磁單極子：物理學家還在找找找

蘇凱米

所有已知的磁體都有一對“南極”和“北極”，而且，無論把磁體分割得多小、多碎，新得到的每一段小磁體仍然會有兩個成對的磁極。那么，自然界中是否存在著只有“南極”或者只有“北極”的磁體，就像單獨存在著的正電荷和負電荷一樣？

20世紀30年代，英國物理學家保羅·狄拉克在一篇論文中首次提出了這種可能性。他預言，自然界存在一種只帶單一磁極的粒子，叫做磁單極子。

狄拉克最初的目標并不是為了創立一個磁單極子的理論，而是為了解釋電荷量子化，即，為什么我們觀察到的粒子的帶電量總是電子帶電量的整數倍。由于磁單極子的磁量和基本電量之間存在固定的換算關系，所以磁單極子概念的引入非常重要。

狄拉克之后，物理學家在許多前沿理論中也需要使用到磁單極子的概念，比如大統一理論預言，宇宙存在大量的磁單極子，其質量是質子的10的16次方倍；弦理論也可以證明超重磁單極子的存在，并指出超重磁單極子是在宇宙演化極早期的超高溫度中產生的；甚至，暗物質的研究也需要用到磁單極子。所以，磁單極子概念的引入很受歡迎，物理學家主觀上非常希望它是真實存在的。

于是，近百年來，物理學家孜孜不倦地尋找磁單極子，比如在月面物質樣本中尋找；在宇宙塵埃中尋找；或者在實驗室中通過粒子加速器尋找。有幾次，物理學家確實公布了一些受人矚目的消息。

比如，1982年的情人節，斯坦福大學的布拉斯·卡布雷拉記錄到了一個“磁單極子通過超導線圈”的信號，引起了轟動。然而，這種信號再也沒出現過，卡布雷拉的發現也就成了一件懸案，也許那只是一次機器故障。

2009年，普林斯頓大學的希瓦吉·宋迪宣布，自己的團隊在“自旋冰”晶體中觀測到了類似磁單極子的物質，又引起了轟動，但后來證明，這次發現的物質與狄拉克預言的磁單極子不是一回事。

2014年，美國艾姆赫斯特學院的戴維·霍爾表示，自己的團隊在人造磁場中，獲得了“磁單極子的真實空間圖像”，提供了證明狄拉克磁單極子存在的證據。這再次引起轟動，但沒有實驗可以重復他們的結果，所以無法證明戴維·霍爾的研究結果是否正確。

所以，物理學家的理論和實驗雖然進行得熱熱鬧鬧，但其實仍然沒有見過磁單極子的“廬山真面目”。不過，物理學家并沒有放棄尋找磁單極子的夢想，最近，他們又宣布了關于尋找磁單極子的最新進展。

2017年12月15日，倫敦帝國理工學院的物理學家發表了自己的研究，他們設想，磁單極子可能存在于磁場異常強大以及溫度非常高的地方。這種極端環境可以在一種被稱為“磁星”的特殊中子星找到，也可以在大型強子對撞機中利用重原子核碰撞來實現。通過研究這兩種情景，物理學家對磁單極子的質量提出了限制，即，磁單極子的質量必須大于質子的3分之1，且自身質量的大小與自身攜帶磁量的多少有關。

12月29日，歐洲核子研究中心也發表了最新的研究成果，物理學家宣布，盡管他們收集了比以往多6倍的實驗數據進行分析，但仍未發現磁單極子，不過，他們也不是一無所獲，研究使他們明確了一點——磁單極子不是惰性物質，它非常容易與其他物質發生相互作用。

那么，“磁單極子”是否存在？目前，物理學家依舊無法回答，他們還要繼續尋找，做更多的實驗才能解答這個問題。