斯坦福大学的一位科学家潜步追踪基本磁粒子。

头四个月悄然无事。极为小巧的斯坦福大学地下实验室中、与一台神奇仪器相联的长图记录仪持续不断地在缓缓展开着的记录纸带上描记出等长的平直蓝线条。后来，1982年2月14日下午1时53分，确实有了情况，某种东西使指针跳动起来。

这是物理学家B. 卡伯热拉（Blas Cabrera）一直在期待着的信号，但当它终于姗姗来迟的时候，他却只能摇摇头，试图指出究竟是哪儿出了故障。因为如果完全没有毛病，那么另一种解释将意味着长期以来孜孜以求的叫做磁单极的亚原子微粒已降落下来，透过斯坦福大学地下室的洞穿仪器的心脏部位。如果确实，卡伯热拉可能就作出了本世纪最重要的科学发现。

磁单极仍只是一种理论上的完美无缺的宇宙大爆炸残余物。人们已证明它是所有的亚原子微粒中最令人难以捉摸的一个。顾名思义，它的性状像一个从磁体上切割下来的单独磁极，或北极、或南极。它也可能带有磁“荷”，同电子带有电荷极为相似。1931年以来，自从大名鼎鼎的英国理论物理学家P. 狄拉克（Paul Dirac）预言磁单极存在后，科学家们就一直在大气层上部、地球深处和月球的一些岩石中搜寻它的踪迹。更新的研究工作表明，如果大统一理论（它将自然界三种看来各不相同的力联系起来）是正确的，磁单极就必然存在。

但是，它们果真存在吗？1975年，加州大学伯克利分校的P. B. 帕利斯（P. Buford Price）甚至召开了记者招待会，宣布他有关磁单极的“发现”。在别的科学家们发现他工作中的一个错误之前，他宣布的内容在全世界引起了轰动。卡伯热拉35岁，是第三代物理学家，他比较谨慎。但在一些日子里，他的指针颤抖的消息借助物理学界的小道新闻在全世界不胫而走。四月，当他仍在准备一篇有关他的实验的简短而措辞审慎的报告，以便在《物理评论通信》杂志上发表时，这件事已成为美国物理学会华盛顿年会上茶余饭后的最热门话题。它从那儿很快就被捅到了报纸上和电视广播上。由于仍不愿接受采访，所以卡伯热拉被圣何塞的《信使》杂志描写成一位“躲躲闪闪的英雄”。

大多数科学家打了退堂鼓，他们一度因过早地宣布发现了磁单极而大失所望。他们仍持某种怀疑态度，或者至少也是不表态。专门致力于磁单极研究的芝加哥大学物理学家E. 帕尔凯（Eugene Parker）说：“我实在忍不住要说一说，斯坦福大学得出的那些结果错了。但如果能证实它们是对的……好家伙，好家伙，那可真有意思！”

多少世纪以来，磁对科学家们有着极大的魅力。公元前800年，在一些希腊著作中第一次提到了它。据Pliny长老说，它是由名叫玛格纳斯的一位牧羊人发现的，“在他牧羊时，鞋钉和拐杖头被带磁性的场地牢牢地吸住了。”可以推测该处含有天然磁石——一种存在于自然界中的磁性矿石。到十二世纪，中国人已发现了磁化一小块金属的方法，他们马上就用在导航用的罗盘上。公元1269年前，人们显然还没有对磁进行系统而周密的科学研究，公元1269年P. 配莱格利纽斯（Petrus Peregrinus de Maricourt）写了一篇介绍他的研究工作的论文。他用一小块球状天然磁铁吸取细微的矩形金属末，并发现它们粘附于球上的花纹同地球子午线类似。它们同子午线一样，也汇聚于磁球的两点。仿照类似的地理叫法，配莱格利纽斯决定把这两点分别叫为磁北极和磁南极。人们很快就清楚了，每个磁体都有一对磁极，如果把磁体一分为二，结果并不能得到相互分离的磁北极和磁南极，而是得到两个新磁体，每个磁体都有它自己的一对磁极。1785年查莱斯（Charles de Coulomb）得出结论：对于每个磁体，无论大小，都是如此。

