磁单极子

    20天前发布

基本解释

  磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质,它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。这种物质的存在性在科学界时有纷争,截至2008年尚未发现这种物体。可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

  磁单极子-设想

  在经典电磁理论中,磁是由电流和变化的电场产生的,磁南极和磁北极总是同时存在的,不存在磁单极子。1931年P.A.M.狄拉克从分析量子系统波函数相位不确定性出发,得出磁单极子存在的条件,可用以说明电荷量子化这个理论上无法说明的事实。20世纪70年代以后建立起来的大统一理论以及早期宇宙的研究都要求存在磁单极子,磁单极子的质量重达1016吉电子伏特/库仑2(GeV/C2)。实验上探测磁单极子成为检验粒子物理大统一理论和天体物理宇宙演化理论的重要依据。

  磁单极子-概念

  这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质,如果找到了它们,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。

  磁单极子作为物质的基本构成,它的单独存在可能非常困难,或者可能极其微弱以致无法测量,从二元论的角度分析可能会更合理些,如纯的吸引性粒子和纯的排斥性粒子,曾经作过广泛的探查
,而且每当粒子加速器开拓新能区或发现新的物质源(例如从月球上取来岩石)都要重新进行磁单极子的的搜索。1982年采用超导量子干涉器件磁强计探测到一起磁单极子的事例,但还不足以肯定其存在。

  在磁单极子的理论研究方面,除狄拉克最早提出的磁单极子学说外,还有其他一些科学家也曾提出过多种的学说,各有其特点和根据。如著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上探讨过磁单极子,并且也认为它的存在是可能的。华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家,也从不同方面和不同程度地对磁单极子理论做出了补充和完善。它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足,给磁单极子的设想辅以更坚实的理论基础。

  磁单极子-电磁理论

  电磁,在许多人的印象里,电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟,也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶。说到电,必然也会说到磁;提到磁,自然也离不开电。

  电和磁确实有许多相似之处:带电体周围有电场,磁体周围也有磁场;同种电荷相斥,同名磁极也相斥;异种电荷相吸,异名磁极也相吸;变化的电场能激发磁场,变化的磁场也能激发电场;用摩擦的方法能使物体带上电,如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次,也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。

  在电现象里,带电体可分割成单独带有正电荷和负电荷的粒子,正、负电荷可以单独存在;而磁体的两极总是成对出现,无论磁针被分割成多少部分,无论把它分割得多么小,新得到的每一段小磁铁总有两个磁极,长久以来,人们从来没有发现过单独存在的磁极——磁单极子。

  1931年,著名的英国物理学家狄拉克首先从理论上用极精美的数学物理公式预言,磁单极子是可以独立存在的。他认为,既然电有基本电荷——电子存在,磁也应有基本磁荷——磁单极子存在,这样,电磁现象的完全对称性就可以得到保证。因此,他根据电动力学和量子力学的合理推演,前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来。以前,狄拉克曾经预言过正电子的存在,并已经为实验所证实;这一次他的磁单极子假设同样震惊了科学界。

  磁单极子-寻找历程

  随着磁单极子的提出,科学界由此掀起了一场寻找磁单极子的狂潮。人们绞尽脑汁,采用了各种各样的方法,去寻找这种理论上的磁单极子。

  科学家首先把寻找的重点放在古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石上,因为他们觉得这些物体中,会隐藏着磁单极子这种“小精灵”。然而结果却令他们大失所望:无论是在“土生土长”的地球物质中,还是那些属于“不速之客”的地球之外的天体物质中,均未发现磁单极子!

