探索電磁關(guān)系中的盲點(diǎn)

摘 要：電與磁的研究一直是緊密相連的，麥克斯韋方程組的提出更是確立了電磁的統(tǒng)一，然而由于自然界中磁荷（磁單極子）的存在始終未被證實(shí)，這使麥克斯韋方程組缺失了對(duì)稱(chēng)性的重要一角。本文從回顧電場(chǎng)與磁場(chǎng)的成因出發(fā)，并由電磁對(duì)稱(chēng)角度分析磁荷存在的合理性，在假定磁荷存在下對(duì)電磁理論的補(bǔ)充，總結(jié)目前磁荷的研究歷程。

關(guān)鍵詞：麥克斯韋方程組;磁荷;狄拉克假說(shuō);大統(tǒng)一理論

Abstract：The study of electricity and magnetism has always been closely linked.The Maxwell 's equations have established the unity of electromagnetic.However，the existence of magnetic charges（magnetic monopoles）in nature has not been confirmed，which makes the Maxwell 's equations lack an important corner of symmetry.Starting from reviewing the causes of electric and magnetic fields，this paper analyzes the rationality of the existence of magnetic charges from the perspective of electromagnetic symmetry，supplements the electromagnetic theory under the assumption of the existence of magnetic charges，and summarizes the current research process of magnetic charges.

Keywords：Maxwell 's equations;magnetic charge;Dirac hypothesis

1 緒論

電荷的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)得到深入，對(duì)電的使用也變得不再遙遠(yuǎn)。然而在電磁對(duì)稱(chēng)性中經(jīng)常被提及的磁荷，卻仍然基本只存在于理論之中，這對(duì)電磁領(lǐng)域的完善存在著一大盲點(diǎn)。磁荷，又稱(chēng)磁單極子，是指單獨(dú)具有一個(gè)N極或者S極的磁性物質(zhì)，這與我們所熟知的磁偶性所不同，由于目前并未有技術(shù)可以分離出N極與S極，所有磁單極子問(wèn)題仍十分困擾物理學(xué)家與天文學(xué)家。

雖然關(guān)于磁單極子問(wèn)題的研究仍未能取得突破性的發(fā)展，不過(guò)在物理學(xué)大統(tǒng)一理論和對(duì)早期宇宙的深入研究中，都指出了磁單極子是存在的。但因?yàn)閷?duì)磁單極子的研究要求嚴(yán)苛，在理論上還無(wú)法直接利用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)量磁單極子，因此物理學(xué)大統(tǒng)一理論和天體物理宇宙發(fā)展學(xué)說(shuō)都僅限于提供一定的理論解釋。文章中我們將總結(jié)磁與電的發(fā)展及建立過(guò)程，并從電磁場(chǎng)技術(shù)研究的對(duì)稱(chēng)性中提煉出對(duì)磁荷的一些推測(cè)，并總結(jié)了史上物理學(xué)家們對(duì)磁荷技術(shù)研究的突破性歷程。

2 電場(chǎng)與磁場(chǎng)的探尋發(fā)展

庫(kù)倫在他的扭秤試驗(yàn)中提出了靜電作用規(guī)律，并基于此現(xiàn)象而對(duì)庫(kù)倫力的概念提出解釋?zhuān)藙?chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了電磁理論研究大門(mén)，人類(lèi)也由此對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行了定量研究。

物理學(xué)家?jiàn)W斯特在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，將磁針?lè)胖迷谝粋€(gè)導(dǎo)線(xiàn)附近且作南北指向，在導(dǎo)線(xiàn)通電的同時(shí)受地磁場(chǎng)作用，磁針?lè)较驎?huì)發(fā)生變化。若導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)反向電流時(shí)，磁針則相對(duì)會(huì)向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

