关于磁单极子的探索

陆海燕

(南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210097)

1 磁单极子的提出

电磁学中电和磁表现出极大的相似性，如同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，同样的同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引．但是，自然界中电荷可以以正负两种电荷的形式单独存在，而磁性粒子却总是以偶极子的形式成对出现．正如一块磁铁，无论怎么分割，新的磁铁总和原来的磁铁一样同时拥有南极和北极，即使分割到原子水平也无法出现单独的磁极．

电和磁的这些差异也充分体现在麦克斯韦方程组中

(1)

(2)

(3)

(4)

其中D是电位移矢量，E是电场强度，B是磁感应强度，H是磁场强度，ρe是电荷密度，je是电流密度．从式(1)～(4)可以看出电和磁虽然相互联系了起来，但两者却是不对称的．虽然有电荷和电流的存在，却没有相应的磁荷和磁流．

1931年5月，英国物理学家狄拉克根据电和磁的对称性提出了磁单极子的假设．他把量子力学与电磁理论结合起来进行研究时发现，在微观领域允许磁单极子的存在，即自然界存在只有磁南极或磁北极的粒子．他认为两个磁单极子之间有一条一维曲线连接，这条曲线被称为“狄拉克弦”． 狄拉克通过计算推导出，磁单极子的磁荷g与电荷e之间的量子化条件为

(5)

g·e=n·(ћc)

(6)

这个式子很好地解释了电荷的量子化．并且磁单极子概念的引入，使麦克斯韦方程组更加的对称，可以写成

(7)

(8)

(9)

(10)

其中ρm为磁荷密度，jm为磁流密度．

2 磁单极子的单位及性质

2.1 单位[1]

电动力学中描述电磁场的物理量电场强度E，磁感强度B，电位移D和磁场强度H都是由电荷所受的力直接或间接定义的．在这种情况下，可以根据电磁场中所受的力来定义磁荷的单位．有两种定义方式：

(1)用磁场强度H定义

真空中，磁荷为g的静止磁单极子，在磁场强度为H处所受的力为

F=gH

(11)

其中，磁场强度H的单位为安培/米，简称安/米，用符号A·m-1表示，F的单位为N，根据这个定义，磁荷g的单位为V·s，即伏特·秒．

(2)用磁感强度B定义

真空中，磁荷为g的静止磁单极子，在磁感应强度为B处所受的力为

F=gB

(12)

其中，磁感应强度B的单位是特斯拉，用T表示，

1 T=1 N/A·m，F的单位为N，跟据这个定义，磁荷g的单位为A·m，即安培·米．

文献[1]指出，从电和磁对称性的角度考虑，在目前的电动力学框架里，用磁场强度定义磁单极子的强度单位比较合适．

2.2 性质

自磁单极子提出以来，对磁单极子进行了大量的理论研究，提出了磁单极子的一些特性，这些特性为磁单极子的探寻提供了有意义的帮助．磁单极子的部分特性如下[2]：

(1)静止的磁荷产生静磁场，运动的磁荷产生磁流和电场．这和电荷的情况很相似．

(2)磁单极子作用是一种高能量现象，远大于电荷间的相互作用能．所以磁单极子对的产生和湮没是一种高能现象．因此理论上可以用高能加速器实验寻找磁单极子．但目前未能在高能加速器中观测到磁单极子，原因可能是能量尚不够高．

(3)在磁场中受到的力很强．

(4)运动的磁单极子在物质中产生的电离效应远高于同样速度的带电粒子．在寻找磁单极子的实验中，可以通过磁单极子强电离效应产生的特征径迹与普通带电粒子的电离径迹相区别．

(5)会受到顺磁物质和铁磁物质的吸引，受到抗磁物质的排斥．所以顺磁性和铁磁性矿物可以捕获和长期存储磁单极子．因此在地球上的古岩石、陨石以及其他天体岩石中有可能探测到磁单极子．

3 磁单极子的实验探索

3.1 两次著名的实验

磁单极子提出以后，科学家们不仅在理论上对磁单极子进行大量探索，还在实验上不断寻找磁单极子存在的证据．20世纪八九十年代，发生了两次著名的声称观测到磁单极子的事件．