  高能加速器是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段。科学家利用高能加速器加速核子(例如质子),以之冲击原子核,希望这样能够使理论中的紧密结合的正负磁单极子分离,以求找到磁单极子。美国的科学家利用同步回旋加速器,多次用高能质子与轻原子核碰撞,但是也没有发现有磁单极子产生的迹象。这样的实验已经做了很多次,得到的都是否定的结果。

  最后,科学家们一方面试图研制出功能更加强大的加速器,一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射线,试图从宇宙射线中找到磁单极子的踪影。从宇宙射线中寻找磁单极子的理论根据有两方面:—种是宇宙射线本身可能含有磁单极子,另一种是宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子。他们曾经把希望寄托在一套高效能的装置上,因为这种装置可以捕捉并记录到非常微小、速度非常快的电磁现象。他们期待着利用这套装置能把宇宙线中的磁单极子吸附上,遗憾的是这套装置也未能使他们如愿以偿。

  1973年,科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测,而且使用了极灵敏的仪器。但没有测出任何磁单极子。

  磁单极子-曙光曾现
在对磁单极子进行寻找的过程中,人们“收获”到的总是一次又一次地失望。不过,在一次又一次沉重、浓郁的失败的晦暗中间,也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光。

  有一些物理学家认为,磁单极子对周围物质有很强的吸引力,所以它们在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹。根据这一特点,1975年,美国的一个科研小组,用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空,经过几昼夜宇宙射线的照射,发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹,他们欣喜若狂,于是迫不及待地在随后召开的一次国际会议上声称,他们找到了磁单极子。但是,对于那是否真的是磁单极子留下的痕迹,会上争论很大,大多数科学家认为那些痕迹很明显是重离子留下的,但试验者还是坚持认为那是磁单极子留下的“杰作”。双方为此展开了激烈的争论,谁也说服不了谁。所以,到目前为止,这些痕迹到底是谁留下的,还是桩难以了断的“悬案”。

  1982年,美国物理学家凯布雷拉宣布,在他的实验仪器中发现了一个磁单极子。他采用一种称为超导量子干涉式磁强计的仪器,在实验室中进行了151天的实验观察记录,经过周密分析,实验所得的数据与磁单极子理论所提出的磁场单极子产生的条件基本吻合,因此他认为这是磁单极子穿过了仪器中的超导线圈。不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象,所以这一事例还不能确证磁单极子的存在。

  一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说,他们发现了磁单极子存在的间接证据,他们在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应,并且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象。

  虽然这些“发现”最终都没有得到很确凿的认证,但还是给科学家们增添了很大的信心。

  磁单极子-存在的疑问

  尽管磁单极子理论不断地得到进一步地完善,但是,人们还是不得不面对这样一个事实,那就是,与磁单子理论不断“前进”的形势相比,对磁单极子的寻找却几乎是“原地踏步”,理论和实践相比,出现了极大的“不对称”,实践成了磁单子学说中的一条“短腿”。从20世纪到21世纪,世界各地都在寻找磁单极子,在陆地、在海洋、在太空、在深海沉积物中、在月球的岩石上,却还是很难发现磁单极子的蛛丝马迹。对于这种状况,完全可以用这样的诗句来形容:“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”。

  经历了这么长时间的寻找,可以说没有一个科学家敢于理直气壮地声称自己完全真正找到了磁单极子,于是,导致了关于磁单极子是否真的存在的疑云的产生,并且这种疑云渐渐地越积越厚,浓重地笼罩着科学界,并引发了新一轮的、更加激烈的关于磁单极子的争议。

  否定论者

  对磁单极子的存在持否定态度的科学家大有人在,他们提出了这样或那样的理由加以论证,而其中最主要的理由就是:鸟过留声、兽过留痕,如果磁单极子确实在宇宙中存在,它就总会留下蛛丝马迹,但迄今为止,人们用最先进的方法和最精密的仪器,在各种物质中寻找磁单极子,都一无所获。因此可以认为,它们可能根本就是一种仅仅存在于人们主观想象中的子虚乌有的产物。

  在19世纪末20世纪初,还曾有科学家用以太学说来否定磁单极子的存在:在人们能够用光学方法探测到的太空中,弥漫着一种被称为以太的物质。由于以太的特殊性质,它们在太空中是以一种涡旋的状态分布的,很明显,宇宙中存在着大大小小的以太旋涡。因为旋涡是一种转动,这种旋涡不论大小,转动的东西一定有一个转轴。以太的旋涡实质上就是磁场,一个转轴有必定有两端,也就是有两个极,不存在只有一个端的转轴,所以就不存在磁单极子。但是,这一说法随着以太学说的被抛弃而归于销声匿迹。