在此次現(xiàn)象中，人們首次實(shí)質(zhì)感受到電與磁間的直接影響。這一新發(fā)現(xiàn)使當(dāng)時(shí)許多研究者對(duì)“電磁”產(chǎn)生了濃厚的興趣，并提出一個(gè)反向思考的問(wèn)題：既然電流對(duì)磁性物質(zhì)有力的作用，那磁性物質(zhì)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)中電流也能同樣有此效果嗎？這個(gè)問(wèn)題通過(guò)另一實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證：在馬蹄形磁鐵二極間放置一個(gè)水平直導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)通電后發(fā)生了移動(dòng)，說(shuō)明磁也能對(duì)電流有同樣的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果使人們相信電與磁是具有相同屬性的。

受奧斯特實(shí)驗(yàn)所吸引的物理學(xué)家安培，他也大量模擬了類(lèi)似的試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)電流間的相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。聯(lián)想到磁性介質(zhì)本身也具有相互關(guān)聯(lián)性，他大膽猜測(cè)磁的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)電荷，由此說(shuō)明地磁的成因和物質(zhì)的磁性。同時(shí)他又提出了相應(yīng)的安培分子電流假說(shuō)為這一論點(diǎn)解釋?zhuān)摷僬f(shuō)指出：磁性物質(zhì)的原子內(nèi)部有一個(gè)環(huán)形電流，又名分子電流，而磁原子周?chē)拇欧肿颖闶怯善渌a(chǎn)生的，它的兩側(cè)可等效看為兩個(gè)地球磁極。常態(tài)時(shí)，這些分子電流的取向是雜亂無(wú)序的，而之所以不顯磁性是由于分子電流所產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以相互抵消。但當(dāng)處于磁場(chǎng)中時(shí)，受其影響使各分子電流有序同向排列，此時(shí)相鄰間分子電流的磁效應(yīng)作用仍可抵消，而表面保留對(duì)外顯宏觀磁性。這顯然說(shuō)明了電與磁不再是平等關(guān)系，磁被認(rèn)作是特殊的電，而將磁的研究歸為了電研究的子部分，打破了電磁的對(duì)稱(chēng)性。

1831年，科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中他發(fā)現(xiàn)了當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)可以產(chǎn)生電流，通過(guò)分析，他提出并引入場(chǎng)的概念，場(chǎng)作為一種看不見(jiàn)摸不著卻實(shí)際存在的物質(zhì)。這一概念使人們對(duì)電與磁這類(lèi)虛無(wú)縹緲的物質(zhì)有了更直觀的認(rèn)識(shí)。

繼法拉第總結(jié)出磁對(duì)電產(chǎn)生的關(guān)系后，麥克斯韋通過(guò)猜想與嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)提出了變化電場(chǎng)也能激發(fā)磁場(chǎng)的觀點(diǎn)，而該結(jié)論的正確性也在后來(lái)被德國(guó)物理學(xué)家赫茲所證實(shí)。這樣我們認(rèn)為變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)間形成了同生互變的關(guān)系。依托這些理論，我們可獲知電場(chǎng)與磁場(chǎng)有如下關(guān)系：靜止的點(diǎn)電荷在空間中能激發(fā)靜電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的電荷按一定方向移動(dòng)可以生成恒定電場(chǎng)，而在恒定電場(chǎng)中產(chǎn)生的恒定電流是恒定磁場(chǎng)的源。反觀變化磁場(chǎng)與變化電場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，使我們對(duì)靜電場(chǎng)與靜磁場(chǎng)中所缺失的對(duì)稱(chēng)美感到遺憾。盡管存在部分科學(xué)家否認(rèn)磁性是相較于電性獨(dú)立存在的，其中代表的安培分子電流假說(shuō)便將磁的本質(zhì)解釋為電，而事實(shí)上通過(guò)深入研究，該理論也是有疑問(wèn)存在的。

那么磁與電之間的相互轉(zhuǎn)換是否能說(shuō)明它們之間是存在對(duì)稱(chēng)的，由于物理學(xué)是個(gè)強(qiáng)調(diào)對(duì)稱(chēng)美學(xué)的學(xué)科，因此數(shù)百年來(lái)對(duì)于是否存在能夠自主產(chǎn)生磁性的微元粒子的物質(zhì)，仍在懷疑中被眾多科學(xué)家們不斷探索。

