1982年美国斯坦福大学的凯布雷拉发表了他观察到磁单极的事件,这一新闻震动了全世界的物理学家。开始,由于这一实验很有说服力,所以人们期待着这一长期以来有人认为是一种幻 - 粒子的磁单极终将取得其成为现实粒子的地位,尽管当时认为磁单极在数量上将比目前预测的远远较多,但认为他的观测还存在若许多问题。到目前为止,这一发现无论在哪方面仍然都不能为物理学家所接受。

有关物理学上的发现,最重要的是它的再现性,作为发现的对象,要几经重复地由发现者所确认,或者由其他研究者对相同现象进行观测,这样的重复积累,才能使发现之成为事实得到确证。

凯布雷拉在发现这一事例之后,制作了精度更高的装置,进行对同一现象的观测。同时,全世界到处还有物理学家使用同样或不同的方法,急于想证明发现磁单极的事例。但是到目前为止,包括也本人的第二次实验在内,都未能再现凯布雷拉第一次所观察到的现象。与此同时,不少科学家又指出了某些有关实验的问题。

经常配对存在的磁极

谈起磁单极,人们总会想起磁石。无论是小学教科书或者在日常生活中都会碰到磁的问题。但是熟知磁石的人对于为什么它总是N极与S极一起成对出现的事实产生疑问的人却不多了。譬如说,人们对生物体同时具有雌雄两性总觉得有些不可思议或者认为有点不自然,而对与之相当的一块磁石上同时存在N极与S极却很少感到有什么不可思议。再以电为例,也总是正电与负电独立存在,也就是说,它们总是各自分别带有阳电或阴电的个体。

要从磁石中分离出N极与S极,可以试把磁石在正中处切开,分割成两小块,结果两小块都不是各具单独一个极的磁石,总是兼有两个极的磁石。而且,不管你把它们分割得何等细微,最后总还是兼有两个极的磁石。这样总是同时出现两个极的磁石,并不是相当于由N极或S极的单独磁极的粒子集结而成的,在微观世界里,不是同样把磁石设想为具有N极与S极的一个双极单位吗?这岂不是磁与电的情况具有本质不同的地方吗?

按理,还可以考虑一下,当接通电流以后线圈就成了N极与S极的磁棒,那时产生的也必然是双极。这样说来,微观世界的双极,难道不可以认为是电的粒子运动的原因吗?于是,在我们的世界里,虽则一般地把电与磁并称,但是难道不可以说二者之间确有本质的不同吗?

狄拉克的论断

1931年狄拉克刚从量子力学与狭义相对论的成功结合转向J. J. 汤姆森首先论述过的研究量子力学的一个问题:电荷在磁单极场的运动,汤姆森已经评价了这一理论上值得注意的事实,在磁极中电磁角动量(电荷系统)不受不连续的支配。狄拉克的结论就是著名的量子化条件:

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最明显的是,狄拉克论证了宇宙中任何地方单一的磁极将说明这样一个事实,即所有电荷在实质电荷量子化中只按e的不连较整数倍数存在。单极磁荷比电荷大七十倍,这样大的磁荷的结果有二,一是当它经过物质时一个迅速运动的单极应产生重离子电离;二是单极应受到物质某些形式的制约。狄拉克关于其它单极的特性提出讨论的有:大小、形状、质量、宇称性、自旋……等。

狄拉克1931年的论文考虑到具有磁单极那样的粒子,所以在量子力学微观物理的理论中要否定这种粒子的存在,不仅没有根据,同时也否定了它所能回答的一个问题:由于这种粒子的存在所说明的为什么电量要取不连续值的原因。

实际上,我们周围的一切都是取连续值的,只有电量成了电子的电量的整数倍数。说是不可思议吧,真有点不可思议。

根据狄拉克的论文,磁粒可以叫做磁单极或者简单地叫做单极。换句话说,单极是具有N极或S极的简单磁极的粒子。这一概念自从由狄拉克提出以来,探索磁单极的努力,迄今一直由人们在进行中。

的确,由于存在带正电的质子和带负电的电子,所以带N极与S极的磁单极如果存在的话,那么电与磁不对称的现象将被认为是咄咄怪事了,本来,自然界的一切,不管是对称的或者是调和的,总被认为应该具有一些规律,事实上这种想法曾使物理学达到过不少进步的境界,那也是不容否认的事实。