  还有人这样认为:“电场”和“磁场”是电荷和磁体四周存在着看不见、摸不着的物质。电荷和磁体通过各自的“场”这种物质向另外的电荷和磁体施加作用,同时场还表达了电力或磁力作用的范围;电力和磁力的无形的作用线分别称为“电力线”或“磁感应线”。因为电荷电场的电力线不是闭合的,它起源于正电荷,终止于负电荷,或延伸至无限远,它在电荷处是不连续的;而磁体磁场的磁感应线永远是闭合的,它在磁体内部和外部处处连续。实验中从来未见到过单个的磁极或磁荷,也从来未发现不闭合的磁感应线。所以,在经典电磁理论中,磁单极子存在的可能性就根本被排除了。正是由于上述原因,十分强调对称性的英国物理学家麦克斯韦在建立经典电磁理论的时候,虽然为了对称性也考虑过磁单极子,但是最终还是未敢贸然将它引入它的理论中。因此,这种不对称性在经典电磁理论中就一直保留到今天。

  其中特别应该指出的是,就连到了晚年的狄拉克本人,也对磁单极子是否存在产生了深深的怀疑。1981年,他在致一位友人的信中说:至今我已是属于那些不相信磁单极子存在之列的人了。因此,持否定观点的人还认为,应尽早放弃对磁单极子的寻找,因为这种寻找无异于缘木求鱼,只能是徒劳无功的。

  肯定论者

  肯定磁单极存在者中,不乏非常杰出的物理学家。他们坚持认为,磁单极子是存在的,但它们成对结合得太紧密了,现在所有的高能粒子尚不能把它们轰开。但是,他们也认为,有一点是可以肯定的,这就是磁单极子即使存在,它们也极可能是在宇宙形成初期产生的,残存下来的数量也是微乎其微的,因为假如宇宙间充满了大量磁单极子,则宇宙间的磁场将不复存在。这些磁单极子本来就很少,而且它们又散布在极其广袤的宇宙之中,所以要找到它不是很容易的。但是,如果磁单极子含量很少,那么正负磁单极子之间相互湮没的几率也同时就会很低,所以它们就更有可能被保存下来。

  也有的科学家首先肯定磁单极子的存在,但同时又承认磁单极子实际上很难发现。他们的理由是:在人类观测所及的范围内,存在的大多数磁单极子应是属于一种运动速度极其缓慢、“惰性”很强的“慢磁单极子”,而那些“精力充沛”、“运动神速”的“快磁单极子”,早已飞离银河系,消失在无边无际的宇宙空间。但“慢磁单极”子对物质电离作用很弱,要想观察到它们,需要有比现在装置灵敏度高上万倍的探测器才可以,而以目前的科技水平,这样的探测器暂时还无法制造出来。

  有的科学家甚至还推算出了磁单极子的质量,证明了磁单极子质量大得惊人,约为质子质量的1亿亿倍,比细菌还要大!所以他们进一步认为,无论是现代加速器还是高能宇宙射线,都不能产生如此大质量的粒子,仅在宇宙诞生即宇宙大爆炸时,才有磁单极子生成所需的极高的温度和极大的能量密度条件。

  理论创新

  特别值得一提的是,科学家虽然在实验上寻找磁单极子时总是“扫兴而归”,但在预言磁单极子存在的理论却不断有创新。如海啸是一种骇人的自然现象,它常常导致海洋中产生一种异常稳定的孤立波,即孤立子。这种孤立子在波涛汹涌的大海中几乎不受其它任何外来事物的干扰,永葆自己的波形和能量,不停地涌向远方。前苏联物理学家鲍尔雅科夫和荷兰科学家特霍夫脱在对弱力和电磁力的关系进行研究时发现,在弱电场(弱力和电磁力是这种场的不同表现)中,会发生“场啸”,每次场啸将产生与孤立子类似的粒子,他们认为这种粒子极有可能就是磁单极子。

