磁單極理論於19世紀末分別由法國物理學家Pierre Curie和英國物理學家James Maxwell提出。
2009年由柏林Helmholtz材料能源中心的Jonathan Morris與法國格勒諾博(Grenoble) Laue-Langevin研究院的Tom Fennell分別在自旋冰晶體中證實磁單極的存在。
電和磁對稱嗎?
電荷有分正負,有正電荷及負電荷,它們可以單獨存在。
磁荷分N-S兩極,N極S極可以單獨存在嗎?
磁的來源是電荷,即由電的運動(電流)產生磁場,而且造成物質磁性的磁矩也是和電荷相聯繫的。磁矩的兩個磁極(北極和南極,或稱正磁極和負磁極)便是不能分開和分離存在的。
磁性和電性是有不相同的地方。
正電荷和負電荷可以分開存在,但正磁極和負磁極卻不能分離及分開存在。這樣就造成了磁和電的不對稱,使描述電磁現象的馬克斯威爾電磁方程組也顯得不對稱,例如電通密度的散度為電荷密度,而磁通密度的散度卻為零,因為只有磁矩,沒有分離的磁荷(磁極)。
英國物理學家狄拉克(Dirac,1902~1984)在1931年提出了磁單極子理論。
狄拉克是1933年諾貝爾物理學獎的得主。他在創建相對論性量子電動力學理論上有過重要貢獻,而且還有先提出了反物質學說、磁單極子學說和基本物理常數隨時間變化學說,其中反物質學說已在實驗上得到證實。
自從1931年狄拉克提出磁單極子學說以來,到現在一直受到實驗觀測和理論研究的重視。這是因為磁單極子問題不僅涉及物質磁性的一種來源,電磁現象的對稱性,而且還同宇宙極早期演化理論及微觀粒子結構理論等有關,故成為科學界關注的一個重要問題。
例如在實驗觀測方面,曾利用多種高能加速器進行許多實驗,但都未能產生出磁單極子;曾對地球古代大陸岩石和海洋底岩石、從天外降落到地球上的各種隕石、從月球帶回地球的月球岩石等進行觀測也未觀測到磁單極子及其留下的特徵徑跡,曾利用高空氣球和空間飛行器上的粒了探測器探測磁單極子,在很多次探測中僅觀測到一次的粒子徑跡,經多方面分析研究,認為很可能是磁單極子的徑跡,但至今尚未得到重復證認;還曾多次在地面實驗室中利用高靈敏度和高磁遮罩的超導量子干涉儀(SQUID)式磁強計進行磁單極子的探測,進行了長達151天的日夜不停的磁單極子探測,僅有一次觀測結果經仔細分析研究,排除了多種干擾,認為是一次磁單極子事例,但是後來雖然經過多次重復探測,並且改進和增大了測量裝置,提高了測量靈敏度,但是都未能再觀測到磁單極子。
總的說來,幾十年來經過多方面和大量的關於磁單極子的實驗觀測,雖然曾有過兩次可能是磁單極子的觀測事例,但都尚未能得到重復的證實。
在磁單極子的理論研究方面,也曾提出過多種的學說,各有其特點和根據。
例如,除狄拉克最早提出的磁單極子學說外,還有:磁荷和電荷完全對稱並具有新的量子化條件的全對稱磁單極子學說;由著名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等提出的採用纖維叢新數學方法的量子力學磁單極子學說;應用統一規範場理論的規範磁單極子學說;應用愛因斯坦-麥克斯韋耦合場的相對論性耦合場磁單極子學說;應用超弦理論和4維規範模型的超重磁單極子學說;超對稱和超弦磁單極子學說等。
總的看來,涉及磁學、電磁對稱、宇宙早期演化和微觀基本粒子結構等多方面的磁單極子問題是仍需要從實驗觀測和理論方面繼續進行研究的科學問題。
參考資料
http://159.226.2.5:89/gate/big5/www.kepu.net.cn/gb/basic/magnetism/elementpart/200306130046.html
郭奕玲、沈慧君編:電磁場理論的奠基人-麥克斯韋,凡異出版社,ISBN 957-694-344-2。
張光熙、宋加麗著:科學的故事,好讀出版社,ISBN 957-455-100-8。
郭奕玲、沈慧君著:物理通史,凡異出版社,ISBN 957-694-157-3。
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