磁单极子：历经百年追寻 仍然“芳踪”难觅

科技频道来源:科技日报 2016年10月16日 10:31 A-A+
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　　如果将一块磁铁砍成两半，你会得到两个更小的磁铁，原来的磁铁和新磁铁都有“南”极和“北”极。而且，无论磁铁被分割成多少部分，无论把它分割得多么小，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。那么，存在着单独的南极或者北极吗？就像电荷存在着单独的正电荷和负电荷一样？

　　据美国费米国家实验室官方网站9月13日报道，尽管迄今还没有人有幸得以窥见其“真容”，但大多数物理学家都认为，存在着单独的磁极——磁单极子。

　　狄拉克预言磁单极子存在

　　站在前人研究的肩膀上，19世纪70年代左右，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦证明了电磁相互作用的两个方面：电和磁就像一对亲密无间、夫唱妇随的美满佳偶。

　　但实际上，就像再美满恩爱的夫妻也会有性格上的差异和其他方面的不协调，电和磁也不例外。而且，这种不协调在宏观和微观上都有显著表现。比如，在宏观上，从地球、月球、行星到恒星、银河系和银河系之外的星系等，都具有磁场。磁场对天体的起源、结构和演化都有着举足轻重的影响；可是，电场在宇宙空间几乎无声无息。在微观上，带电体可分割成单独带有正电荷和负电荷的粒子，正、负电荷可以单独存在；但长久以来，人们从来没有发现过单独存在的磁极—磁单极子。磁和电的不对称也使描述电磁现象的麦克斯韦电磁方程组显得不对称。

　　那么，磁单极子是否存在呢？20世纪初，量子理论的先驱保罗·狄拉克给出了他的预言。1931年，狄拉克首先从理论上用极精美的数学物理公式预言，磁单极子是可以独立存在的。他认为，既然电有基本电荷—电子存在，磁也应有基本磁荷—磁单极子存在，这样，电磁现象的完全对称性即可得到保证。因此，他根据电动力学和量子力学的合理推演，前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来，使麦克斯韦方程具有了完全对称的形式。

　　磁单极子或曾到访过

　　自从狄拉克提出磁单极子学说之后，磁单极子成为很多科学家眼中的“香饽饽”，他们对其进行了深入研究，也提出了各种假设。1994年，内森·塞伯格和爱德华·威滕两位美国物理学家首次证明，磁单极粒子存在理论上的可能性。

　　另外，大统一理论（Grand unified theories）预测了超重磁单极子的存在。该理论认为，这种磁单极子的质量将是质子质量的1亿亿倍。尽管目前地球上的加速器无法提供制造这样的粒子所需要的能量，意大利国家核物理研究所的劳拉·帕特里齐亚说：“宇宙诞生之初可能存在着这么巨大的能量。”

　　其实，物理学家在现实中“捕捉”到过磁单极子。这一事件发生在1982年的情人节。那时，斯坦福大学物理系的布拉斯·卡布雷拉打造了一个探测磁单极子的机器，如果探测到了磁单极子，机器上就会显示8磁子（磁子是一个常数）的信号。卡布雷拉从未探测到磁单极子，然而就在那年情人节那天，他却意外收到了一个8磁子的信号，这意味着他探测到了磁单极子。他为此加大了探索步伐，后来建立了更大的探测仪器，然而却再也没有探测到过磁单极子的踪影。

　　直到今天，并没有人再次找到过磁单极子，卡布雷拉当年的发现也因此成为一宗悬案。物理学家们尝试过在月面物质样本中寻找，也尝试过在粒子加速器的碰撞实验中寻找，但都一无所获。

　　2009年3月，美国物理学家希瓦吉·颂提在《科学》杂志撰文指出，他们在“自旋冰”晶体中观测到了类似磁单极子的物质。研究论文在当时引起了一场轰动，但后来证明，这次发现并非是观测到了该物质，而仅仅只是一场巧合。2009年，德国和法国的两个科学家小组在9月4日出版的《科学》杂志上报告称，他们在一种特殊的晶体中观察到了“磁单极子”的存在，但他们的“磁单极子”与物理学中由狄拉克预言的磁单极子仍有天壤之别。

　　最受人瞩目的关于磁单极子的发现，当属2014年的一项研究。据英国《自然》杂志网站2014年1月29日报道，美国艾姆赫斯特学院科学家戴维·霍尔团队表示，他们在自旋凝聚态所产生的人造磁场中，获得了在凝聚态内涡线末端的磁单极子的真实空间图像，提供了证明狄拉克磁单极子存在的证据。

　　孜孜不倦寻找磁界“独角兽”

　　尽管如此，科学家们仍然没有见过磁单极子的“真容”。目前，全球各地的宇宙射线探测器正在孜孜不倦地寻找磁单极子的线索。科学家们认为，这些磁单极子今天可能仍然在我们周围逡巡，同空气中的分子相互作用。在意大利格兰萨索（Gran Sasso）国家实验室进行的MACRO实验，也在寻找原初磁单极子。

　　另外，有科学家认为，质量更小的磁单极子或许能在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）内制造出来。目前，帕特里齐亚和加拿大约克大学的温迪·泰勒都在寻找在LHC内制造的磁单极子。帕特里齐亚使用LHC上专门设计用来寻找磁单极子的单极和特种探测器（MoEDAL），而泰勒使用超环面仪器（ATLAS）。

　　泰勒说：“从个人的角度而言，我相信，磁单极子就在那儿，我们只需要不停地寻找就行。磁单极子可能是我最喜欢的粒子。如果我们发现磁单极子，其意义将可与发现希格斯粒子相媲美。”

　　经历了这么长时间的寻找，迄今还没有科学家敢理直气壮地声称，自己完全真正找到了磁单极子，但对于磁单极子的探索，人们还要继续下去。尽管要找到磁单极子，并不是件简单容易的事，而是一项长期而艰巨的任务，要付出许多时间和精力，甚至可能要经过数代人的努力，但科学家们绝不会轻言放弃。