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磁单极子的存在性问题

　《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：９３．自然界手征不对称起源的关键是什么？６９．磁单极是否存在？

关于科学美的层次和分类，哈奇森认为，科学家感知的美的对象分别处于抽象程度不断增加的三个层次中.位于最低层次上的对象是构成科学题材的那些实体和现象，例如星星在夜空中以高度的多样性中的一致性排列.第二个抽象层次上的对象是自然定律，它在现象中不能直接看到，但是在理论提出的模型或阐明中变为明显的对象.第三个是数学定理和科学理论本身.在这里，他实际上区分了现象美和理论美.杨振宁建议，存在三种美：现象之美，理论描述之美，理论结构之美.当然，像所有这一类讨论一样，它们之间没有截然明确的分界线，它们之间有重叠，还有一些美的发展，人们发现很难把它们归入哪一类.科学美主要体现在实验美、理论美和数学美三个方面.实验美包括实验现象之美、实验设计之美、实验方法之美、实验结果之美.理论美分为描述美、结构美和公式美.数学美包括理论的数学表达的质朴美、和谐美和涵盖美.引用一下迪昂对于结构美的描绘：秩序无论在那里统治，随之都带来美.理论不仅使它描述的物理学定律更容易把握、更方便、更有用，而且也更美.追随一个伟大的物理学理论行进，看看它宏伟地展现了它从初始假设出发的规则的演绎，看看它的推论描述了众多的实验定律直至最小的细节，人们不能不被这样的结构之美而陶醉，不能不敏锐地感到这样的人的心智的创造物是真正的艺术品.

电磁一元论的历史比较短，H.C.Oersted先生在1820年7月21日发表了《关于磁针上电碰撞效应的实验》，1864年J.C.Maxwell先生发表了《电磁场的动力学理论》，为确立电磁一元论的统治地位奠定了理论基础.1892年H.A.Lorentz先生发表了《Maxwell电磁学理论及其对运动物体的应用》一文，创立了电子论的基础.J.J.Thomson先生在1892年测定了电子的荷质比，证实了Lorentz先生的电子假说.1927年G.E.Uhlenbeck先生和S.Goudsmit先生发现了电子自旋，随即磁本质被诠释为电子自旋.1928年P.A.M.Dirac先生创立了相对论性量子力学，同年W.Heisenberg先生以1927年Heithler先生和London先生提出的电子波交换作用能为出发点创建局域电子自发磁化理论模型.1936年F.Bloch先生开创了自旋波理论.1951年C.Herring等人提出了无规近似方法，创立了RPA理论.1973年T.Moriga等提出了比RPA理论更进一步的自洽的重整化的SCR理论.至此，电磁一元论取得了绝对优势的统治地位.

电磁二元论要比电磁一元论源远流长.早在1780年C.A.Coulomb先生就断言电与磁是完全不同的实体，并在1787年的《论电和磁》的论文中发表了静磁作用和静电作用两个形式相同的数学定律.而电磁二元论关于磁荷模型历来存在两种针锋相对的观点.

第一种是磁单极子（北磁子或南磁子）模型，由Coulomb先生于1787年正式提出来.但是，由于这种模型不能解答为何一个条形磁棒不论碎成多少段，每一段均还能保持南北两极，便被他抛弃了，转而选择了磁偶极子模型.1843年W.E.Weber先生发表《单极感应和磁流体存在假说》一文.1931年Dirac先生提出了磁单极子的量子假说.1974年以来发展起来的M理论，再次预言了磁单极子的存在性.1982年5月，BlasCabrera先生宣布他用20cm直径的超导线圈和超导量子干涉仪组成的磁强针发现了一个可能的磁单极子的事例.这一事件促使IBM实验小组，神户大学实验小组，Tokyo，Bologna和Kamioka等实验小组做了大量相同和相似的观测实验，最终一概否定了Cabrera等人的实验结果.

第二种则是磁偶极子（磁双极子或最小磁针）模型，也是由Coulomb先生于1787年提出.尤其是1961年B.Deaver和W.Fairbank这两位先生在纯锡管状样品的冻结磁通的实验中发现了量子化的磁通量──即磁通量子Φ₀.促使笔者认为Φ₀正是磁偶极子模型的基元，我们称它为“磁子”——即最小磁针或最小磁荷，并认为只有建立在这种最小磁偶极子基础上的一切相关的唯象的或量子的理论，才是正确的磁-电学理论.实验上确认的量子化的磁通量Φ₀的存在性，宣告了电磁二元论的真实性和正确性的同时，也宣判了磁单极子假想模型的死刑！

麦克斯韦方程组已经具有比较良好的对称结构，但是其中有关磁场散度的公式，只适合无源的情况，这导致电场和磁场散度的公式有所不同.为了解决一问题，就要引入磁单极子.这一工作最早由狄拉克完成[1]，后来施温格对此进行了改进[2]，杨振宁等人也对磁单极子进行了研究，得出了跟狄拉克的工作相同的结果[3].在引入了磁单极子以后，麦克斯韦方程组变得非常对称.目前的工作主要集中在寻找磁单极子这一方面.在实验研究方面，一些研究结果可能已经获得有关磁单极子存在信息[4，5].不过实验结果差异很大，对于磁单极子的了解还非常少.

当麦克斯韦总结出全部的电磁定律，并且用四个方程描述出来的时候，我们惊讶于数学的简洁和强大.四个方程简洁优美，两个散度方程两个旋度方程（或者说成积分形式的两个围面积分和两个环路积分）把复杂的电磁定律进行了最大程度的简化.很难想象，自然界的庞杂的电磁定律会屈从于人类发明的这四个小小的表达式.