3 電磁對(duì)稱(chēng)性引發(fā)的猜想

我們先從經(jīng)典電磁理論中分析，作為描述宏觀電磁現(xiàn)象的核心——麥克斯韋方程組。其微分形式[3]如下：

從式子（4）中，說(shuō)明了電荷是產(chǎn)生電場(chǎng)的本質(zhì)，式子（1）說(shuō)明了磁場(chǎng)是由電荷形成電流后激發(fā)的，而式子（2）闡述了變化的磁場(chǎng)也可以成為電場(chǎng)的源。這樣從對(duì)稱(chēng)美學(xué)上我們發(fā)現(xiàn)似乎缺少一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，那就是是否存在自發(fā)產(chǎn)生磁場(chǎng)的微元粒子。

在此，我們假設(shè)自然界中存在一種能激發(fā)磁場(chǎng)的粒子——磁荷（磁單極子），類(lèi)比電荷的原理，我們相應(yīng)擴(kuò)充磁荷產(chǎn)生的相關(guān)性質(zhì)。引入磁荷后對(duì)電磁理論的關(guān)系變化如下圖。

引入磁荷（磁單極子）后，我們根據(jù)麥克斯韋對(duì)電磁場(chǎng)的總結(jié)，進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性猜想擴(kuò)充。當(dāng)自然界中存在磁荷時(shí)，由于電荷在其周?chē)梢约ぐl(fā)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，則磁荷也能在其周?chē)a(chǎn)生靜磁場(chǎng)，注意在此我們假設(shè)的靜磁場(chǎng)并非傳統(tǒng)概念恒定磁場(chǎng)的別稱(chēng)，我們?cè)诖藢⑵渥鳛橐粋€(gè)新概念提出。

對(duì)比靜電場(chǎng)的有散無(wú)旋性，恒定磁場(chǎng)的有旋無(wú)散性，二者具有互補(bǔ)的特性。為此，我們猜想恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)也具有互補(bǔ)特性，由于恒定電場(chǎng)是無(wú)散無(wú)旋的，所以我們假設(shè)靜磁場(chǎng)應(yīng)該是有旋有散的，根據(jù)此特性可以相應(yīng)猜想靜磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)應(yīng)當(dāng)為螺旋延伸的。

電流是由于電荷作定向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，那么如果存在磁流，我們由其磁力線(xiàn)推測(cè)磁荷沿著螺旋式移動(dòng)可形成磁流，同樣恒定磁流可以激發(fā)出恒定電場(chǎng)，而恒定磁場(chǎng)可以產(chǎn)生這種磁流，我們猜想可能由于磁流螺旋度較大，能量分布十分離散，因此難以產(chǎn)生宏觀影響。這樣電流與磁流的對(duì)稱(chēng)性也不言而喻了。

由于麥克斯韋所建立的經(jīng)典電磁理論中說(shuō)明變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)間可以相互轉(zhuǎn)化，所有我們認(rèn)為變化的電場(chǎng)靜止后會(huì)形成靜電場(chǎng)，同理變化的磁場(chǎng)靜止后會(huì)形成靜磁場(chǎng)。至此，引入磁荷可以有效地彌補(bǔ)對(duì)電磁對(duì)稱(chēng)性的缺陷，同時(shí)也能清晰地辨明了電與磁的對(duì)立性。

回到對(duì)經(jīng)典電磁理論的核心，麥克斯韋方程組的研究，當(dāng)磁荷存在時(shí)，我們經(jīng)推導(dǎo)可以對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行修改，以下是其磁荷存在時(shí)麥克斯韋方程組的微分形式[4]如下：

反之，當(dāng)我們令其中的參數(shù)Jm和ρm等于0時(shí)，可以推導(dǎo)出無(wú)磁荷（磁單極子）存在時(shí)的麥克斯韋方程組。因此，磁荷的引入并不違反麥克斯韋方程組的正確性，只是完善麥克斯韋方程組的對(duì)稱(chēng)性。

