摘 要:本文对磁单极概念、磁单极的特性、磁单极的实验探寻过程进行了详细描述,通过描述使人们认识到磁单极的探寻过程是曲折的,同时也为未来寻找磁单极打下了良好的基础。
关键词:磁单极麦氏方程组对称性分子电流反常Hall效应
中图分类号:G420文献标识码:A文章编号:1673-9795(2011)09(a)-0106-02
磁单极子既磁铁的单独N极或S极,也即自由磁荷。对于磁铁它的磁极总是成对出现的,无论我们怎样分割它总是存在两个磁极,直到无限小。1931年英国著名的物理学家、量子力学的创始人之一狄拉克首先从理论上预言了磁单极的存在。这个预言引起了科学家极大的兴趣,从而开创了磁单极研究的新的时代。这种物质的存在性到目前为止还是个谜,人们在实验中还没有发现以基本粒子形式存在的磁单极,但是人们从理论上对磁单极作了各种详尽的探讨。
1 磁单极子的特性
(1)质量大。在真空磁场中,磁单极子的能量增加率为:2.06×104(g/go)ev/G.cm两个磁荷相等磁单极的相互作用能为≈5000WE(为两个点电荷的相互作用能),在麦克斯韦理论中,电子的质量类似地,可以根据磁单极子的相互作用能估计磁单极子的质量,最小的磁单极子的质量mg=5000me这样表明磁单极子的质量是很大的。磁单极子的质量是质子质量的1016倍,达到20毫微克。如果我们用加速器来产生磁单极子,它们就会成对出现,一个是正的,另一个是负的。到目前为止,加速器的能量远小于上述能量,故不可能在加速器中找到磁单极子。
(2)具有极强的游离能力。在较高速下,其游离能力是电子的18000倍,在低速下更大。所以磁单极子在通过物质时,将迅速损失能量。如通过乳胶时,会留下一条径迹。
(3)非常稳定。因磁单极子强度守恒,它不会自行消灭。若要湮灭,一定存在大小相等符号相反的另一磁单极子,并与其发生作用,同时释放出某种形式的能力。
(4)在磁场中加速。H=103Oe( ),则磁单极子在磁场中每前进一厘米,将得到41兆电子伏特的能量。
(5)被抗磁质所排斥,被顺磁质所吸引。如把磁单极子嵌进抗磁质石墨中,需要作功十分之几电子伏特,而把它从顺磁质如铬的晶体中拉出需要作功几十电子伏特。
2 研究磁单极的重大意义
(1)如果确实探测到磁单极子,那么带相反极性的北单极子和南单极子就恰好与带正负电荷的质子和电子相对应。这时麦氏方程组将改写成▽·D= -▽×=▽·B= ▽×H=的形式,这不仅进一步完善了电磁理论的对称性,而且必将使我们更深刻地理解电磁现象的本质。
(2)量子电动力学是目前解释和预测电磁现象较成熟的理论。但是,至今认为两磁极是不可分的,因此量子电动力学理论就规定磁粒子流的强度恒等于零。如果磁单极子确实存在,这样的规定就不能成立,必需对量子电动力学理论作较大的修正。
(3)大统一理论认为,如果宇宙按通常认为的速度膨胀,早期应产生大量的磁单极子,而正负磁单极子的湮灭率是有限的,现在仍应有足够多的磁单极子,但是大量实验都没有发现磁单极子。这说明磁单极子即使有也不可能太多。这表明,或者大统一理论有缺陷,或者宇宙膨胀速度应加快,或者某些重要因素没有考虑到。可见,探测磁单极子对宇宙起源理论和大统一理论都有重大意义。
(4)磁荷的存在能很好的解释电荷的量子化。假设磁单极存在,则其磁荷gm与电荷e应满足如下关系:式中1,±2,±3……,μ0为真空磁导率,为普朗克常数,这就是著名的电荷量子化条件。上式表明了即使宇宙存在一个磁单极,它将制约着每一个电子电荷e的取值。同时,当n=1时,最小的电子电荷单元为。所以,如果gm存在,则一切电子电荷都只能是e0的整数倍、反之,若将上式中的e视为基本常数,则当n=1时,gm有最小值:×10-9A.m=2.054119×1010e更大的gm都是g0的整数倍,而且gm与e有相同量纲。由于g0约为1010e,故由库仑定律给出的两个磁单极(磁荷)间作用力要比电荷间作用力大1020倍。
3 磁单极的实验进展
(1)自从1931年狄拉克大胆地预言磁单极子的存在以来,有些人对各种岩石、土壤、陨石,包括从海底和月球上得到的样品,企图用强磁场抽吸可能残存在这些样品中的磁单极子或者找寻磁单极子在其中留下的径迹,有些人用宇宙射线、高能加速器甚至人造卫星作实验,结果都丝毫未发现磁单极子的痕迹。于是,许多物理学家对磁单极的假设持怀疑态度,但也有很多物理学家在继续探索这个问题。
