?我們可以從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面來(lái)看電磁場(chǎng)理論。

麥克斯韋方程組是經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論，但是這個(gè)理論并不能完美解釋為何我們找不到磁單極子，也不能解釋為何電荷都是以固定值存在的。當(dāng)科學(xué)家將麥克斯韋方程組拓展到包含磁單極子，電荷就只能以固定值存在，這使得經(jīng)典電磁場(chǎng)理論與量子電動(dòng)力學(xué)得到了統(tǒng)一。而在實(shí)驗(yàn)方面，在實(shí)驗(yàn)室里構(gòu)造類磁單極子、通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)尋找磁單極子、甚至是在浩渺無(wú)垠的宇宙里尋找它的存在，人們一直沒有放棄過(guò)對(duì)磁單極子的探索。磁單極子真的存在嗎？還是這只是人們對(duì)電磁對(duì)偶一廂情愿的想法？

你很可能已經(jīng)聽說(shuō)過(guò)希格斯玻色子了。早在很久以前就有人預(yù)測(cè)了這種難以捉摸的粒子的存在，它的存在也幫助了人們解釋宇宙為什么像現(xiàn)在這樣運(yùn)轉(zhuǎn)。但我們?nèi)耘f花了幾十年時(shí)間去尋找它。

不過(guò)，量子力學(xué)還預(yù)測(cè)了一種難以捉摸的粒子的存在，這種粒子困擾了人們更長(zhǎng)時(shí)間。事實(shí)上，我們一直試著尋找它，但我們至今沒有找到過(guò)哪怕一個(gè)這種粒子。

這就是磁單極子。它的一些特性使得它比其他粒子更特別。

?磁與電的相似性

對(duì)物理感興趣的人大概已經(jīng)對(duì)電單極子有過(guò)了解了，不過(guò)你可能更熟悉它的另一個(gè)名字：電荷。

在電場(chǎng)里不同的電荷有著不同的反應(yīng)，正電荷從正極運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，負(fù)電荷從負(fù)極運(yùn)動(dòng)到正極。電荷的正負(fù)又稱為電荷的“性”，同性電荷相互排斥，異性電荷相互吸引。

電單極子以帶有一個(gè)正電荷或一個(gè)負(fù)電荷的粒子形式存在，比如說(shuō)電子，以及質(zhì)子。

乍看之下，磁場(chǎng)跟電場(chǎng)有點(diǎn)相似。就場(chǎng)的方向來(lái)看，磁體從磁場(chǎng)的北極運(yùn)動(dòng)到南極，人們藉此定義磁場(chǎng)的方向。

然而，當(dāng)我們?cè)噲D在磁場(chǎng)中尋找電荷的對(duì)應(yīng)物時(shí)，這種對(duì)稱性卻被打破了。我們能夠找到以帶電粒子的形式存在的電單極子，但我們卻從未觀測(cè)到過(guò)磁單極子。

跟電場(chǎng)相反，磁體總是以偶極子的形式存在，有一個(gè)北極和一個(gè)南極。當(dāng)一整塊長(zhǎng)條磁鐵被分成兩半，你不可能得到一塊只有北極的磁鐵和一塊只有南極的磁鐵。相反的，你會(huì)得到兩塊新的、更小的磁鐵，每一塊磁鐵都有南極和北極。

即使你將那塊磁鐵分成獨(dú)立的粒子，你還是只能得到磁偶極子。

回顧已經(jīng)建立的磁學(xué)，我們能夠在麥克斯韋方程組中看到電學(xué)與磁學(xué)的連續(xù)性，并將其整合成傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論。

麥克斯韋早在1861年到1862年間就發(fā)布了這一方程組，它們直到今天還相當(dāng)有用，不論是在工程、通信、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還是別的一些領(lǐng)域上。

但是，這組方程中的其中一個(gè)方程——磁場(chǎng)高斯定理——表明了世界上并沒有磁單極子。

?我們?nèi)粘Ｋ^察到的磁性都來(lái)自于電荷移動(dòng)。帶電粒子沿路徑移動(dòng)（比如電子沿導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)）形成電流，而這種電流激發(fā)了環(huán)繞電流流動(dòng)方向的磁場(chǎng)。

第二種形成磁性的原因跟量子力學(xué)中的“自旋”概念有關(guān)。比起慣常認(rèn)定的帶電粒子按固定方向移動(dòng)，我們可以將自旋看成帶電粒子繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。

自旋使得粒子產(chǎn)生了一個(gè)角動(dòng)量，而這個(gè)角動(dòng)量使得帶電粒子表現(xiàn)得像磁雙極子（比如，一個(gè)很小很小的條狀磁鐵就是一個(gè)磁雙極子）。這個(gè)解釋意味著，我們不需要磁單極子也可以描述磁場(chǎng)產(chǎn)生的現(xiàn)象。

