磁單極子：物理學(xué)家還在找找找

蘇凱米

所有已知的磁體都有一對(duì)“南極”和“北極”，而且，無(wú)論把磁體分割得多小、多碎，新得到的每一段小磁體仍然會(huì)有兩個(gè)成對(duì)的磁極。那么，自然界中是否存在著只有“南極”或者只有“北極”的磁體，就像單獨(dú)存在著的正電荷和負(fù)電荷一樣？

20世紀(jì)30年代，英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克在一篇論文中首次提出了這種可能性。他預(yù)言，自然界存在一種只帶單一磁極的粒子，叫做磁單極子。

狄拉克最初的目標(biāo)并不是為了創(chuàng)立一個(gè)磁單極子的理論，而是為了解釋電荷量子化，即，為什么我們觀察到的粒子的帶電量總是電子帶電量的整數(shù)倍。由于磁單極子的磁量和基本電量之間存在固定的換算關(guān)系，所以磁單極子概念的引入非常重要。

狄拉克之后，物理學(xué)家在許多前沿理論中也需要使用到磁單極子的概念，比如大統(tǒng)一理論預(yù)言，宇宙存在大量的磁單極子，其質(zhì)量是質(zhì)子的10的16次方倍；弦理論也可以證明超重磁單極子的存在，并指出超重磁單極子是在宇宙演化極早期的超高溫度中產(chǎn)生的；甚至，暗物質(zhì)的研究也需要用到磁單極子。所以，磁單極子概念的引入很受歡迎，物理學(xué)家主觀上非常希望它是真實(shí)存在的。

于是，近百年來(lái)，物理學(xué)家孜孜不倦地尋找磁單極子，比如在月面物質(zhì)樣本中尋找；在宇宙塵埃中尋找；或者在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)粒子加速器尋找。有幾次，物理學(xué)家確實(shí)公布了一些受人矚目的消息。

比如，1982年的情人節(jié)，斯坦福大學(xué)的布拉斯·卡布雷拉記錄到了一個(gè)“磁單極子通過(guò)超導(dǎo)線圈”的信號(hào)，引起了轟動(dòng)。然而，這種信號(hào)再也沒(méi)出現(xiàn)過(guò)，卡布雷拉的發(fā)現(xiàn)也就成了一件懸案，也許那只是一次機(jī)器故障。

2009年，普林斯頓大學(xué)的希瓦吉·宋迪宣布，自己的團(tuán)隊(duì)在“自旋冰”晶體中觀測(cè)到了類(lèi)似磁單極子的物質(zhì)，又引起了轟動(dòng)，但后來(lái)證明，這次發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)與狄拉克預(yù)言的磁單極子不是一回事。

2014年，美國(guó)艾姆赫斯特學(xué)院的戴維·霍爾表示，自己的團(tuán)隊(duì)在人造磁場(chǎng)中，獲得了“磁單極子的真實(shí)空間圖像”，提供了證明狄拉克磁單極子存在的證據(jù)。這再次引起轟動(dòng)，但沒(méi)有實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)他們的結(jié)果，所以無(wú)法證明戴維·霍爾的研究結(jié)果是否正確。

所以，物理學(xué)家的理論和實(shí)驗(yàn)雖然進(jìn)行得熱熱鬧鬧，但其實(shí)仍然沒(méi)有見(jiàn)過(guò)磁單極子的“廬山真面目”。不過(guò)，物理學(xué)家并沒(méi)有放棄尋找磁單極子的夢(mèng)想，最近，他們又宣布了關(guān)于尋找磁單極子的最新進(jìn)展。

2017年12月15日，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家發(fā)表了自己的研究，他們?cè)O(shè)想，磁單極子可能存在于磁場(chǎng)異常強(qiáng)大以及溫度非常高的地方。這種極端環(huán)境可以在一種被稱為“磁星”的特殊中子星找到，也可以在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中利用重原子核碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)研究這兩種情景，物理學(xué)家對(duì)磁單極子的質(zhì)量提出了限制，即，磁單極子的質(zhì)量必須大于質(zhì)子的3分之1，且自身質(zhì)量的大小與自身攜帶磁量的多少有關(guān)。

12月29日，歐洲核子研究中心也發(fā)表了最新的研究成果，物理學(xué)家宣布，盡管他們收集了比以往多6倍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但仍未發(fā)現(xiàn)磁單極子，不過(guò)，他們也不是一無(wú)所獲，研究使他們明確了一點(diǎn)——磁單極子不是惰性物質(zhì)，它非常容易與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。

那么，“磁單極子”是否存在？目前，物理學(xué)家依舊無(wú)法回答，他們還要繼續(xù)尋找，做更多的實(shí)驗(yàn)才能解答這個(gè)問(wèn)題。