關于磁單極子的探索

陸海燕

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

1 磁單極子的提出

電磁學中電和磁表現出極大的相似性，如同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，同樣的同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引．但是，自然界中電荷可以以正負兩種電荷的形式單獨存在，而磁性粒子卻總是以偶極子的形式成對出現．正如一塊磁鐵，無論怎么分割，新的磁鐵總和原來的磁鐵一樣同時擁有南極和北極，即使分割到原子水平也無法出現單獨的磁極．

電和磁的這些差異也充分體現在麥克斯韋方程組中

(1)

(2)

(3)

(4)

其中D是電位移矢量，E是電場強度，B是磁感應強度，H是磁場強度，ρe是電荷密度，je是電流密度．從式(1)～(4)可以看出電和磁雖然相互聯系了起來，但兩者卻是不對稱的．雖然有電荷和電流的存在，卻沒有相應的磁荷和磁流．

1931年5月，英國物理學家狄拉克根據電和磁的對稱性提出了磁單極子的假設．他把量子力學與電磁理論結合起來進行研究時發現，在微觀領域允許磁單極子的存在，即自然界存在只有磁南極或磁北極的粒子．他認為兩個磁單極子之間有一條一維曲線連接，這條曲線被稱為“狄拉克弦”． 狄拉克通過計算推導出，磁單極子的磁荷g與電荷e之間的量子化條件為

(5)

g·e=n·(?c)

(6)

這個式子很好地解釋了電荷的量子化．并且磁單極子概念的引入，使麥克斯韋方程組更加的對稱，可以寫成

(7)

(8)

(9)

(10)

其中ρm為磁荷密度，jm為磁流密度．

2 磁單極子的單位及性質

2.1 單位[1]

電動力學中描述電磁場的物理量電場強度E，磁感強度B，電位移D和磁場強度H都是由電荷所受的力直接或間接定義的．在這種情況下，可以根據電磁場中所受的力來定義磁荷的單位．有兩種定義方式：

(1)用磁場強度H定義

真空中，磁荷為g的靜止磁單極子，在磁場強度為H處所受的力為

F=gH

(11)

其中，磁場強度H的單位為安培/米，簡稱安/米，用符號A·m-1表示，F的單位為N，根據這個定義，磁荷g的單位為V·s，即伏特·秒．

(2)用磁感強度B定義

真空中，磁荷為g的靜止磁單極子，在磁感應強度為B處所受的力為

F=gB

(12)

其中，磁感應強度B的單位是特斯拉，用T表示，

1 T=1 N/A·m，F的單位為N，跟據這個定義，磁荷g的單位為A·m，即安培·米．

文獻[1]指出，從電和磁對稱性的角度考慮，在目前的電動力學框架里，用磁場強度定義磁單極子的強度單位比較合適．

2.2 性質

自磁單極子提出以來，對磁單極子進行了大量的理論研究，提出了磁單極子的一些特性，這些特性為磁單極子的探尋提供了有意義的幫助．磁單極子的部分特性如下[2]：

(1)靜止的磁荷產生靜磁場，運動的磁荷產生磁流和電場．這和電荷的情況很相似．

(2)磁單極子作用是一種高能量現象，遠大于電荷間的相互作用能．所以磁單極子對的產生和湮沒是一種高能現象．因此理論上可以用高能加速器實驗尋找磁單極子．但目前未能在高能加速器中觀測到磁單極子，原因可能是能量尚不夠高．

(3)在磁場中受到的力很強．

(4)運動的磁單極子在物質中產生的電離效應遠高于同樣速度的帶電粒子．在尋找磁單極子的實驗中，可以通過磁單極子強電離效應產生的特征徑跡與普通帶電粒子的電離徑跡相區別．

(5)會受到順磁物質和鐵磁物質的吸引，受到抗磁物質的排斥．所以順磁性和鐵磁性礦物可以捕獲和長期存儲磁單極子．因此在地球上的古巖石、隕石以及其他天體巖石中有可能探測到磁單極子．

3 磁單極子的實驗探索

3.1 兩次著名的實驗

磁單極子提出以后，科學家們不僅在理論上對磁單極子進行大量探索，還在實驗上不斷尋找磁單極子存在的證據．20世紀八九十年代，發生了兩次著名的聲稱觀測到磁單極子的事件．