  持肯定观点的科学家都一致认为:虽然磁单极子非常少,但考虑到它对物理学所产生的巨大影响,完全值得不遗余力地去寻找。两种观点激烈交锋,可谓是谁也说服不了谁。

  磁单极子-存在争论

  发现论

  德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下,首次观测到了磁单极子的存在,以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。该研究成果发表在2009年9月3日出版的《科学》杂志上。

  实验过程

  此次,德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森·莫里斯和阿兰·坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体,这种材料可结晶成相当显著的几何形状,也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下,研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”,此名得自于偶极子本身的次序。如此一个可控的管(弦)网络就可通过磁通量的传输得以形成,这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到,于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。

  在中子散射测量过程中,研究人员对晶体施加一个磁场,利用这个磁场就可影响弦的对称和方向,从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果,在0.6K到2K温度条件下,这些弦是可见的,并在其两端出现了磁单极子。

  研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在,也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。

  反对论

  当物理学专业人士在论文摘要中看到“凝聚态物理”这个短语时,就立即预感到,这不是真正地发现磁单极子。

  之前的一些研究中已经有迹象显示这种准粒子可能存在,此次两个团队的发现首次确凿地证实了这一点。但他们的“磁单极子”与物理学中著名的由狄拉克预言的磁单极子仍有天壤之别。

  磁单极子的魅影

  一条磁铁总是同时拥有南极和北极,即便你将它摔成两半,新形成的两块磁铁又会立刻分别出现南极和北极。这种现象一直持续到亚原子水平。看上去,南极和北极似乎永远不分家。很多物理学家对这一点相当怀疑。

  英国物理学家狄拉克是首先预言存在磁单极子的物理学家。他在创立著名的狄拉克方程后,于1930年首先预言了正电子的存在,两年之后正电子就被C.D.安德森在实验中发现。基于他的方程,狄拉克还预言了另外两种基本粒子—只有南极或只有北极的磁单极子。

  这是两种虚无缥缈的粒子,因为它们完全来自于纸上计算,而正电子在被预言之前至少人们已经知道了电子的存在。但是,既然电荷能够被分为独立的正负,那么磁似乎也应该能被独立出南极和北极。对于物理学家来说,这才是“对称”的。

  后来,在1980年代,物理学家在试图将弱电相互作用和强相互作用统一在一起,以便最终能完成所谓“大统一理论”时,某些理论也预言了磁单极子的存在。

  物理学家们在研究磁单极子的过程中发生过许多出人意表的故事。

  1970年代,美国物理学家阿兰·古斯(AlanGuth)在康奈尔大学做博士后期间,与合作者研究宇宙早期磁单极子的产生。这个研究没有让他在磁单极子方面做出突破,却让他对宇宙学做出了一个重要贡献。

  1979年12月7日,已经到了斯坦福线性加速器中心工作的古斯在他的草稿纸上写下了“惊人的领悟”。前一天晚上的计算让他相信,从当时的粒子物理和宇宙学假设推导出去,早期宇宙中会产生过量的磁单极子。解决这个矛盾的办法是,宇宙早期经历了“暴涨”阶段。古斯成为暴涨理论的创始人。

  其实,物理学家在现实中“探测”到过磁单极子,只不过仅有一次。那同样是在1970年代,美国斯坦福大学的物理学家布拉斯·卡布雷拉(BlasCabrera)用电线建造了一个仪器,来探测宇宙射线中的磁单极子。假如有磁单极子从仪器中通过,仪器就会得到一个8磁子(磁子是一个常数)的信号。他确实得到了一些信号,但都是一两磁子而已,从来没有超过3磁子。

