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磁单极子之谜

物理与微电子学院    胡国庆  021001053          电磁方程为何不对称

我们在学习电磁学时,认识到变化的磁场会产生电动势。运动的电荷会产生磁场,还认识到同性磁极相互排斥,异性磁极相互吸引,静磁力遵从与距离平方成反比的库伦静磁定律。同样,通行电荷相互排斥,异性电荷相互吸引,静电力也遵从与距离平方成反比的库伦静电定律,因此磁与电是很相似的。但是在学习电磁学时,又认识到一个永久磁体的南北极是不能分开的,就是说他们是不能单独存在的。但电荷确实可以分开而单独存在,磁与电的这些差别充分表现在著名的麦克斯韦方程组中,

                     ……….(a)

                       ……….(b)

从这些方面来看,磁与电是不相似的的,那么,磁与电究竟是相似还是不似呢?

这问题直到1931年有人提出磁单极子的理论后才有进一步认识。根据磁单极子的理论,正磁荷(或北磁极)和负磁荷是可以分开的,这样b便可写成                          

                                                                                                                                                                                  

     为磁荷密度               为磁流密度

这样两式便相似了。磁单极子理论不单使磁与电在各方面变得相似,是电磁方程变得对称,而且还还导出磁单极子的磁荷g与电字的电荷e具有下面关系:

   ge=n ()                …………(c)

   n为正负整数    =    h为普朗克常数    c为光速

上式表明磁荷g与电荷e不能为任意数,它们的乘积必须为的整数倍,即磁荷g和电荷e是量子化的。

磁单极子的特征

目前虽然没有在实验上完全证实磁单极子的存在,但在理论上已经推得磁单极子的一些应有特征。这些特征有:

1)电磁与电的对称性和含磁荷g的电磁方程可以知道静止的磁荷会产生静磁场,运动的磁荷会产生磁流和电场。这同电荷的情况相似。

2)磁单极子的磁荷间的磁相互作用能源大与电荷间的电相互作用。由c式可以看出,当n=1时磁荷间的能量约为电荷间能量的5000倍,表明磁单极子作用属于高能现象。

3)磁单极子在磁场中受到的静磁力和运动的磁单极子在磁场中受到的类洛伦兹力都是很强的。

4)运动的磁单极子在物质中产生的电离效应也远高于带电粒子。在相同速度下,带磁荷g的磁单极子于带电荷e的带电粒子的带的电离效应之比与成正比,即两者电离效应相差约5000倍。

5)磁单极子因含有磁荷,会受到顺磁物质特别是强磁物质的吸引力,所以磁性矿物特别是强磁性矿物可以捕获和长期保留磁单极子,这为探测磁单极子提供了重要的启示。

6)根据将电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用统一起来的大统一理论。在超高能量下会出现超重磁单极子,这种超重磁单极子应在极早期宇宙中产生,但有理论提出,这种超重磁单极子在后来宇宙相变中又会大量湮灭,使其密度显著降低,因此磁单极子既涉及微观基本粒子结构,又与宏观极早期宇宙演化有关。

(7) 由非微扰量子理论研究得到,磁单极子能使核子以强相互作用的变率衰变,称为磁单极子对核子的催化作用。这一新提出的磁单极子效应对于探测磁单极子及原子核物理学和天体物理学研究都具有重要意义。

磁单极子的寻觅之路

20世纪30年代初提出磁单极子理论以后,一方面从理论上探讨了磁单极子的一些重要和新的特征,另一方面则从实验和观测上探测磁单极子。半个世纪以来,根据理论提出的磁单极子的特点已从高能加速器,宇宙线,,陨石和月球岩石,地下岩石和海洋岩石等方面进行了探测。

高能加速器中磁单极子的探测。考虑到磁单极子的特点之一是一种高能现象,因此几十年来几乎在各种类型的加速器和高能加速器中都进行过探测磁单极子的实验,其基本原理和过程是:利用加速器的高能粒子轰击靶物质,通过高能粒子与靶物质原子核的相互作用产生出新粒子,如果新粒子中含有磁单极子,则由安装在靶物质附近的强磁场将磁单极子抽取出来并且加速到探测器中。由于磁单极子具有强电离效应,会在探测器中产生特殊的径迹。但是直到现在还未曾探测到磁单极子。一种可能的原因是目前高能加速器的能量还不够高,因而不能通过这一过程产生磁单极子。

宇宙线中磁单极子的观测。如果说目前高能加速器的能量上不够高到产生磁单极子,那么,已观测的宇宙线能量高达ev或更高,应该有可能产生磁单极子,宇宙线中的磁单极子有可能是原来就有的,受星际磁场作用被加速到很高的能量。也可能是高能宇宙线粒子与高空的大气原子碰撞而产生的磁单极子偶在地球磁场作用下或者到达地面,留在地球磁性岩石中,或者离开地球。因此利用设置在高空或是地面的电离探测器或磁探测器来观测磁单极子。这方面还没有取得肯定的可重复的观测结果。有人用高空宇宙线密度太低和观测时间不够长来解释观测不到磁单极子的原因。

地球岩石,月球岩石和陨石的磁单极子探测。如果未能在高能宇宙线中观测到磁单极子的原因是高能粒子密度太低或观测时间不够。那么地球岩石,月球岩石和陨石总该有足够长的时间了,因为一种磁单极子只要不遇到极性相反的另一种磁单极子而湮灭,它们是会长期存在下去的。曾有两种方法来探测这些岩石和陨石的磁单极子,一种是利用强磁场吸取,在送入电离探测器中测量。另一种是直接观测磁单极子在这些岩石或陨石中留下的特征型径迹。已经利用前一种方法研究过的有露天磁性矿,太平洋和大西洋底的锰矿瘤,海底沉积物,月球岩石和铁陨石。利用后一种方法研究过一种约1.85~3.55亿年前的黑曜石,都没观测到磁单极子的径迹。

这样,从高能加速器到宇宙线,从陆地岩石到洋底狂舞,从天外来的陨石到月岩,到处寻觅磁单极子的踪迹,真可说是“上穷碧落下黄泉”了。但是始终未能从实验上和自然界获得磁单极子的肯定结果。

科学家们也没有放弃的理由。因为磁单极子理论的证实能给整个物理界带来的好处是那么的诱人,这条探索之路上的人们一定会前仆后继,只为一个共同的目标而不懈努力。