其后几世纪，科学家们在完善有关磁的知识的过程中，开始研究电的本质。到十九世纪，已弄清这两种现象有内在联系。1820年，H. C. 奥斯特（Christian Oersted）向人们展示，电流产生了磁场。11年后，法拉第公开表演，说明逆过程亦然；变化着的磁场产生了电流。

电、磁之间的联系最终由苏格兰物理学家麦克斯韦以四个经典方程式的形式从数学上表示出来。这些方程式表明电场与磁场的规律几乎完全能互换。如果将表示电场的各符号用各磁场符号代替，或用电场符号取代磁场符号，各方程式实际上维持原样不变。唯一的差别在于一项，描述像电子那样的带电荷微粒的那一项。麦克斯韦未引入类似的一项，来表示带磁荷的微粒，这仅仅是因为从未有人观察到这种微粒。

给麦克斯韦方程增添描述磁单极的一项，唯一的理由是要使它们更具有艺术上的魅力。所有的电磁现象都能巧妙地得到解释，无需假设自然界中观察不到的磁单极存在。例如，天然磁石的磁场是由原子核外轨道电子造成的。这些运动着的电子形成微弱的电流，如奥斯特所证明的，它产生一个小磁场。如果原子排列得井然有序，如同在天然磁石中一样，它们的磁效应就会联合起来，形成一个强大的磁场。

但磁单极很快将成为物理学的一个基本组成部分，这一结论早在20世纪初就由量子论得出。这种崭新的理论能解释某些物理量（如能量）为何进入看不见的小包内。电荷也变成了小团块；事实上，所有带电微粒的电荷看来都是电子电荷的整数倍，而从不是其分数*。量子力学能解释这一现象吗？1931年，因预言反物质存在而名闻天下的狄拉克开始着手解决这个问题。他所作的数学推导使他得出结论，在宇宙的一隅哪怕只有一颗带磁荷的微粒（磁单极），电荷也将有量子化的必要。狄拉克继而预言，磁单极所带磁荷的大小必定为电荷数的69倍。但这种理论并未指明磁单极的质量，而这却是一个重要特性；不了解磁单极的质量，就会使搜寻磁单极的人遇到重重困难。

困难并未使搜索者望而却步。看来，假设磁单极质量不太大（可能数倍于质子质量）是合理的。这一假设同狄拉克关于磁单极磁荷的预言结合，使物理学家们得以安排一些搜寻磁单极的实验。他们在各地干了起来。

他们的搜寻活动依据下列理由：如果磁单极存在，当然就会在形成宇宙的爆炸中产生。像电荷一样，磁荷也应该是不灭的。因此，在宇宙诞生时所产生的任何磁单极都应马不停蹄地跑动，一直延续至今，由宇宙中无处不有的磁场予以加速。它们越轻，行进速度就越快；行进速度越快，穿透地球的能力就越强。所以科学家们在搜寻磁单极的过程中，找遍了地球的上上下下。有些人潜入海底，还有人登上山巅。地球的磁北极和磁南极能吸引磁单极，搜索者们已光顾过那些地方。露天磁铁矿也是引人瞩目的搜寻磁单极的场所。对月球岩石标本作过检查，对气球带上高空的照相底板进行过扫描，结果都一无所获。一位物理学家甚至还提出，磁单极在下落穿过大气层时会激发一些笔直硕长的光带。他检查了数以千计的光带图片，结果还是白费劲。

在搜寻工作继续进行的同时，理论物理学家们没有袖手旁观。1974年，荷兰乌得勒支省立大学的G. 霍夫特（Gerard't Hooft）和莫斯科附近朗道理论物理学研究院的A. 巴略可夫（Алексaндр Поляков）各自证明了，磁单极是大统一理论（GUTs）的必然产物，GUTs还能用来预言磁单极的质量。

大统一理论认为宇宙中四种基本力的三种（除引力外的电磁力、强力和弱力），实际上是同一种力的不同形式的变种。在远较现今能在宇宙中观测到的能量为高的条件下（像大爆炸中的能量），微粒子的碰撞将这种力一分为三。只有在这样的能量下，这种自然实体才原形毕露。巴略可夫和霍夫特证实，如果大统一理论奏效，磁单极将在能量极高的碰撞中生成。所预言的磁单极质量也异乎寻常，有一种说法甚至离奇怪诞：磁单极质量大约是质子质量的10¹⁶倍。用外行比较能理解的话来说，磁单极差不多同一条草履虫或一粒灰尘一样重，而它要把这么重的质量幽禁在一个远小于质子的体积内。