4 磁單極子的探尋

經(jīng)過(guò)分析可知磁荷（磁單極子）的存在將使整個(gè)電磁學(xué)完美化，更加嚴(yán)密化，因此對(duì)其研究十分必要。對(duì)于磁單極子的研究，已有近百年之久。

1931年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克[5]首先從理論上用極精美的數(shù)學(xué)物理公式預(yù)言磁單極子是可以獨(dú)立存在的。他認(rèn)為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應(yīng)有基本磁荷——磁單極子存在，電磁現(xiàn)象的完全對(duì)稱(chēng)性就可以得到論證。因此，他根據(jù)電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來(lái)。狄拉克從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)的相位不確定性出發(fā)，證明了電荷的量子化存在下，必有磁單極子的存在。

20世紀(jì)70年代后期建立起來(lái)的物理大統(tǒng)一理論（萬(wàn)物之理）[4]中也再一次強(qiáng)調(diào)磁單極子的存在。

在GTU中認(rèn)為磁荷是孤波（局域能量包），而不同于普通的基本粒子，通過(guò)粒子標(biāo)準(zhǔn)模式去估算在宇宙大爆炸中形成的磁單極子的數(shù)量，得出的初步結(jié)論和對(duì)宇宙的觀測(cè)結(jié)論相互對(duì)立——經(jīng)驗(yàn)算表明磁單極子的數(shù)量非常龐大，它甚至能夠抑制星體的擴(kuò)張，但是實(shí)際上可見(jiàn)的數(shù)量卻很少。宇宙暴漲學(xué)說(shuō)的提出，已經(jīng)做出了合理的說(shuō)明，假設(shè)宇宙中只在暴漲時(shí)期之前擁有足夠溫度產(chǎn)生這些粒子的話(huà)，那么暴漲就會(huì)將它們的密度減至非常低，而暴漲理論則解釋了宇宙的急劇擴(kuò)張會(huì)使得磁荷在空氣中的密度驟然減少，并減小至用目前儀器所無(wú)法檢測(cè)到的數(shù)量級(jí)[5]。而且根據(jù)該學(xué)說(shuō)，當(dāng)磁荷產(chǎn)生以后，如果出現(xiàn)了一個(gè)暴漲期，那么相應(yīng)的這一問(wèn)題也將能夠被破解。由此，磁荷（磁單極子）的存在研究就在天文學(xué)中產(chǎn)生了一股“熱潮”。

盡管科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上尋找磁荷時(shí)總是未能如愿，但在對(duì)于磁單極子的猜想與證明上的科學(xué)結(jié)論總是層出不窮，而且伴隨著對(duì)磁單粒子的追尋，意想不到的對(duì)其他領(lǐng)域的科學(xué)突破也有所幫助。究竟是否存在磁單極子，還需等待歷史的驗(yàn)證。

結(jié)論

磁荷（磁單極子）的發(fā)現(xiàn)毋庸置疑，將會(huì)在物理學(xué)中成為一顆新星。它將不僅證明物理學(xué)嚴(yán)密的對(duì)稱(chēng)互補(bǔ)思想，它的性質(zhì)與存在方式將帶領(lǐng)我們發(fā)掘新的領(lǐng)域，這也是它在電磁領(lǐng)域的獨(dú)有特色。考慮到電磁領(lǐng)域的重要性，我們猜想磁荷（磁單極子）的存在或許具有很高的實(shí)用價(jià)值[7]。

盡管磁荷（磁單極子）的存在性仍是一個(gè)謎團(tuán)，但對(duì)其的探索并不會(huì)終止，或許不久的將來(lái)我們有幸會(huì)使用到磁荷研發(fā)出的實(shí)用產(chǎn)品。

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作者簡(jiǎn)介：方開(kāi)耀（2000— ），男，漢族，安徽省歙縣人，本科，研究方向：電子信息工程。