(2)一次没有得到肯定的实验结果。
1975年,美国加州大学的一个科研小组宣布,他们用一个装有探测宇宙射线仪器的气球在距地面40km的高空,记录到一条电离性能很强的粒子留下的径迹。他们认为这是磁单极子的事例。这件事曾一度轰动了物理学界。但不久以后,有些物理学家提出质疑,认为这条径迹并不具有确定性,它可以是一个很重的原子核留下的,也可以是一个很重的反粒子留下的。而且该科研刁组的解释在统计学上也不合理。因此,这个结果最后没有得到物理学界的承认。 1982年,美国斯坦福大学的茨勃兰(Cabrera)作了一个实验。他把一个直径为5cm的锐线圈降温到9K,使之成为超导线圈,并把它放在一个超导的铅箔圆筒中,该圆筒用以屏蔽掉一切带电粒子的磁通量,只有磁单极进人锐线圈后可以引起磁通量的变化。2月14日下午,他的仪器测到磁通量突然跳高了8个刻度,这正好是一个磁单极进人线圈引起的变化。到3月11日止,该实验共做了151天。茨勃兰非常谨慎,他没有宣布发现磁单极子,只是报道了实验结果,与理论上的预言符合,尚不能用磁单极子以外的其他事件作出满意解释,因而受到广泛重视。当然怀疑茨勃兰实验结果的也不少。自从1982年以来,包括茨勃兰在内的世界物理学家尚未能重复这个结果。
4 反对之声
安培认为:“任何物质的分子中都存在圆形电流称为分子电流,分子电流相当于一个基元磁体,当物质不呈现磁性时,这些分子电流做无规则地排列,由于它们对外界所产生的磁场效应互相抵消,故使整个物体不显磁性,在外磁场作用下等效基元磁体的分子电流将倾向于沿外磁场方向取向而显磁性。从安培分子电流的假说说明了磁体的N极和S极两种磁极不能单独存在,因为基元磁体的两个极对应于电流的两个面,显然这两个面是不能单独存在的。
另一方面,从方程▽·D=4πρe与▽·B=4πρm可见ρm与ρe的对称性相反,因为▽与D都是极矢,对空间反演要变号。而B是轴矢,对空间反演不变。所以▽·D与ρe是标量,在时间反转下是偶性,▽·B与ρm是标量,在时间反转下呈奇性。这样若一粒子既带电荷又带磁荷,则必然导致空间反演和时间反演不再是物理学定律有效的对称性质。根据这些论证部分人认为根本不存在磁单极。
5 最新研究状况
最近磁单极的研究又有了新的突破,具体主要表现在以下几个方面。
(1)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。
(2)反常Hall效应及动量空间中的磁单极研究获成果。
中国物理研究所理论室方忠研究员等人,详细分析了此种动量空间中的奇点问题,首次提出其实质上相应于倒空间的一种磁单极存在形式。方忠研究员通过从头计算的方法,直接计算了SrRuO3中的反常Hall系数,并与日本著名实验科学家Y.Tokura领导的实验小组测量的实验结果进行了比较,得到了一致的结果,从而有力的证明了磁单极存在于晶体的动量空间中。现代物理学特别是材料科学的迅速发展,导致了晶格倒空间概念的提出。这是因为晶体具有严格的周期对称性,其中电子的行为必须要用量子力学中的波函数的概念来描述。每一个可能的电子占据态相应于晶格倒空间中的一个波函数。这种磁单极并非存在于实空间中,而是存在于晶体的动量空间中,并且,这种磁单极具有很低的能量,能够在实验中很容易的观测到。最直接的方法是测量磁性晶体中的反常Hall效应。由于磁单极的存在,电子的Hall输运行为受到很大的影响,导致其反常Hall系数与晶体的磁化强度成非线性关系,而并非以前预测的线性关系。基于以上理论,方忠研究员的研究结果解决了困惑物理学界多年的一个基本问题。
6 未来展望
虽然磁单极子假说到现在为止,还没有能在实验上得到最后的证实,但它仍将是当代物理学上十分引人注目的基本理论研究和实验的重要课题之一,因为今天的磁单极子已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口,如果磁单极子确实存在,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学以及天文学的基础理论又将有重大的发展,人们对宇宙起源和发展的认识也会再深入一步。我们相信磁单极的研究不久就会有惊人的发现。
参考文献
[1]美国.科学.杂志,2009.
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