但是，由于傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論與我們所觀測(cè)到的現(xiàn)象沒有矛盾，這并不意味著沒有磁單極子的存在。相反，這僅僅意味著我們還沒有觀測(cè)到過(guò)磁單極子。

看向理論更深?yuàn)W晦澀的部分，我們將會(huì)找到對(duì)磁單極子存在性的一些有趣爭(zhēng)論。

對(duì)稱性的誘惑

1894年，諾獎(jiǎng)得主Pierre Curie（譯注，即我們熟知的居里夫人的丈夫）描繪了一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子存在的可能性，目前沒有理論能否定它的存在。

更晚一些時(shí)候，在1931年，諾獎(jiǎng)得主Paul Dirac拓展了麥克斯韋方程組使其包含磁單極子，展示了麥克斯韋方程組的一種未被證實(shí)的可能性。在這種情況下電荷只能取一些特定的值，不能任意取值。

而電荷的量子化是量子力學(xué)的要求，所以，Dirac的工作向人們展示了傳統(tǒng)電磁理論與量子電動(dòng)力學(xué)理論的兼容性。（譯注，電荷的量子化即指上文的“電荷只能取一些特定的值，不能任意取值”）

不管怎樣，有的物理學(xué)家執(zhí)著于自然理論的對(duì)稱之美。由于磁單極子的存在將預(yù)示著電場(chǎng)和磁場(chǎng)間存在對(duì)偶性，那些預(yù)言磁單極子存在的理論是讓人著迷的。

對(duì)偶性，在物理當(dāng)中，意味著一種理論跟另一種完全不同的理論有相似性。

如果電場(chǎng)力跟磁場(chǎng)力有完全的相似性，那也許另一種力也會(huì)跟其他力有相似性。也許強(qiáng)力和弱力之間也會(huì)存在某種聯(lián)系，使得所有力的大一統(tǒng)理論成為可能。

不過(guò)，大一統(tǒng)理論具有的迷人對(duì)稱性并不能說(shuō)明它的正確性，我們還需要更多證據(jù)。

?單極子的匹配

通過(guò)在波色-愛因斯坦凝聚和超流體中構(gòu)造類單極子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們已經(jīng)接近看到磁單極子了。

但是，當(dāng)人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里證明磁單極子并非不可能存在的同時(shí)，他們卻沒有在自然界里發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)磁單極子。

粒子物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)宣稱在某些情況下找到了可能是單極子的粒子，但是目前為止這些發(fā)現(xiàn)都不夠確鑿，或者不具有可重復(fù)性。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的磁單極子和奇異粒子探測(cè)器已經(jīng)取代了之前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，至今人們還是沒有找到過(guò)磁單極子。

于是那些熱衷于研究磁單極子的科學(xué)家們轉(zhuǎn)而去尋找我們至今沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子的原因。

那些通過(guò)電流加速的粒子加速器至今沒有探測(cè)到磁單極子也許僅僅只是因?yàn)榇艈螛O子的質(zhì)量大過(guò)了我們現(xiàn)在能夠創(chuàng)造的粒子的質(zhì)量。

按這個(gè)理論，我們可以估計(jì)磁單極子的最大可能質(zhì)量。結(jié)合我們已知的宇宙的結(jié)構(gòu)，我們可以估算出磁單極子的質(zhì)量可能高達(dá)10^14 TeV。

（譯注，1TeV=1000MeV=10^9eV。eV即電子伏，為1個(gè)電子在真空中通過(guò)1V電位差時(shí)的能量變化，是能量單位。能量可以通過(guò)愛因斯坦質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程E=mc^2轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。）

具有這樣質(zhì)量的物體可能在大爆炸后的早期宇宙中就產(chǎn)生了，在宇宙開始膨脹之前就已經(jīng)存在。如果宇宙冷卻到一定溫度，在這個(gè)溫度下磁單極子不再有充足的能量膨脹，那也許磁單極子就會(huì)在這兒。只是這種情況少之又少。也許，讓我們以為能找到磁單極子不過(guò)是上帝的一個(gè)圈套。

作者簡(jiǎn)介：T'Mir最近以論文《用全Belle數(shù)據(jù)集對(duì)B0 -> pi0pi0衰減的評(píng)估》完成了她實(shí)驗(yàn)粒子物理的PhD學(xué)位。她現(xiàn)在是斯威本科技大學(xué)革新中心的一名數(shù)據(jù)科學(xué)家。

原文鏈接【科學(xué)美國(guó)人博客】：

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