https://item.jd.com/12006389.html?dist=jd
磁單極子疑難其實並不應該屬於大爆炸宇宙模型的問題，因為從來沒有人觀測到磁單極子，為什麼就要求大爆炸學說來解釋其中的原因呢？聽起來有失公平，也對大爆炸理論寄予了太高的期望。不過人們說，誰叫你要宣佈自己是有關“宇宙起源”的學說呢？既然如此宣稱，你這個模型就應該解釋萬事萬物。
人類最早從天空中的雷鳴閃電而認識了電現象，對磁鐵的認識稍晚一些，但也已經是七八百年之前的事情了。早在1269年，一個法國科學家發現在天然磁石附近，鐵粉會作有規則的排列，形成所謂磁力線。這些假想的“力線”集中會聚於磁石的兩端。人們將此兩點與地球的子午線在兩個地理極點交匯作類比，稱之為“北極”和“南極”。
之後，物理學家進一步發現，磁石的南北極總是同時存在的，你無法將它們分開。當你將一個天然磁鐵“切”開而企圖分成兩部分時，你得到兩個磁鐵，它們分別具有南極和北極。也就是說，你總共會得到4個磁極，卻無法得到一個單獨的磁極（南極或北極），即磁單極子。
圖9-4-1：電偶極子可以分開，磁偶極子不能
在電磁現象的日常經驗中，磁荷只是以偶極子的形態出現的。電也有偶極子效應，比如說，如果將正電荷堆積在絕緣棒的一端，負電荷堆積在另一端，可以形成與磁鐵類似的力線，如圖9-4-1所示。但是，電偶極子可以分開成正和負兩部分，而磁偶極子不行。
後來，科學家奧斯特發現了磁現象和電現象之間的聯繫。法拉第對電和磁做了大量的實驗研究工作之後，經由麥克斯韋天才地用數學公式加以總結歸納，建立起了經典電磁理論的宏偉大廈。然而，麥克斯韋的數學水平雖高，也沒有將他的方程寫成電和磁完全對稱的形式，因為那不符合物質結構的本來面目，這也是物理理論和純數學的區別。
不妨試想一下，如果沒有那些基於實驗事實的安倍定律高斯定律之類的，僅僅讓麥克斯韋單純從某些對稱原理以及基本物理原理出發來構建電磁理論，就像愛因斯坦建立相對論那樣，他應該可以在引進電荷的同時也引進磁荷從而將他的方程組建造成完美無缺的對稱形式。當然，相對論也是物理理論，仍然必須經受實驗及天文觀測的檢驗，愛因斯坦比較幸運，迄今為止廣義相對論仍然被物理主流界接受和承認，也許可以將愛因斯坦的幸運解釋成上帝的確是按照數學美的方式來設計世界的。
無論如何，我們物質世界的結構在電和磁方面本質上就是不對稱的。19世紀末，約瑟夫·湯姆孫發現電子，20世紀初，物理學家們建造了物質結構的分子原子模型，電荷的存在毋庸置疑，磁單極子卻誰也沒見過，因而，麥克斯韋方程最好還是寫成那個不對稱的樣子。
實際上，如果類似於電荷，也引進磁荷的概念，並將電荷和磁荷看成是某種二維“電磁荷”的兩個不同分量，麥克斯韋方程不難推廣成完全對稱的形式。在推廣了的方程中，電荷和磁荷經過對偶變換互相轉換，一個基本粒子可以具有電荷，磁荷，或者兩者皆有。比如說，可以認為電子所具有的不是電荷，而是一個“磁荷”，或者說認為電子有一半電荷一半磁荷，理論照樣成立。但是，還是那個原因，因為單獨磁荷並不存在，這種推廣了的麥克斯韋方程沒有好處，只是畫蛇添足而已。
因此，連狄拉克這種非常要求數學美的科學家也不想將麥克斯韋方程組作一般的推廣，他說，讓經典電磁理論就保持那種形式吧。不過，磁單極子還是需要的，哪怕就只有一個也行，就可以在量子電動力學中解決電荷量子化的問題了。於是，狄拉克將電磁理論作了一個最簡單的推廣：考慮只包括一個“假想”磁單極子的情況，即一個位於座標原點的點磁荷，見圖9-4-2。
圖9-4-2：狄拉克磁單極子
