如果把一塊磁鐵斷開，就會(huì)得到兩個(gè)分別具有南北磁極的小磁鐵，而不是獨(dú)立的南磁極和北磁極。在物理上，符號(hào)相反的一對(duì)電荷或磁荷被稱之為偶極子。如果只有一個(gè)出現(xiàn)，就稱之為單極子。電單極很普遍，任何一個(gè)帶有電荷的基本粒子都是，比如電子或者夸克。那么，在自然界，是否也可能存在著“磁單極子”？

○ 所有的磁鐵都同時(shí)擁有南極和北極（插圖），其中線條代表了磁場(chǎng)的方向。但有沒有可能自然界也存在著獨(dú)立的南北磁極？| 圖片來(lái)源：CERN

有電磁學(xué)基礎(chǔ)的讀者都知道，我們有電荷、電流和電場(chǎng)，但從來(lái)沒有磁荷和磁流，而只有磁場(chǎng)。通過(guò)改變磁場(chǎng)可以驅(qū)使電子移動(dòng)，但是不可以通過(guò)改變電場(chǎng)來(lái)使磁荷移動(dòng)，因?yàn)榇藕刹⒉淮嬖?。換句話說(shuō)，宇宙中的電和磁之間有著基本的不對(duì)稱性。這也是為什么麥克斯韋方程組中的電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（B）方程看起來(lái)如此的不同。從方程 ▽·B = 0 我們也可以看出這樣一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)：磁單極子并不存在。

如果我們假設(shè)自然界中的確存在著磁荷和磁流，只是它們還沒有被發(fā)現(xiàn)而已。那么我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了一些基本常數(shù)的不同外，麥克斯韋方程看起來(lái)非常的對(duì)稱！因此，僅從美學(xué)的角度而言（電學(xué)和磁學(xué)之間的對(duì)稱性），大多數(shù)人都愿意去相信磁單極子的存在。

○ 麥克斯韋方程組。

其實(shí)，早在1931的時(shí)候，物理學(xué)家狄拉克（Paul Dirac）在向《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》遞交了一篇題為“電磁場(chǎng)的量子化異?！保≦uantised Singularities in the Electromagnetic Field）[1]的論文中，就預(yù)言了磁單極子的存在與量子理論是一致的。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，它的出現(xiàn)似乎只是一個(gè)偶然結(jié)果，是在解釋基本電荷存在這一更基本的研究中出現(xiàn)的一個(gè)副產(chǎn)品。

今天，有許多前沿理論都包含了磁單極子的解，比如大統(tǒng)一理論（GUTs）、弦理論和M-理論。這是因?yàn)?，如果我們能夠在自然界中發(fā)現(xiàn)磁單極子，就可以：

• 解釋電荷的量子化；

• 在根本上改變我們對(duì)電磁學(xué)的理解；

• 為大統(tǒng)一理論和弦理論提供更多的洞見；

• 對(duì)天體物理學(xué)和宇宙學(xué)有革命性的影響。因?yàn)槿绻趯?duì)撞機(jī)中能夠發(fā)現(xiàn)磁單極子，那么它們也應(yīng)該在早期的宇宙中產(chǎn)生。

○ 磁單極子：存在或不存在？| 圖片來(lái)源：Corinne Mucha

但問(wèn)題是，它們究竟在哪里？在歷史上，尋找磁單極子最著名的實(shí)驗(yàn)發(fā)生在1982年的情人節(jié)：在卡布雷拉（Blas cabrera）的實(shí)驗(yàn)室中，記錄到了一次8磁子的信號(hào)，這意味著有一個(gè)磁單極子通過(guò)了超導(dǎo)線圈！這個(gè)發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家極大的熱情。此后，卡布雷拉建造了更大型的探測(cè)器，想要尋找更多這樣的信號(hào)，卻再也沒有找到。物理學(xué)家溫伯格（Steven Weinberg）為此在1983年的情人節(jié)還專門寫了一首詩(shī)給卡布雷拉：

玫瑰是紅色的，

紫羅蘭是藍(lán)色的，

是時(shí)候找到磁單極子了，

第二個(gè)！

但是，第二個(gè)磁單極子再也沒出現(xiàn)過(guò)。難道卡布雷拉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一個(gè)極其不可能的故障？難道在宇宙中只有這么一個(gè)唯一的磁單極子正好經(jīng)過(guò)他的探測(cè)器？盡管他的實(shí)驗(yàn)不能用其他原因作解釋，但即沒有被證明是錯(cuò)的，又同樣沒有被確認(rèn)是對(duì)的。一個(gè)單獨(dú)的事件并不足以改變磁單極子的命運(yùn)——從一個(gè)理論預(yù)言的粒子到一個(gè)真實(shí)存在于自然界中的粒子！

幾十年來(lái)，科學(xué)家并沒有放棄過(guò)尋找磁單極子的夢(mèng)想，但均為成功。下面是兩個(gè)關(guān)于捕捉磁單極子的最新進(jìn)展：

1. 在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中，有一個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為MoEDAL，它的首要目標(biāo)就是用來(lái)尋找在LHC中直接產(chǎn)生的磁單極子。2017年12月29日，MoEDAL團(tuán)隊(duì)在arXiv.org發(fā)表了他們的最新成果：盡管分析的數(shù)據(jù)是之前實(shí)驗(yàn)的六倍之多，但依然沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子的蹤跡[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)這些假想的粒子與普通粒子間的相互作用做出了最嚴(yán)格的限制。

2. 磁單極子也可以出現(xiàn)在磁場(chǎng)非常強(qiáng)、溫度非常高的地方。在這些條件下，很可能會(huì)自發(fā)的形成磁單極子對(duì)。這種極端的環(huán)境可以在一種被稱為磁星的特殊死亡恒星的周圍找到，也可以在粒子加速器中重原子核碰撞后產(chǎn)生。通過(guò)研究這兩種情景，來(lái)自英國(guó)帝國(guó)理工的兩位科學(xué)家Arttu Rajantie和Oliver Gould在不基于任何假設(shè)下的情況下對(duì)磁單極子的質(zhì)量作出了最新的限制，其結(jié)果發(fā)表在2017年12月15日的物理評(píng)論快報(bào)[3]。

磁單極子，存在，還是不存在？目前，我們依舊無(wú)法回答，這是一個(gè)只有依靠實(shí)驗(yàn)才能解決的問(wèn)題?；蛟S是因?yàn)榇艈螛O子太重了，以至于它們無(wú)法在加速器或天體物理過(guò)程中產(chǎn)生。又或許，自然在某些程度上就是不對(duì)稱的。

參考文獻(xiàn)：

[1] P A M Dirac 1931 Proc. Roy. Soc. Lond. A13360; P A M Dirac 1948 Phys.Rev.74817.2.

[2] MoEDAL Collaboration. Search for magnetic monopoles with the MoEDAL forward trapping detector in 2.11 fb?1 of 13 TeV proton-proton collisions at the LHC. arXiv:1712.09849. Posted December 28, 2017.

[3] O. Gould and A. Rajantie. Magnetic monopole mass bounds from heavy-ion collisions and neutron stars. Physical Review Letters. Vol. 119, December 15, 2017, p. 241601.