这一巨大的质量对磁单极搜寻者来说，意义非同小可。首先，他们能据此估计出宇宙中究竟有多少磁单极在漂游。如果磁单极数目足够多，那它们质量的总和再加上天空中已观察到的星系与尘埃云的质量，所产生的引力将早就使宇宙停止膨胀了。但宇宙仍在膨胀着，这就使科学家们能估计出宇宙中允许存在的磁单极最大数目。

作了这种计算后，卡伯热拉确定，可能存在的磁单极足够多，每年能有二个穿透他所在的斯坦福大学实验室。怎样才能检测出它是否穿过去了呢？早先，大多数磁单极探索者都信奉这一预言：由于磁单极的磁荷数相当大，所以在穿透物体时会造成不少伤害。这种预言假定，因为磁单极一直被星系磁场加速着，所以运动速度将接近光速。但霍夫特和巴略可夫所预言的那种质量极大的磁单极，运动速度将仅为光速的千分之一左右，速度相当慢，所以穿透物体时不会造成什么严重损害。按粒子物理学标准看，磁单极的质量大得惊人，从而就说明了以往的那些磁单极探求者们失败的原因，因为那些实验是设计来探测这种损伤的。卡伯热拉采用了一种不同的探索方法。

根据定义，磁单极带有磁荷。为避免在实验结果中出现模棱两可的现象，卡伯热拉安排了一种实验，它能直接测出这种磁荷而不涉及质量问题。正如法拉第在一百五十一年前所发现的那样，运动着的磁场横向掠过一根导线时，会在导线中感应出电流；发电机就基于这一原理。因此，磁单极（及伴随它的磁场）穿透一只线圈时，也会在线圈中产生电流，电流的大小取决于磁单极的磁荷。卡伯热拉决定绕一只线圈，并仔细监测其电流。如果有一个磁单极穿过线圈，就会观察到一个大小适度的电脉冲。

当然，事情并不那么简单。所观察到的电流极小，除磁单极穿过外，许多东西也能在线圈中引起电流：电力线的磁场，地磁场，带有一块金属的人在附近走动。这一切都会将卡伯热拉正在探寻的效应淹没。所以他的任务首先是把实验设备屏蔽起来，防止杂散磁场的干扰。卡伯热拉及其在斯坦福大学工作的同事们征得美国国家科学基金会、美国国家航空与航天管理局和美国国家标准局的同意，设计出一种巧妙的方法，恰好能办到这一点。

某些金属冷却到几K时，它们的电阻消失，结果，磁场实际上就无法穿透，卡伯热拉探索过这一现象。为了造就一小块无磁场空间，他将一只抽成真空的铅箔制空心球冷却到变为超导体。当他充胀这只空心球时，球壁将大部分磁场隔离在外。为确保完全消除磁场的痕迹，他在第一只球内充胀另一只空心球，并使两球分离。于是，任何可能偷偷地渗过第一只球壁的磁场都会被第二只球反射回。结果，这一小块空间内的磁场强度约为地磁场强度的十亿分之一。这是探寻磁单极的理想空间。探测装置也很简单：超导铌线圈置于空心球内。磁单极一旦穿过线圈，就会产生电流。因为没有电阻来削弱电流，所以电流就会不停地在线圈里流动，从理论上讲永无休止。电流将由一台叫SQUID（超导量子干涉器件）的灵敏装置加以检测、放大，并馈送给一台长图记录仪。

四个月来，卡伯热拉和研究生非尔切仔细地监视着实验。输出信号特别“平静”，也就是说，流过线圈的电流毫无跳动现象，在那个事关重大的星期日下午之前，无任何难以解释的事件发生。事件发生后，卡伯热拉第二天早上来到实验室，查看指示器的记录曲线，他干的第一件事是用螺丝刀柄轻敲探测仪，看看抖动是否由断线造成的。这样做使指针跳动起来，但摆动幅度与速度都不如第一次由电流引起的突跳。