如果仔细观看，你还是会发现，这四个方程还不算完美，至少缺乏某些对称美.这种对称性的破缺预示了电与磁的不同.

两个散度方程：空间任意一点电场的散度为该点的电荷密度，该定律清楚地表明了电场的由来.而对磁场而言空间任意一点的磁场散度为0，说明了磁场的无源性.无源有两种等价的解释，一是空间该点处确实是虚无的，二是该点处正负物质一样多，效果不对外表现.因为没有单独的磁荷，正负磁荷是不可分的，所以空间任意点处的磁场散度为0.

两个旋度方程：旋度方程表达的是电磁感应方面的关系，即电场或者磁场发生变化的时候相应的场分布是怎样的.磁场的旋度方程比电场多一项，即多了一个电流密度.即空间一点处的磁场旋度不仅仅取决于该点出的电场变化率而且取决于空间该处的电流密度.而电场的旋度仅仅取决于空间该点出磁场强度的变化率.为什么磁流密度项没有呢？和散度方程的解释类似，因为正负磁荷的不可分性，导致了空间不可能形成净磁流.

实际上，因为空间磁场的散度为0.所以麦克斯韦方程组真正表达磁场来源的只有一个磁场的旋度方程，该项表明空间的磁场来源于电场的变化和电流.

有人经常会问，自然界先有电还是先有磁.从麦克斯韦方程和我们的推导来看，自然界是先有电后有磁，磁只不过是电的一个影子而已（费曼在物理学讲义中证明了磁不过是电的一种相对论效应）.所以，麦克斯韦电磁定律的对称破缺是由于磁场的磁荷不可分性造成的，即自然界不存在单独的磁荷.

从1931年开始，物理学界又面临着新的困惑，当时英国著名物理学家、诺贝尔奖获得者狄拉克根据对称理论，论证有磁单极子（磁荷）存在.虽然当时麦克斯韦电磁方程组已经否定了磁单极子存在，但人们认为：麦克斯韦的理论毕竟是对麦克斯韦时代之前的实验总结，而过去的实验，是否有遗漏而有待于新的发现呢？谁也不敢断定！况且，狄拉克曾预言正电子存在、并在宇宙线中观察到，因而震惊物理学界，而其磁单极子的新预言看来又持之有理.更何况，还有很多知名物理学家对磁单极子存在的理论作了不少的补充和论证，遂使很多科学家深信磁单极子存在的理论无误.

于是从二十世纪三十年代开始，掀起了寻觅“磁单极子”的热潮——到宇宙线中去发现、用太空飞行器到太空去找、钻入极深的矿井中寻、下潜到深海中去觅、又去从古地质中去查、再用对撞机尝试着人造……总之用了各种不同的途径来“捉拿”“磁单极子”，努力了近八十个寒暑，但“磁单极子”总是顽固地不显其身！“磁单极子”到底存在还是不存在？除了狄拉克当年的对称理论而外，能不能再以更有说服力的理论来判断，这是当今这个领域亟待解决的问题，也是当今跨世纪的难题.磁单极子问题也是当代物理学一个饶有兴味的课题.1931年狄拉克研究磁场里运动的电子的波函数相位与电磁场量之间的关系时，考虑到量子原理波函数的相位的不确定性，导出了电荷量子化的条件、从而推出任何带电粒子所带电荷都一定是单位电荷的整数倍;任何带磁荷粒子所带磁荷也必定是单位磁荷的整数倍.因此、如果磁荷确实存在，狄拉克的推理在一定程度上解释了观测上的电荷量子化.研究表明，SV（5）弱电强大统一规范理论存在磁单极解.从该理论里的超重矢量玻色子的大质量可推出磁单极的质量在10¹⁶吉电子伏的量级.这是目前实验室能量所不能达到的.目前，实验上的探测主要从三方面着手：高能加速器的实验，宇宙线的观测，古老岩石的观测.用第—种方法还未观测到磁单极子，一般认为这是能量尚不够高的缘故.从宇宙线中找磁单极子的物理根据有两方面；—种是宇宙线本身可能含有磁单极子，另一种是宇宙线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子对.

附录：根据伦敦纳米技术研究所的最新研究成果，在某些物质中，磁荷具有同电荷一样的表现.刊登在自然杂志上的这篇文章证明了原子级磁荷的存在，它们的表现和相互作用就像我们所熟悉的电荷一样.同时，该研究还说明了电和磁之间存在一个完美的对称性，这种现象被作者称为“磁化电”.

研究小组根据Onsager在1934年的理论，绘制了在被称为自旋冰的物质中，磁流离子在水中的运动图谱.他们在非常低的温度下给自旋冰样品施加一个磁场，使用了ISIS的μ介子来观察整个过程.他们探测了自旋冰中的磁荷，测量了电流，探明了该物质中磁荷的基本单位.所观察到的磁单极子在自旋冰的磁性状态下呈现出紊乱的特性，并只能存在于物质内部.SteveBramwell教授（这篇文章的作者之一）这样表示：磁单极子是在1931年被预言出的，但在多次研究之后，仍没有发现自由行动模式的基本磁单极粒子.而目前发现的这些磁单极子虽能自由活动，但只能存在于自旋冰样品内.ISIS的仪器科学家SeanGiblin博士（本文的另一作者）认为：实验结果是令人震惊的，通过使用ISIS提供的μ介子，我们最终能确定在适当的温度下，磁荷确实是在一定的材料内传导的，就像水中的离子传导电流一样.