1975年，美國加州大學普里斯(Price)等人用氣球將探測系統升到高空，記錄各種宇宙粒子的軌跡．經過幾天以后，對探測出的各種軌跡進行分析，發現一條電離性很強的軌跡．科學家認為這條軌跡是磁單極子留下的．不久就有科學家質疑這項結果，認為這條軌跡同樣可能是某種重核原子衰變得到的．因此這次探測結果沒有得到物理學界的普遍認可．

1982年，美國斯坦福大學卡布雷拉(Cabrera)等人利用靈敏的磁強計在地面實驗室中觀測自然界的磁單極子．2月14日，經過長達5個月嚴格而周密的觀察，該科研小組觀測到一次磁通量的突然變化，經計算正好和磁單極子穿過線圈的磁通改變量相符合．為了進一步證實實驗結果，該科研小組不斷改進實驗設備和方法．遺憾的是，未能重復觀測到磁單極子．但是，關于磁單極子的理論和實驗的探索仍然在繼續[3]．

3.2 新的探索

在大量搜尋未果的情況下，物理學家的注意力開始轉向凝聚態物理．凝聚態物理學家在《自然》、《科學》等重要刊物上相繼發表了在凝聚態物質中獲得磁單極子存在的證據．

2008年1月，美國普林斯頓大學的物理學家希瓦吉·頌提(Shivaji Sondhi)在《自然》雜志上指出，在單晶Dy2Ti2O7里可能含有磁單極子．組成單晶Dy2Ti2O7磁性離子的排列方式與冰中氫離子的排列方式相似，所以又名自旋冰．自旋冰的晶體結構由一個個四面體頂點相連，每個頂點上有一個磁性離子[4]．這些磁性離子的排列遵循“冰法則”如圖1，即在絕對零度附近，每個四面體中，離子的自旋有兩個指向四面體中心，兩個反向向外．如果其中離子的自旋被翻轉，冰規則就被破壞，每個翻轉的自旋像多米諾骨牌效應一樣，首尾相連就形成一個自旋鏈．在自旋鏈的末端就會出現一個磁單極子．

圖1 自旋冰的晶體結構

2009年9月，德國亥姆霍茲材料與能源中心的喬納森·莫里斯(Jonathan Morris)和他的同事在《科學》雜志上報告，在自旋冰晶體中觀察到了類似磁單極子的“準粒子”．[5]莫里斯等對一種鈦酸鏑單晶體進行中子散射實驗，觀測到了偶極子首尾相連形成一根根扭曲的細管，這些細管被形象地描述為“自旋意大利面條”．正如狄拉克曾經預言過的一樣，有一條一維曲線連接兩個磁單極子，因此這些細管也被稱為“狄拉克弦”．但是預言中的一維曲線不能像這些細管一樣被觀察到，“自旋意大利面條”并不是真正的“狄拉克弦”．因此莫里斯等人觀察到的也并非是真正的磁單極子，只是類似磁單極子的準粒子．真正的磁單極子是否存在，科學家什么時候才能找到真正的磁單極子，仍然是個未解之謎．

4 研究磁單極子的意義

磁單極子的引入解釋了電荷的量子化，也使麥克斯韋方程組更加對稱，與電磁學的很多方面相關．另外微觀世界的基本粒子結構理論和宇觀世界的宇宙演化理論都與磁單極子有密切的聯系．磁單極子的存在已經成為解決一系列重大物理問題的必然要求．盡管至今未能在實驗和自然界中找到磁單極子的身影，但科學家們仍然不遺余力地在理論和實踐中探尋磁單極子的存在．

參考文獻

1 張之翔，王書仁.磁單極強度的單位與電磁對稱性.大學物理，1988(11)：5～7

2 李國棟.磁單極子理論和實驗的發展.自然辯證法通訊，1983(02)：29～37

3 李國棟.磁的世界.長沙：湖南教育出版社，1994

4 張靜，劉彩霞，徐元英，楊艷芳.磁單極子的魅影.現代物理知識，2010(04)：35～37

5 D.J.P.Morris,D.A.Tennant,S.A.Grigera,et al.Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7.Science 326,2009:411～414

Abstract：Since the concept of magnetic monopoles was presented by Dirac, scientists have been trying to find it. Researches in theory were conducted deeply, but scientists still can't find the evidence of their existence in the experiment. This paper introduced the presentation, unit and nature of magnetic monopoles from the perspective of symmetry of Maxwell's equations and charge quantization. And introduced the exploration of magnetic monopoles in experiments. Scientists had observed quasi-particle of magnetic monopoles in the spin ice after the two famous experiments in history.

Keywords：magnetic monopoles;spin ice;Dirac strings