  1982年的情人节,卡布雷拉没有到实验室工作。而当他再次回到办公室的时候,惊讶地发现仪器恰恰在情人节这天记录到了一个8磁子的信号。此后,卡布雷拉建造了更为大型的探测器,想要寻找更多这样的信号,却再也没有找到。著名物理学家史蒂芬·温伯格在1983年的情人节还专门写了一首诗送给卡布雷拉:“玫瑰是红色的,紫罗兰是蓝色的,是时候找到单极子了,第二个!”可是直到今天,并没有人再次找到过磁单极子,卡布雷拉当年的发现也因此令人生疑。物理学家们尝试过在月面物质样本中寻找,也尝试过在粒子加速器的碰撞实验中寻找,但都一无所获。

  自旋冰里的发现

  去年1月,美国普林斯顿大学的物理学家希瓦吉·颂提(ShivajiSondhi)等人在英国《自然》杂志上发表文章指出,“自旋冰”里可能包含磁单极子。自旋冰是一种奇特的物质,它的组成物磁性离子的排列方式与水冰中氢离子的排列方式相近,因而得名。

  自旋冰的结构是一个一个四面体顶点相接,每个顶点上有一个磁性离子。在接近绝对零度的时候,这些磁性离子的排列遵循“冰法则”:在每个四面体里,必定有两个离子将北极指向内部,另外两个指向外部。

  如果四面体里的某个磁性离子因为某种原因发生了转向,那么情况可能就变成,这个四面体里有三个离子指向内部,与它相邻的四面体里则只有一个离子指向内部。这样一来,这两个失去平衡的四面体就像是磁铁的南极和北极了。接下来,如果邻近的四面体中的离子也发生转向,那么这种不平衡性就会传递下去,这样的话,就相当于南极和北极只由一条离子构成的弦连接,弦中的离子一个指着一个。这样就形成了类似磁单极子的人造物。芬内尔等人为了观察这种磁单极子,利用中子去测量自旋冰晶体内离子的散射模式。结果发现,散射的变化与假设磁单极子存在的计算机模型预测的一致。

  莫里斯和同事则用磁场将自旋冰里的弦进行扩展,然后用中子散射来证明这些弦真的存在,进而证明弦的两端分别有北极和南极。狄拉克曾经预言过“狄拉克弦”,那是一条假想的连接两个磁单极子的一维曲线。莫里斯等人的确探测到了弦的存在,但狄拉克弦理论上是无法观测到的,所以二者仍有区别。莫里斯等人获得的磁单极子也非真正的粒子。“学习如何移动磁单极子将带来技术上的进步,比如电路的磁模拟和原子尺度下的磁记录。”去年颂提等人提出自旋冰中包含磁单极子可能性时,美国约翰-霍普金斯大学的OlegTchernyshyov曾在《自然》杂志上这样评论。“这是一场漂亮的观测。”法国物理学家皮特·霍兹沃斯(PeterHoldsworth)评价《科学》发表的最新文章。而颂提则说,我希望看到实验中观察到单一的单极子,未来某一天某个人可能会做到的。

  对于科学家来说,莫里斯和芬内尔所做出的工作,技术意义大于科学意义。狄拉克所预言的磁单极子仍然杳无踪影。对于这次的实验,“我可能会反对研究人员说‘真正的磁单极子’,因为当你说真正的,那对我来说就意味着点粒子,但这个不是。它在某个尺度上看着像单极子,但从根本上说它并不真的是单极子。”美国俄克拉荷马大学的物理学家金保·弥尔顿(KimballMilton)在《科学美国人》的报道中说。

  在高能物理中,有一批粒子都只是在理论上存在,而从未被观测到的,比如任意子(anyon)和轴子(axion)。它们中最著名的可能要数希格斯玻色子。

  几十年来,在大量搜寻未果的情况下,物理学家的注意力开始转向在凝聚态系统中寻找磁单极子的类似物。除了《科学》杂志发表的两篇论文外,一组日本的物理学家在今年5月召开的国际中子散射大会上也曾报告在自旋冰中观测到了磁单极子类似物存在的证据。科学家什么时候能找到真正的磁单极子,乃至真正的磁单极子是否存在,仍然都是问号。

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