磁現象的三個大秘密

游丹南

磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，它們能幫助我們在陌生的野外找到方向，還能把家里的冰箱門封緊。除了這些常見的例子，磁現象有時還能在某些場合下大顯身手，比如在核磁共振掃描儀中，磁場能發揮重要的作用。

盡管磁現象很常見，但它還是有一些很了不起的秘密。

只有運動才產生磁現象

一個帶電荷的粒子，孤零零地呆在那里，不做任何活動，就會產生電場。這個場從粒子的各個方向擴散到四周，并指示其他附近的帶電粒子如何響應。如果附近有個電荷相同的帶電粒子，它將被推開;如果遠處有個電荷相反的帶電粒子，它會被輕輕地拉近一些。

但是，如果你讓帶電荷的粒子運動起來，就會發生一件令人驚訝的事情：一個新的場出現了！這個奇怪的場有著一種奇怪的表現形式：場的方向不是直接指向粒子或遠離粒子，而是繞著粒子旋轉的，垂直于粒子運動方向的。此外，附近的帶電的粒子只有在運動的情況下，才能感受到這個新場，并且粒子所感受到的力的方向也垂直于它的運動方向。

這個場我們稱之為磁場，它是由移動的電荷引起，又只影響移動的電荷。但是你的冰箱里的磁鐵并沒有動，那它們為什么還有磁性？

你的磁鐵本身不動，但里面構成它的物質卻在動。磁體中的每個原子都有層層的電子，電子是帶電粒子，具有自旋的性質。為了便于理解，我們可以把自旋的電子看成一個個旋轉的小球，雖然這種類比嚴格來說是不正確的，因為自旋其實是一種很深奧的量子性質。

這樣，電子的自旋就相當于電子在自轉，而自轉也是一種運動。于是，每個電子都可以產生一個微弱的磁場。在大多數材料中，每個電子自旋的方向是隨機分布的，產生的每個磁場在宏觀尺度上相互抵消。但是在磁鐵中，很多電子自旋的方向都大致相同，最終合起來的磁場足以在宏觀尺度上體現出來。

磁單極子是有可能存在的

我們在宇宙中看到的所有磁場，全都是由移動的電荷產生的，所以南磁極與北磁極總是成對出現，無法把它倆隔離開來。如果你拿一塊磁鐵，把它切成兩半，最后得到的則是更小的、磁性更弱的兩塊磁鐵——它們的內部電子仍然在自旋，和以前一樣。

磁鐵的這種特性是眾所周知的。在19世紀，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，成功地把電現象與磁現象統一在一個理論框架下，他還把“沒有單個磁極那樣的東西”這個觀點直接寫進了他的方程組——即著名的麥克斯韋方程組。幾十年來，科學家們從來都沒有質疑過這個觀點。

但是，當我們開始研究奇妙的微觀世界時，我們對量子力學的日益了解，給上面的觀點帶來了一些質疑。量子領域的先驅，英國物理學家保羅·狄拉克在上個世紀30年代首先注意到了這個問題。

狄拉克利用量子力學計算后發現，如果宇宙中存在一種假設的僅帶有北極或南極的單一磁極的基本粒子，即磁單極子，那么宇宙中所有的電荷必須是量子化的。也就是說是，磁單極子如果存在，那么電荷量必為某一特定常數的整數倍。現實中，物理學家們通過實驗早就發現，電荷的確是量子化的，這一特定常數就是基本電荷，是一個質子所帶的電荷，或一個電子所帶的負電荷的量。狄拉克的研究表明，宇宙中有可能存在著磁單極子，但到現在，物理學家還沒有發現任何磁單極子。

磁單極子是當今物理學的前沿課題，許多物理學家仍在不遺余力地去尋找這種神秘的粒子。因為許多前沿的物理理論都包含了磁單極子，如果這種粒子真的存在，那么它肯定會給物理學帶來巨大的影響。

磁現象是狹義相對論創立的關鍵

麥克斯韋發現的電與磁之間的聯系，不僅僅是表面上的聯系。他意識到，電與磁就像是同一枚硬幣的兩面：變化的電場可以產生磁場，反之亦然。而且，光其實就是不斷振蕩的電與磁相互作用時產生的現象。

愛因斯坦是麥克斯韋理論的超級粉絲，而且他還考慮到了麥克斯韋從沒想到過的問題。愛因斯坦意識到，電、磁和運動之間存在著聯系。同樣，先假設一個帶電荷的粒子，孤零零地呆在那里，如果你開始跑過去會發生什么？

從你的角度來看，電荷看起來是在移動。移動的電荷有什么作用？沒錯，它們會產生磁場。所以，不僅電場和磁場是同一枚硬幣的兩面，而且你可以通過簡單的移動來將硬幣的一面轉換為硬幣的另一面。這也意味著，電和磁現象是相對的，不同的觀察者會對他們所看到的現象產生分歧：一些靜止的觀察者可能會看到電場，而一些運動種的觀察者將發現這個電場的所在之處還有著一個磁場。

根據上面的思路，愛因斯坦繼續分析下去，最終在1905年創立了狹義相對論，并以此建立起一種新的時空觀。在這一時空觀下，除了電和磁現象以外，質量、長度和時間都是相對的，其觀量結果取決于物體相對于觀測者的運動狀態。例如，對于一位觀察者來說，飛船運動得越快，觀察者檢測到的船內時間流逝得就越慢，這就是所謂的時間膨脹效應。狹義相對論是現代物理學的基石，它的創立過程是離不開磁現象的。