卡伯热拉还给加州理工学院的一位身为地震学家的朋友挂了电话，看看在这一决定性的时刻是否发生过地震，没有发生。他查对他的小组成员是否有人在周末来过，并篡改过记录。无人来过。他开动实验室附近的机器，看看电干扰是否这次事件的罪魁祸首。毫无影响。更令人难以忘怀的是这一事实：电流幅值差不多恰好等于根据理论计算一个磁单极穿过线圈所应形成的电流值。它可能还只是一个偶然的巧合，但卡伯热拉说：“很难找到另外的解释了。”

即使卡伯热拉无法找到别的正当理由来解释这次跳动，他的结果仍尚属存疑。诺贝尔奖荣获者、斯托尼布鲁克的纽约州立大学物理学家李政道说：“一次事件不能证明一切”，这一观点得到全世界物理学家的赞同。

如果能看到更多磁单极存在的证据，才能真正地证明这一点。因为卡伯热拉的计算表明，他的仪器每年平均能探测到两个磁单极，所以他正在建造—台大型探测仪，来增加他捕获磁单极的机会。它将拥有三只检测线圈，其灵敏度将增大50倍。这次新的实验要进行好几个月。

威斯康星大学的物理学家戴· 克林（David Cline），哈佛大学的C. 鲁比亚（Carlo Rubbia）和其他一些人，正在规划一种迥然不同的磁单极探寻法。他们的实验将依据这一理论：磁单极应能吸附于铁矿上，好比磁铁能吸附于冰箱铁门上一样。将铁加热，它就会失去磁性，这就会使磁单极脱落，而它们的质量又如此之大，所以会突然落下，穿过地球。当它们下落时，文章就得在铁的下方作。

为扩大成功的机会，克林及其同事们正打算在威斯康星州黑河瀑布铁矿下方建造一台探测仪，那处铁矿每年要熔炼85万多吨铁矿石。在这一过程中，如果有磁单极释放出来，克林就将在那儿用一台同卡伯热拉的探测仪类似的装置探测到它们。克林说：“我们不得不在工业环境中进行一次极为精密的实验。”多亏了卡伯热拉的工作，克林的实验很快就要开始；卡伯热拉事件的新闻促使威斯康星大学拨给克林开始实验所需的经费。

为什么克林和其他一些人一直在规划规模比卡伯热拉实验大得多的磁单极搜索实验呢？原因在于他们认为宇宙中磁单极的数目远远少于宇宙仍在膨胀这一事实所确定的磁单极数上限值。他们受了E. 帕尔凯（Eugene Parker）的影响，他在1970年指出：“如果存在许许多多磁单极，它们就会削弱星系磁场。”但天文学家们坚信，地球的母星系银河系确有磁场。问题在于，卡伯热拉的实验（如果是对的话）表明，在周围翱翔的磁单极数至少高出Parker极限1万倍。帕尔凯说：“这个差异可不算小。略有差异可以忽略不计，比方说相差10倍吧。可这个差异不能忽略”。

那么，如果二月份的确发生了情况，卡伯热拉是如何探测到磁单极的呢？哈佛大学的理论物理学家约翰· 帕热斯基尔（John Preskill）说：“我们不能不问一问，斯坦福大学的实验怎么如此特殊？答案说不定是斯坦福大学当时靠近一颗星——我们的太阳。”帕热斯基尔的意思是，太阳附近（从而在地球附近）磁单极的密度可能远远大于它在宇宙中的平均密度。他说，可以想象，太阳在演变进程中曾历经一个大量俘获碎单极的阶段，而现在正把它们朝外喷。

如果确实如此，卡伯热拉和别的许多磁单极搜寻者就有了一次对斯坦福尖脉冲确信无疑的良机。不管怎么说，卡伯热拉的工作已在搜寻磁单极的事业中起了积极的促进作用。制造卡伯热拉实验所用的SQUID的超导氦电子产品公司已对物理学家们索取该装置有关情报的要求应接不暇。芝加哥附近费米实验室的R. 卡利加（Richard Carrigan）说：“这是令人激奋的时刻。”他正尝试在磁单极探测上效法卡伯热拉。“这是从技术上来对力进行考察，许多从事低温学（深冷）工作的人都能办到。唯卡伯热拉独具胆识，敢于一试。”卡伯热拉这样干，可能就确立了他本人在科学史上的重要地位。

（Discover，1982年7月）