關(guān)于磁單極子的探索

陸海燕

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

1 磁單極子的提出

電磁學(xué)中電和磁表現(xiàn)出極大的相似性，如同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，同樣的同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引．但是，自然界中電荷可以以正負(fù)兩種電荷的形式單獨(dú)存在，而磁性粒子卻總是以偶極子的形式成對(duì)出現(xiàn)．正如一塊磁鐵，無論怎么分割，新的磁鐵總和原來的磁鐵一樣同時(shí)擁有南極和北極，即使分割到原子水平也無法出現(xiàn)單獨(dú)的磁極．

電和磁的這些差異也充分體現(xiàn)在麥克斯韋方程組中

(1)

(2)

(3)

(4)

其中D是電位移矢量，E是電場強(qiáng)度，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，H是磁場強(qiáng)度，ρe是電荷密度，je是電流密度．從式(1)～(4)可以看出電和磁雖然相互聯(lián)系了起來，但兩者卻是不對(duì)稱的．雖然有電荷和電流的存在，卻沒有相應(yīng)的磁荷和磁流．

1931年5月，英國物理學(xué)家狄拉克根據(jù)電和磁的對(duì)稱性提出了磁單極子的假設(shè)．他把量子力學(xué)與電磁理論結(jié)合起來進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域允許磁單極子的存在，即自然界存在只有磁南極或磁北極的粒子．他認(rèn)為兩個(gè)磁單極子之間有一條一維曲線連接，這條曲線被稱為“狄拉克弦”． 狄拉克通過計(jì)算推導(dǎo)出，磁單極子的磁荷g與電荷e之間的量子化條件為

(5)

g·e=n·(?c)

(6)

這個(gè)式子很好地解釋了電荷的量子化．并且磁單極子概念的引入，使麥克斯韋方程組更加的對(duì)稱，可以寫成

(7)

(8)

(9)

(10)

其中ρm為磁荷密度，jm為磁流密度．

2 磁單極子的單位及性質(zhì)

2.1 單位[1]

電動(dòng)力學(xué)中描述電磁場的物理量電場強(qiáng)度E，磁感強(qiáng)度B，電位移D和磁場強(qiáng)度H都是由電荷所受的力直接或間接定義的．在這種情況下，可以根據(jù)電磁場中所受的力來定義磁荷的單位．有兩種定義方式：

(1)用磁場強(qiáng)度H定義

真空中，磁荷為g的靜止磁單極子，在磁場強(qiáng)度為H處所受的力為

F=gH

(11)

其中，磁場強(qiáng)度H的單位為安培/米，簡稱安/米，用符號(hào)A·m-1表示，F(xiàn)的單位為N，根據(jù)這個(gè)定義，磁荷g的單位為V·s，即伏特·秒．

(2)用磁感強(qiáng)度B定義

真空中，磁荷為g的靜止磁單極子，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B處所受的力為

F=gB

(12)

其中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是特斯拉，用T表示，

1 T=1 N/A·m，F(xiàn)的單位為N，跟據(jù)這個(gè)定義，磁荷g的單位為A·m，即安培·米．

文獻(xiàn)[1]指出，從電和磁對(duì)稱性的角度考慮，在目前的電動(dòng)力學(xué)框架里，用磁場強(qiáng)度定義磁單極子的強(qiáng)度單位比較合適．

2.2 性質(zhì)

自磁單極子提出以來，對(duì)磁單極子進(jìn)行了大量的理論研究，提出了磁單極子的一些特性，這些特性為磁單極子的探尋提供了有意義的幫助．磁單極子的部分特性如下[2]：

(1)靜止的磁荷產(chǎn)生靜磁場，運(yùn)動(dòng)的磁荷產(chǎn)生磁流和電場．這和電荷的情況很相似．

(2)磁單極子作用是一種高能量現(xiàn)象，遠(yuǎn)大于電荷間的相互作用能．所以磁單極子對(duì)的產(chǎn)生和湮沒是一種高能現(xiàn)象．因此理論上可以用高能加速器實(shí)驗(yàn)尋找磁單極子．但目前未能在高能加速器中觀測到磁單極子，原因可能是能量尚不夠高．

(3)在磁場中受到的力很強(qiáng)．

(4)運(yùn)動(dòng)的磁單極子在物質(zhì)中產(chǎn)生的電離效應(yīng)遠(yuǎn)高于同樣速度的帶電粒子．在尋找磁單極子的實(shí)驗(yàn)中，可以通過磁單極子強(qiáng)電離效應(yīng)產(chǎn)生的特征徑跡與普通帶電粒子的電離徑跡相區(qū)別．

(5)會(huì)受到順磁物質(zhì)和鐵磁物質(zhì)的吸引，受到抗磁物質(zhì)的排斥．所以順磁性和鐵磁性礦物可以捕獲和長期存儲(chǔ)磁單極子．因此在地球上的古巖石、隕石以及其他天體巖石中有可能探測到磁單極子．

3 磁單極子的實(shí)驗(yàn)探索

3.1 兩次著名的實(shí)驗(yàn)

磁單極子提出以后，科學(xué)家們不僅在理論上對(duì)磁單極子進(jìn)行大量探索，還在實(shí)驗(yàn)上不斷尋找磁單極子存在的證據(jù)．20世紀(jì)八九十年代，發(fā)生了兩次著名的聲稱觀測到磁單極子的事件．