1975年，美国加州大学普里斯(Price)等人用气球将探测系统升到高空，记录各种宇宙粒子的轨迹．经过几天以后，对探测出的各种轨迹进行分析，发现一条电离性很强的轨迹．科学家认为这条轨迹是磁单极子留下的．不久就有科学家质疑这项结果，认为这条轨迹同样可能是某种重核原子衰变得到的．因此这次探测结果没有得到物理学界的普遍认可．

1982年，美国斯坦福大学卡布雷拉(Cabrera)等人利用灵敏的磁强计在地面实验室中观测自然界的磁单极子．2月14日，经过长达5个月严格而周密的观察，该科研小组观测到一次磁通量的突然变化，经计算正好和磁单极子穿过线圈的磁通改变量相符合．为了进一步证实实验结果，该科研小组不断改进实验设备和方法．遗憾的是，未能重复观测到磁单极子．但是，关于磁单极子的理论和实验的探索仍然在继续[3]．

3.2 新的探索

在大量搜寻未果的情况下，物理学家的注意力开始转向凝聚态物理．凝聚态物理学家在《自然》、《科学》等重要刊物上相继发表了在凝聚态物质中获得磁单极子存在的证据．

2008年1月，美国普林斯顿大学的物理学家希瓦吉·颂提(Shivaji Sondhi)在《自然》杂志上指出，在单晶Dy2Ti2O7里可能含有磁单极子．组成单晶Dy2Ti2O7磁性离子的排列方式与冰中氢离子的排列方式相似，所以又名自旋冰．自旋冰的晶体结构由一个个四面体顶点相连，每个顶点上有一个磁性离子[4]．这些磁性离子的排列遵循“冰法则”如图1，即在绝对零度附近，每个四面体中，离子的自旋有两个指向四面体中心，两个反向向外．如果其中离子的自旋被翻转，冰规则就被破坏，每个翻转的自旋像多米诺骨牌效应一样，首尾相连就形成一个自旋链．在自旋链的末端就会出现一个磁单极子．

图1 自旋冰的晶体结构

2009年9月，德国亥姆霍兹材料与能源中心的乔纳森·莫里斯(Jonathan Morris)和他的同事在《科学》杂志上报告，在自旋冰晶体中观察到了类似磁单极子的“准粒子”．[5]莫里斯等对一种钛酸镝单晶体进行中子散射实验，观测到了偶极子首尾相连形成一根根扭曲的细管，这些细管被形象地描述为“自旋意大利面条”．正如狄拉克曾经预言过的一样，有一条一维曲线连接两个磁单极子，因此这些细管也被称为“狄拉克弦”．但是预言中的一维曲线不能像这些细管一样被观察到，“自旋意大利面条”并不是真正的“狄拉克弦”．因此莫里斯等人观察到的也并非是真正的磁单极子，只是类似磁单极子的准粒子．真正的磁单极子是否存在，科学家什么时候才能找到真正的磁单极子，仍然是个未解之谜．

4 研究磁单极子的意义

磁单极子的引入解释了电荷的量子化，也使麦克斯韦方程组更加对称，与电磁学的很多方面相关．另外微观世界的基本粒子结构理论和宇观世界的宇宙演化理论都与磁单极子有密切的联系．磁单极子的存在已经成为解决一系列重大物理问题的必然要求．尽管至今未能在实验和自然界中找到磁单极子的身影，但科学家们仍然不遗余力地在理论和实践中探寻磁单极子的存在．

参考文献

1 张之翔，王书仁.磁单极强度的单位与电磁对称性.大学物理，1988(11)：5～7

2 李国栋.磁单极子理论和实验的发展.自然辩证法通讯，1983(02)：29～37

3 李国栋.磁的世界.长沙：湖南教育出版社，1994

4 张静，刘彩霞，徐元英，杨艳芳.磁单极子的魅影.现代物理知识，2010(04)：35～37

5 D.J.P.Morris,D.A.Tennant,S.A.Grigera,et al.Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7.Science 326,2009:411～414

Abstract：Since the concept of magnetic monopoles was presented by Dirac, scientists have been trying to find it. Researches in theory were conducted deeply, but scientists still can't find the evidence of their existence in the experiment. This paper introduced the presentation, unit and nature of magnetic monopoles from the perspective of symmetry of Maxwell's equations and charge quantization. And introduced the exploration of magnetic monopoles in experiments. Scientists had observed quasi-particle of magnetic monopoles in the spin ice after the two famous experiments in history.

Keywords：magnetic monopoles;spin ice;Dirac strings