電荷量子化的問題，指的是為什麼我們觀察到的粒子的帶電量總是電子帶電量的整數倍？狄拉克用他的磁單極子解釋了這點。狄拉克的磁單極由磁荷qm產生，是一條細長的螺線管（狄拉克弦）的一端。它在距原點r處產生的磁感應強度B正比於qm / r
2向外呈輻射狀，如圖9-4-2。因為B的散度幾乎在任何地點都為0，除了原點，也就是點磁荷所在之處，所以我們可以局域地定義磁矢勢A，使磁矢勢A的旋度等於磁感應B。考慮一個繞著螺線管旋轉的電荷qe，其經典總角動量正比於qeqm，與兩個粒子之間的距離無關。將此應用於量子力學，總角動量被量子化，只能等於ħ的整數倍。因此，我們可由角動量的量子化證明電荷和磁荷的量子化。
另外一種方法是直接從量子力學的角度來理解：繞狄拉克弦轉圈的電荷的波函數y=exp(iφ)中的相位φ正比於qeqm，即y=exp(iqeqm) 。因為電子在繞行一圈後總是回到同一點，其波函數的相位φ應該是2π的整數倍，即qeqm=n×2π，如此也能解釋電荷的量子化問題。
以上介紹的狄拉克磁單極子實際上是麥克斯韋方程的一個奇異解。所謂狄拉克弦，則是從磁荷引出的，攜帶磁通量延伸到無限遠的一條數學上的半直線。因為狄拉克的磁單極子連著這一根長長的“弦”，使人感覺不怎麼舒服，不太像一個真實存在的基本粒子，更像一個數學模型。但是無論如何，它可以幫助解釋電荷為什麼總是某個基本電荷的整數倍這個經驗事實。狄拉克十分欣賞他的這個傑作，也堅定地相信磁單極子在自然界應該存在，他甚至說：“如果大自然沒有用這個招數的話，那才叫奇怪呢。”
在粒子物理的標準模型中，電磁場是被U(1)群描述的規範場，電荷的量子化與U(1)規範群的緊緻性相聯繫。從群論的角度再進一步，電磁作用和弱作用一起被統一在SU(2)XU(1) 規範群中。1968年，吳大峻和楊振寧證明了，只有在非阿貝爾群的自發破缺規範理論中，磁單極子才有可能作為方程的正規解而出現，兩位學者繼而構造成功了沒有奇異性的吳-楊磁單極子。
物理學家試圖用自發對稱破缺的規範理論將強相互作用與電弱作用統一在一起，稱之為大統一理論（GUT）。這個理論當然也需要電荷量子化，因此，狄拉克的“高招”加上吳-楊的推廣也被搬到了GUT中，並且，相應的對應物：t` Hooft-Polyakov磁單極子，已經從狄拉克磁單極子改頭換面，面目全非，它不再是塞進理論中的數學模型，而是從理論導出的，對稱破缺時的必然結果，它們不但被要求用以解釋電荷量子化的問題，還是一個應該能夠被實驗驗證的東西（圖9-4-3）。
圖9-4-3：大統一理論（GUT）中的磁單極子
困難在於大統一理論中的磁單極子質量太大了（1016GeV），這是現有的加速器無法達到的數量級。
根據大統一理論和宇宙學，在宇宙早期，四種基本作用力是一致的，隨著宇宙膨脹溫度下降，重力首先分支出去。然後，電磁和強弱三種力一致，直到在希格斯場的作用下發生對稱性破缺，這時必然會存在磁單極子的解。因此，理論預言宇宙中應該存在大量的磁單極子。但實際上我們在實驗室及宇宙中中幾乎從來沒有找到過任何磁單極子。
這兒用“幾乎”這個詞彙，是因為曾經有過幾次宣稱“發現磁單極子”的分散報告，但之後不能重複和反覆證實。此外，凝聚態物理中觀察到（更準確的說法，是被製造出來）的類似於磁單極子的東西，並不是物理學家們期望的那種基本粒子，而只能算是某種非孤立的、具有磁單極特徵的“準粒子”而已。
那麼，大統一理論認為應該在宇宙早期產生的磁單極子到哪裡去了？為什麼不能探測到它們？如何從宇宙的大爆炸模型解釋這個現象？這便是所謂的“磁單極子疑難”。
（摘自《永恆的誘惑：宇宙之謎》，作者：張天蓉）
閱讀更多 原點閱讀 的文章
