體相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，對(duì)于一位觀察者來(lái)說(shuō)，飛船運(yùn)動(dòng)得越快，觀察者檢測(cè)到的船內(nèi)時(shí)間流逝得就越慢，這就是所謂的時(shí)間膨脹效應(yīng)。狹義相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，它的創(chuàng)立過(guò)程是離不開(kāi)磁現(xiàn)象的。