不存在还是早已飞离银河系?磁单极子,你在哪里?

19世纪,著名物理学家麦克斯韦发现,光、电和磁三个外表看似风水马牛不相及的事物,在本质上是统一的。物理学家因此受到极大鼓舞,他们大胆推测,构成宇宙的四大力(电磁力、万有引力、弱力和强力)也应是统一的;与(静)电场由电荷产生类似,(静)磁场也是由磁荷或磁单极子产生的。推测归推测,理论归理论,磁单极子的实物探索一直未有进展,人们开始怀疑,磁单极子的假说是否只是个幌子?或者,磁单极子是像幽灵般不稳定的?甚至有人认为,它早已飞离银河系。

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磁性是人类在几千年前就发现了的。按照现代科学,它产生于电荷的运动,并非缘于像存在电荷那样,存在磁荷。在人类实践活动迄今所能及的范围,科学家发现磁体的磁极总是成对出现的,没有分离的磁单极,不像电性那样能显示分离的正(电荷)极性或负(电荷)极性。为什么自然界要有这种非对称性?科学家大都“讨厌"这种非对称性,有人认为,宇宙其实是电、磁完全对称的。英国著名物理学家狄拉克也用极精美的数学物理公式预言,磁荷确实存在,其最低磁荷值约相当于电子电荷的100倍。

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磁单极子对周围物质有很强的吸引力,在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹。美国的一个科研小组,用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空,经过几昼夜宇宙射线的照射,发现在感光底板上有又粗又黑的痕迹,这个小组于是突然在一次国际会议上声称,他们找到了磁单极子。后来经仔细研究,认定那是重离子在感光底板上留下的痕迹,并非磁单极子的。科学家又企图在加速器产生出来的粒子中找寻磁单极子,并采用了多种方法和现代最新的精密仪器,结果都未能如愿,最后,无论在地球物质中,还是在天体物质里,均未发现磁单极子。

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科学家虽然在实验上找寻磁单极子时总“败兴而归”,但在理论上预言存在磁单极子却时有新招。海啸是一种骇人的自然现象,它常导致海洋中产生一种异常稳定的孤立波,即孤粒子,它在波涛滚滚的大海中几乎永保自己的波形和能量,不停地涌向远方。前苏联物理学家鲍尔雅科夫和荷兰科学家特霍夫脱在研究弱力和电磁力的统一性时发现,在弱电场中会发生“场啸”,每次场啸将产生与孤粒子类似的粒子,每个粒子带一个单独的磁极(南极或北极)。弱电场理论崭新的姿态再次提出了磁单极子假说。当然,磁单极子的产生是有条件的,它不是弱电场方程的一般解,而是特殊解。只有当粒子质量足够大,约为质子的10000倍时,弱电场方程才存在磁单极解。

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大统一理论预言的这种磁单极子,实际上很难发现。在人类活动所及的范围内,大多数磁单极子应是慢粒子,那些“精力充沛的”快磁单极子早已飞离银河系,消失在无边无际的宇宙空间。今天的磁单极子已成了解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口,也是人类实现大统一理论的关键。

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