1975年，美國加州大學(xué)普里斯(Price)等人用氣球?qū)⑻綔y系統(tǒng)升到高空，記錄各種宇宙粒子的軌跡．經(jīng)過幾天以后，對(duì)探測出的各種軌跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一條電離性很強(qiáng)的軌跡．科學(xué)家認(rèn)為這條軌跡是磁單極子留下的．不久就有科學(xué)家質(zhì)疑這項(xiàng)結(jié)果，認(rèn)為這條軌跡同樣可能是某種重核原子衰變得到的．因此這次探測結(jié)果沒有得到物理學(xué)界的普遍認(rèn)可．

1982年，美國斯坦福大學(xué)卡布雷拉(Cabrera)等人利用靈敏的磁強(qiáng)計(jì)在地面實(shí)驗(yàn)室中觀測自然界的磁單極子．2月14日，經(jīng)過長達(dá)5個(gè)月嚴(yán)格而周密的觀察，該科研小組觀測到一次磁通量的突然變化，經(jīng)計(jì)算正好和磁單極子穿過線圈的磁通改變量相符合．為了進(jìn)一步證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該科研小組不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法．遺憾的是，未能重復(fù)觀測到磁單極子．但是，關(guān)于磁單極子的理論和實(shí)驗(yàn)的探索仍然在繼續(xù)[3]．

3.2 新的探索

在大量搜尋未果的情況下，物理學(xué)家的注意力開始轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理．凝聚態(tài)物理學(xué)家在《自然》、《科學(xué)》等重要刊物上相繼發(fā)表了在凝聚態(tài)物質(zhì)中獲得磁單極子存在的證據(jù)．

2008年1月，美國普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家希瓦吉·頌提(Shivaji Sondhi)在《自然》雜志上指出，在單晶Dy2Ti2O7里可能含有磁單極子．組成單晶Dy2Ti2O7磁性離子的排列方式與冰中氫離子的排列方式相似，所以又名自旋冰．自旋冰的晶體結(jié)構(gòu)由一個(gè)個(gè)四面體頂點(diǎn)相連，每個(gè)頂點(diǎn)上有一個(gè)磁性離子[4]．這些磁性離子的排列遵循“冰法則”如圖1，即在絕對(duì)零度附近，每個(gè)四面體中，離子的自旋有兩個(gè)指向四面體中心，兩個(gè)反向向外．如果其中離子的自旋被翻轉(zhuǎn)，冰規(guī)則就被破壞，每個(gè)翻轉(zhuǎn)的自旋像多米諾骨牌效應(yīng)一樣，首尾相連就形成一個(gè)自旋鏈．在自旋鏈的末端就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁單極子．

圖1 自旋冰的晶體結(jié)構(gòu)

2009年9月，德國亥姆霍茲材料與能源中心的喬納森·莫里斯(Jonathan Morris)和他的同事在《科學(xué)》雜志上報(bào)告，在自旋冰晶體中觀察到了類似磁單極子的“準(zhǔn)粒子”．[5]莫里斯等對(duì)一種鈦酸鏑單晶體進(jìn)行中子散射實(shí)驗(yàn)，觀測到了偶極子首尾相連形成一根根扭曲的細(xì)管，這些細(xì)管被形象地描述為“自旋意大利面條”．正如狄拉克曾經(jīng)預(yù)言過的一樣，有一條一維曲線連接兩個(gè)磁單極子，因此這些細(xì)管也被稱為“狄拉克弦”．但是預(yù)言中的一維曲線不能像這些細(xì)管一樣被觀察到，“自旋意大利面條”并不是真正的“狄拉克弦”．因此莫里斯等人觀察到的也并非是真正的磁單極子，只是類似磁單極子的準(zhǔn)粒子．真正的磁單極子是否存在，科學(xué)家什么時(shí)候才能找到真正的磁單極子，仍然是個(gè)未解之謎．

4 研究磁單極子的意義

磁單極子的引入解釋了電荷的量子化，也使麥克斯韋方程組更加對(duì)稱，與電磁學(xué)的很多方面相關(guān)．另外微觀世界的基本粒子結(jié)構(gòu)理論和宇觀世界的宇宙演化理論都與磁單極子有密切的聯(lián)系．磁單極子的存在已經(jīng)成為解決一系列重大物理問題的必然要求．盡管至今未能在實(shí)驗(yàn)和自然界中找到磁單極子的身影，但科學(xué)家們?nèi)匀徊贿z余力地在理論和實(shí)踐中探尋磁單極子的存在．

參考文獻(xiàn)

1 張之翔，王書仁.磁單極強(qiáng)度的單位與電磁對(duì)稱性.大學(xué)物理，1988(11)：5～7

2 李國棟.磁單極子理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展.自然辯證法通訊，1983(02)：29～37

3 李國棟.磁的世界.長沙：湖南教育出版社，1994

4 張靜，劉彩霞，徐元英，楊艷芳.磁單極子的魅影.現(xiàn)代物理知識(shí)，2010(04)：35～37

5 D.J.P.Morris,D.A.Tennant,S.A.Grigera,et al.Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7.Science 326,2009:411～414

Abstract：Since the concept of magnetic monopoles was presented by Dirac, scientists have been trying to find it. Researches in theory were conducted deeply, but scientists still can't find the evidence of their existence in the experiment. This paper introduced the presentation, unit and nature of magnetic monopoles from the perspective of symmetry of Maxwell's equations and charge quantization. And introduced the exploration of magnetic monopoles in experiments. Scientists had observed quasi-particle of magnetic monopoles in the spin ice after the two famous experiments in history.

Keywords：magnetic monopoles;spin ice;Dirac strings