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第六章4节 对磁单极子的考查

(2013-04-11 09:08:31)
标签:

磁单极子

狄拉克

波函数

大统一理论

威滕

杂谈

分类: 系统相对论第2版

第四节 磁单极子的考查

4.1  磁单极子的提出及其意义

早在1931年,英国物理学家狄拉克就利用数学公式,预言了磁单极粒子的存在。当时他认为,既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么理应有带基本“磁荷”的粒子存在。在理论物理学的一个分支弦理论中,磁单极子是指一些仅带有北极或南极的单一磁极的磁性物质,它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。

磁单极粒子的相互作用过程,与目前我们所了解的一般电磁现象截然不同。磁单极子问题,不仅涉及物质磁性的一种来源、电磁现象的对称性,而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关。磁单极子的引出,对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题,都能给以较好的解释。

更为重要的是,在具体的对磁单极粒子进行探索过程中,它对物理学,特别是对粒子研究技术(如加速器的发展),具有很大的促进作用。虽然磁单极粒子假说到现在为止,还没有能在实验上得到最后的证实,但它仍将是当代物理学上十分引人注目的基本理论研究和实验的重要课题之一。因为今天的磁单极粒子,已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口,如果磁单极粒子确实存在,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学以及天文学的基础理论又将有重大的发展,人们对宇宙起源和发展的认识也会再深入一步。

1931年,狄拉克从分析量子系统波函数相位不确定性出发,得出磁单极子存在的条件,这可用以说明电荷量子化理论上无法说明的事实。20世纪70年代以后,建立起来的大统一理论以及早期宇宙的研究,都要求存在磁单极子,磁单极子的质量重达1016 GeV/C2。实验上探测磁单极子,成为检验粒子物理大统一理论和天体物理宇宙演化理论的重要依据。

尽管迄今为止还没找到磁单极粒子,但是,在关于磁单极粒子理论研究和实践探索的半个多世纪中,采用了量子论、相对论和统一场论的复杂理论手段,联系到最广袤的宏观世界和最细微的微观世界,涉及到极漫长的和极短暂的时间尺度,它不仅给物理学带来了活力,而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战。

4.2  对磁单极子的预言及寻找过程

自20世纪30年代以来至今,磁单极粒子一直是物理学家和天文学家的热门话题,同时也引起了广大科学爱好者的极大兴趣,对它们的寻找一直没有停止过。截止目前,通过种种方式寻找磁单极粒子,包括使用粒子加速器人工制造磁单极子,均无收获。

1975年,美国的科学家利用高空气球来探测地球大气层外的宇宙辐射时,偶尔发现了一条轨迹。当时科学家们分析认为,这条轨迹便是磁单极子所留下的轨迹。1982年2月14日,在美国斯坦福大学物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣称,他利用超导线圈发现了磁单极子,然而事后他在重复他先前的实验时,却未得到先前探测到的磁单极子,最终未能证实磁单极子的存在。内森·塞伯格(Nathan Seiberg)和爱德华·威滕(Edward Witten)两位美国物理学家,于1994年首次证明出磁单极子存在理论上的可能性。

一些大统一理论也预言了磁单极子的存在:不同于基本粒子,磁单极子是孤波(局域能量包)。使用这些模型去估计大爆炸中产生的磁单极子的数目,得到的最初结果与对宇宙的观察结果相矛盾--磁单极子是如此的多而巨大,它们甚至可以阻止宇宙的膨胀。然而宇宙暴涨理论成功地解决了这问题(也是这个理论被提出的原因之一)。这个理论建立了一个模型,使得磁单极子在宇宙中存在,但数量极少,以能够与实际观测相符合。

随着磁单极子的提出,科学界掀起了一场寻找磁单极子的狂潮。人们绞尽脑汁,采用了各种各样的方法,去寻找这种理论上的磁单极子。

科学家首先把寻找的重点,放在古老的地球铁矿石和来自地球之外的铁陨石上,因为他们觉得这些物体中,会隐藏着磁单极子这种“小精灵”。然而结果却令他们大失所望:无论是在“土生土长”的地球物质中,还是那些属于“不速之客”的地球之外的天体物质中,均未发现磁单极子!

高能加速器是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段。科学家利用高能加速器加速核子(例如质子),以之冲击原子核,希望这样能够使理论中的紧密结合的正负磁单极子分离,以求找到磁单极粒子。美国的科学家利用同步回旋加速器,多次用高能质子与轻原子核碰撞,但是也没有发现有磁单极子产生的迹象。这样的实验已经做了很多次,得到的都是否定的结果。

古老岩石探测和加速器实验所遭到的挫折,并没有使科学家们气馁,反而更加激发了他们的斗志,并促使他们广开思路。考虑到这也许是因为加速器的能量不够大的缘故,他们一方面试图研制出功能更加强大的加速器,一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射线,试图从宇宙射线中找到磁单极粒子的踪影。

从宇宙射线中寻找磁单极子的理论根据有两方面:—种是宇宙射线本身可能含有磁单极子,另一种是宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子。他们曾经把希望寄托在一套高效能的装置上,因为这种装置可以捕捉并记录到非常微小、速度非常快的电磁现象。他们期待着利用这套装置能把宇宙线中的磁单极子吸附上,遗憾的是这套装置也未能使他们如愿以偿,满腔希望的他们又遭受了一次沉重的失望的打击。

但是,科学家们并不因此而放弃,他们仍在不断地寻找着机会。人类登月飞行的实现,又重新在科学家心目中燃起了熊熊的希望之火,让科学家把目光投向那寂静荒凉的地方,因为月球上既没有大气,磁场又极微弱,应该是寻找磁单极子的好场所。1973年,科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测,而且使用了极灵敏的仪器。但出人意料的是,竟没有测出任何磁单极子。

磁单极子理论自提出以来,迄今已逾半个多世纪,长期不能被证实,也不能被否定,这在科学史上是罕见的,因为一般的科学假设如果在这么长的时间内未被证实,人们就会将此假设否定或放弃。那么,对于经历了大半个世纪的探寻,基本上可以说是没有什么突破性进展的磁单极子,人们是否最终也同样会放弃寻找呢?

4.3  经典电磁理论对磁单极子的质疑

我们知道,如果将带有磁性的金属棒截断为二,新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场,重新编排磁场的北极、南极,原先的北极南极两极,在截断磁棒后会转换成四极,即各磁棒一南一北。如果继续截下去,磁场也同时会继续改变磁场的分布,每段磁棒总是会有相应的南北两极。不少科学家因此认为,磁极在宇宙中总是南北两极互不分离、成对的出现,故对磁单极子的存在提出质疑。

在经典电磁理论中,磁是由电流和变化的电场产生的,磁南极和磁北极总是同时存在的,不存在磁单极子。

4.4  系统相对论对磁单极子的判定

从系统相对论的电流模型可以看出,磁场是作无旋圆周运动的电子之间的耦合场。因此磁场是电子运动的一种现象,其场源是电子的极性场。我们所理解的闭合磁力线是根据其作用效果(场强分布)而建立的一种假想模型,真实的场线(磁力线)都是从电子射出又回到电子。

可见,磁单极子是不存在的。但是宏观上,单极场是存在的,如引力场、静电场。不过从微观看,单极场只不过是若干N极和S极相对均匀分布的较为复杂的场罢了。

 

参考文献:

 

[1] 刘佑昌《现代物理思想渊源》北京 清华大学出版社 2010 P46-49

[2] 赵凯华 陈熙谋《电磁学》第二版 北京 高等教育出版社 2009 P98-108

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