可探测特性

要检出磁单极的最有效途径是利用电磁诱导的方法。电流通过导线,周围产生磁场。由于电流是电子流,可以认为带电粒子运动时以其进行方向为轴而产生圆形磁场。同理,带磁的磁单极粒子运动时它的周围就产生电场,磁单极则在线圈做成的环的正中垂直通过。如果使通过传导环:的磁通量变化,环内产生诱导电流,但由于环的材料的阻抗而迅速消失,如果令其通过超导环,那么电流非但不消失,而且磁荷能使电荷的产生持续不断地发生变化。这种电流既取决于磁荷的极性,又取决于经过环的通道的方向。电荷或磁偶极子以及不通过环的磁荷只会引起小而短暂的电流变化。

因为通过环的周围的磁通量的变化也会导致电流变化,所以超导屏蔽就被适当地用于冻结周围的场,同时也与环相互作用,根据它同环的距离减弱分支电流。在环中产生电场的电子受力运动,也就是环中有电流流动,由于环是超导态的,没有阻抗,所以磁单极通过后,电流就可以检测出来。具体地说,在超导坏中可以发现流过电流的突然增加现象。凯布雷拉的圣瓦伦丁节事件,可能由通过超导环的周围的磁通量的变化所引起,尽管他的超导屏蔽是属于世界之“最”的。

质量为质子的1016

磁单极不是直接构筑我们物质世界的材料性粒子。因为如果是的话,那么把物质不断分割下去,总可能很好地把这种粒子检出来的。但是今天的物理学家认为物质的基本粒子是夸克、轻子等等。因此磁单极的检出,必须借重于人工,并集中足够大的能量,二者缺一不可。迄今,每一次高能粒子加速器的建成,都对检出磁单极作了努力,当付出了相当于质子质量几百倍的能的代价后,仍然没有检出磁单极。

根据最近关于基本粒子的具有说服力的理论,磁单极的粒子大概有存在的可能。而且一个磁单极的质量大概是质子质量的1016倍左右。

到目前为止,人类所能自由产生的能,充其量只相当于质子质量的几百倍左右,而且今后也无从考虑会有飞跃的提高。本来嘛,像这种具有为燃烧或爆炸所产生的化学能的一万亿倍的能的磁单极,理论上也是无法用人工制成的。

大爆炸的化石

目前,大爆炸的理论认为,我们的宇宙是当100亿 ~ 200亿年前由于大爆炸而诞生的。诞生当时的宇宙是无限小与无穷大的能的凝聚。那里,从充斥于宇宙空间的能无限地产生N极磁单极与S极磁单极对。这样无限的由“单”成“对”而产生了无穷的能。但是由于宇宙的急剧膨胀,一小部分的磁单极来不及配对消失,而单独存在了下去。这样,磁单极就作为与时宇宙的化石而到处存在于目前的宇宙之中,这种磁单极的速度约为光速的百分之一,质量又很大,所以它的动量之大能使其穿过地球。所以,如果凯布雷拉的实验正确的话,无论在物理学上或宇宙论方面都将是本世纪的一个莫大发现。

最后,引用美国费米国家加速器实验室R. 卡里根的一段话作结:

“斯坦福的一次孤立而未确证的事例,只能是磁单极可能存在的证据。由狄拉克关于磁单极可能解释电荷的量子化与玻利雅可夫(t'Hooft-Polyakov)所论证的磁单极是许多规范理论的不可避免的结论所导致的磁单极在理论上所拥有的极强动力,正被用于统一电弱(光子 - 轻子)与核(夸克)相互作用。斯坦福事例指出的磁单极的充斥性,在数量上同天文学的数据显然相互矛盾。所幸的是,探测技术已经相当强,尚在扩展中的武库,正在实验方面适合于测试环绕磁单极的许多公开问题。”

[Nature,《科学朝日》]

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*凯布雷拉事件发生于1982年2月14日,刚好是西俗的圣瓦伦丁节日(情人节),所以有人把它称为斯坦福的圣瓦伦丁节事件。——译者