磁单极子你在哪里

众所周知，任何一个磁体无论怎样细分，细分后的每小块总是有N、S两个极，这就是两磁极的不可分性。在理论上，安培的分子电流假说能圆满地解释磁极的不可分性；在实践中，人们也从未发现过单独存在的磁极，所以人们断言：自然界虽然存在单独的正电荷和负电荷，但单独的磁荷——磁单极子却是不存在的。不过这个断言自20世纪30年代以来始终被怀疑，磁单极子是否存在一直是物理学家和天文学家们关心的热门话题，同时也引起了广大青少年的兴趣。下面我们尽可能在中学物理范围内来讨论这个问题。

神来之笔巧预言

磁单极子可能存在的理由有很多，这里说两个主要的。

一是汤姆孙的猜想。1897年英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现了电子，1909年美国物理学家密立根用油滴实验测出元电荷的电量，后证实元电荷就是电子所带的电量。这些事实启发了科学家们提出这样的想法：电与磁有许多对称性，如变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场；电荷相互规律是同性相斥异性相吸，磁极相互作用规律也是同性相斥异性相吸等，那么既然有单独存在的正、负基元电荷，为什么不能有单独存在的基元磁荷——磁单极子呢？也就是说，存在磁单极子是电磁现象的对称性要求的。

二是狄拉克的预言。1931年，著名的英国物理学家狄拉克认为：如果承认磁单极子，则磁荷的静磁场也同电场一样存在，这样电磁现象的完全对称性就可以得到保证。于是他理所当然地宣称：“如果大自然不应用这种可能性，简直令人惊诧。”他根据电动力学和量子力学的合理推演，得出这样的方程：eg=h/2π，其中h=6.63×10^-34J·s是同学们有所了解的普朗克常数，e=1.60×10^-19C是基元电荷，而g则是预言的基元磁荷，即磁单极子。狄拉克前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来，不仅使麦克斯韦方程具有完全对称的形式，而且如果磁单极子的确存在，电荷的量子化现象也可以得到解释。1983年5月，杨振宁教授在北京所作的一次学术报告中曾盛赞狄拉克的磁单极子假设，说这是他的“神来之笔”。

火花一闪难定论

既然理论研究已经预言磁单极子是存在的，那么实验物理学家就应该积极创造条件，在实验中找到它。根据理论分析，磁单极子应该具有这样的性质：磁性强，容易被磁场加速；电离能力比宇宙射线强得多；与一些基本粒子相比质量很大；两异性磁单极相遇会湮灭而产生许多光子等。研究人员根据磁单极子的性质设计了许多探测方法。常用的探测方法有：感应法、电离法、声学法和电磁法等。这里只介绍中学生比较容易理解的感应法。

所谓感应法，就是用电磁感应的原理探测磁单极的方法。我们知道，当穿过闭合线圈的磁感线条数发生变化时，线圈中就产生感应电流，感应电流的方向可以用楞次定律来判断。科学家是用超导环作为探测线圈的，因为磁单极子与常规的双磁极通过超导环激发的电流有不同的变化特点，据此可判断是否有磁单极子通过超导环。

我们先来分析条形磁铁从左到右穿过超导环过程中，超导环中的感应电流的变化情况。图1（a）表示磁铁正在插入超导环，磁铁的磁感线向右穿过超导环，且条数增多，根据楞次定律可知超导环中感应电流沿逆时针方向流动（从左边看），且不断增大；磁铁离开超导环的情况如图1（b）所示，磁铁的磁感线仍向右穿过超导环，且条数减少，根据楞次定律，环中将有顺时针电流产生（从左边看）。但由于超导环没有电阻，前一过程中产生的电流并没有消失，这样后一过程的电流与前一过程的电流就要叠加，叠加后的方向仍是逆时针的，但强度减小。简单说：条形磁铁穿过超导环过程中，环中电流方向不变，强度则先从零增至最大再逐渐减小到零，最终不会留有电流。

那么，一个磁单极子穿过超导环，环中电流变化情况又如何呢？如图2所示，在N磁单极子从左向右穿过超导环时，磁感线先向右穿过超导环且条数增加，然后再向左穿过超导环且条数减少。根据楞次定律，前后两个过程产生的电流方向都是逆时针的，所以两者叠加的结果是使环中电流进一步增大。因为超导环无电阻，所以磁单极子离开环后，在环中激发的电流会长时间保持不变，人们根据这种“走后留电”可以判断磁单极子是否存在。

1982年2月，美国斯坦福大学的物理学家凯布雷拉就曾试图用感应法寻找磁单极子。他制作了一套“超导量子干涉仪”：把一个超导（电阻为零）铌线圈放入一个超导铝箔圆筒中，此圆筒能屏蔽掉外界磁场对其内部铌线圈的影响。当磁单极子进入圆筒，穿过线圈时，线圈中由于磁单极子造成的磁通量变化，就会产生感应电流。他利用这套装置守株待兔般地等待了约200天，终于捕捉到了一个感应电流信号，实验数据表明跟狄拉克的磁单极子理论完全符合。这个发现虽然激动人心，但为了慎重起见，他们并没有宣布发现磁单极子，而是非常得体地报告他们观察到一起“候补磁单极子事件”。此后，他们又启用一个更先进的探测器，但至今没有听到其重复观察到磁单极子事件的报告。真可谓“众里寻她千百度”，却仍是“火花一闪难定论”。

尽管寻找磁单极子困难重重，但人们并没有因此沮丧泄气，人们一直在努力，面对可能存在磁单极子的地方深情地呼唤：磁单极子，你在哪里？我们深信，磁单极子之谜终将会有结案之日！