找不到的物質(zhì)——磁單極子

任何一塊磁體，總是存在磁南極和磁北極，世界上還沒有發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)單獨(dú)的磁南極或單獨(dú)的磁北極的磁體。但是，1931年物理學(xué)家狄拉克在一篇文摘中明確指出：在自然界中有磁單極子存在。70多年過去了，大多數(shù)物理學(xué)家對此持懷疑態(tài)度，道理很簡單，因?yàn)橐恢睕]有發(fā)現(xiàn)它存在的跡象。但是，還是有不少物理學(xué)家在尋找磁單極子。

前蘇聯(lián)物理學(xué)家波拉科夫和芬蘭物理學(xué)家特·胡夫特從理論上對磁單極子進(jìn)行研究，認(rèn)為磁單極子的質(zhì)量超過質(zhì)子質(zhì)量的5000倍。而在現(xiàn)今的大統(tǒng)一理論中，認(rèn)為磁單極子的質(zhì)量約是質(zhì)子質(zhì)量的1016倍。物理學(xué)家濟(jì)爾多維克和克羅波夫指出：在宇宙大爆炸的一瞬間，產(chǎn)生了能量極高的磁單極子。因?yàn)榇蟊ㄖ鬁囟群芸煜陆担@樣磁性相反的磁單極子就極容易發(fā)生湮滅，使得宇宙中的磁單極子幸存寥寥無幾。他們還指出，在大爆炸后的1%秒，宇宙中的磁單極子的密度為4×1013立方米空間中只有一個(gè)。盡管這個(gè)密度很小很小，但還是有磁單極子的存在。

根據(jù)磁單極子理論，物理學(xué)家認(rèn)為它應(yīng)有如下性質(zhì)：首先是具有極強(qiáng)的電離能力，在較高速度下，磁單極子的電離能力是電子的18000倍，在低速條件下，電離能力更大。第二，它在磁場中能被加速。第三，它能被反磁質(zhì)排斥，被順磁質(zhì)吸收。第四，它可以和順磁性的原子或分子結(jié)合成束系統(tǒng)，結(jié)合能的大小和化學(xué)結(jié)合能相當(dāng)。第五，它的質(zhì)量很大，比質(zhì)子的質(zhì)量還要大。

隨著磁單極子的提出，科學(xué)界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。

科學(xué)家首先把尋找的重點(diǎn)放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上，因?yàn)樗麄冇X得這些物體中，會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結(jié)果卻令他們大失所望：無論是在“土生土長”的地球物質(zhì)中，還是那些屬于“不速之客”的地球之外的天體物質(zhì)中，均未發(fā)現(xiàn)磁單極子！

高能加速器是科學(xué)家實(shí)現(xiàn)尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段。科學(xué)家利用高能加速器加速核子(例如質(zhì)子)，以之沖擊原子核，希望這樣能夠使理論中的緊密結(jié)合的正負(fù)磁單極子分離，以求找到磁單極子。美國的科學(xué)家利用同步回旋加速器，多次用高能質(zhì)子與輕原子核碰撞，但是也沒有發(fā)現(xiàn)有磁單極子產(chǎn)生的跡象。這樣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了很多次，得到的都是否定的結(jié)果。

古老巖石探測和加速器實(shí)驗(yàn)所遭到的挫折，并沒有使科學(xué)家們氣餒，反而更加激發(fā)了他們的斗志，并促使他們廣開思路，想到了這也許是因?yàn)榧铀倨鞯哪芰坎粔虼蟮木壒省Ｋ麄円环矫嬖噲D研制出功能更加強(qiáng)大的加速器，一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線，試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據(jù)有兩方面：——種是宇宙射線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產(chǎn)生磁單極子。他們曾經(jīng)把希望寄托在一套高效能的裝置上，因?yàn)檫@種裝置可以捕捉并記錄到非常微小、速度非常快的電磁現(xiàn)象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙線中的磁單極子吸附上，遺憾的是這套裝置也未能使他們?nèi)缭敢詢敚瑵M腔希望的他們又遭受了一次失望的打擊。

但是，科學(xué)家們并不因此氣餒和放棄，他們?nèi)栽诓粩嗟貙ふ抑鴻C(jī)會。人類登月飛行的實(shí)現(xiàn)，又重新在科學(xué)家心目中燃起了熊熊的希望之火，讓科學(xué)家把目光投向那寂靜荒涼的地方，因?yàn)樵虑蛏霞葲]有大氣，磁場又極微弱，應(yīng)該是尋找磁單極子的好場所。科學(xué)家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運(yùn)回的月巖進(jìn)行了檢測，而且使用了極靈敏的儀器。但出人意料的是，竟沒有測出任何磁單極子。

在對磁單極子進(jìn)行尋找的過程中，人們“收獲”到的總是一次又一次的失望。在一次又一次沉重的失敗中，人們又不時(shí)地看到希望的曙光。

有一些物理學(xué)家認(rèn)為，磁單極子對周圍物質(zhì)有很強(qiáng)的吸引力，所以它們在感光底板上會留下又粗又黑的痕跡。根據(jù)這一特點(diǎn)，美國的一個(gè)科研小組把一個(gè)裝有聚碳酸脂固體探測器和乳膠的多層片疊在一起，用氣球放到離地球表面40公里的高空飄浮62小時(shí)后收回。他們在乳膠中找到一根有著強(qiáng)電離的蹤跡，而且在整條蹤跡上，電離沒有發(fā)生什么變化。這正是磁單極子第一個(gè)物質(zhì)決定的。這個(gè)小組認(rèn)為是磁單極子留下的痕跡。但是，另有一些科學(xué)家則認(rèn)為此解釋不那么確定。因?yàn)楹苤氐脑雍嘶蛘吆苤氐姆戳Ｗ右部梢粤粝逻@樣的痕跡，憑什么說這是磁單極子所為？

最近，一組由中國、瑞士、日本等多國的科學(xué)家組成的研究小組報(bào)告說，他們發(fā)現(xiàn)了磁單極子存在的間接證據(jù)，他們在一種被稱為鐵磁晶體的物質(zhì)中觀察到反常霍爾效應(yīng)，并且認(rèn)為只有假設(shè)存在磁單極子才能解釋這種現(xiàn)象。

雖然這些“發(fā)現(xiàn)”最終都沒有得到很確鑿的認(rèn)證，但還是給科學(xué)家們增添了很大的信心。看來，尋找磁單極子已成為21世紀(jì)物理學(xué)家的重大課題了。

【責(zé)任編輯】蒲暉