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找不到的磁单极子
  发布者:学科专家   来源:上海物理教育网  发布时间:2014-06-20

    这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质,如果找到了它们,不仅现有的电磁理论要作重大修改,而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。

电磁疑云

电磁,电磁,在许多人的印象里,电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟,也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶。说到电,必然也会说到磁;提到磁,自然也离不开电。如充满宇宙中的电磁波,它们对于我们来说简直就是如雷贯耳,因为它们对宇宙天体和生命物质发挥着极为重要的作用,它们就是电性和磁性的统一体。

电和磁确实有许多相似之处:带电体周围有电场,磁体周围也有磁场;同种电荷相斥,同名磁极也相斥;异种电荷相吸,异名磁极也相吸;变化的电场能激发磁场,变化的磁场也能激发电场;用摩擦的方法能使物体带上电,如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次,也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。

但是,实际上,就像再美满恩爱的夫妻也会有性格上的差异和其它方面的不谐调,磁和电这对佳偶也并非是完全对称的,这种不对称性不论从宏观还是微观上都有所反映。在宏观上,从地球、月球、行星到恒星、银河系和河外星系,不可胜数的天体以及辽阔无垠的星际空间,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,对丰富多彩的天文学似乎毫无建树。而从微观上看:在磁与电的关系中,磁性是更为本质的东西,我们可以用磁来制约电,却不能用电来制约磁(用电产生磁,例如电磁铁,则是另外一回事)。在电现象里,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;而磁体的两极总是成对出现,无论磁针被分割成多少部分,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,长久以来,人们从来没有发现过单独存在的磁极——磁单极子。

多少年来,人们一直对电、磁这种宏观和微观上的不对称感到困惑不解,特别是为什么正、负电荷能够单独存在,而单个磁极却不能单独存在,对此人们更是充满了诸多的疑问。

那么,磁单极子到底存不存在呢?1931年,著名的英国物理学家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就可以得到保证。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。以前,狄拉克曾经预言过正电子的存在,并已经为实验所证实;这一次他的磁单极子假设同样震惊了科学界。

在磁单极子的理论研究方面,除狄拉克最早提出的磁单极子学说外,还有其他一些科学家也曾提出过多种的学说,各有其特点和根据。如著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上探讨过磁单极子,并且也认为它的存在是可能的。华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家,也从不同方面和不同程度地对磁单极子理论做出了补充和完善。它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足,给磁单极子的设想辅以更坚实的理论基础。

踪迹难寻

随着磁单极子的提出,科学界由此掀起了一场寻找磁单极子的狂潮。人们绞尽脑汁,采用了各种各样的方法,去寻找这种理论上的磁单极子。

科学家首先把寻找的重点放在古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石上,因为他们觉得这些物体中,会隐藏着磁单极子这种“小精灵”。然而结果却令他们大失所望:无论是在“土生土长”的地球物质中,还是那些属于“不速之客”的地球之外的天体物质中,均未发现磁单极子!

高能加速器是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段。科学家利用高能加速器加速核子(例如质子),以之冲击原子核,希望这样能够使理论中的紧密结合的正负磁单极子分离,以求找到磁单极子。美国的科学家利用同步回旋加速器,多次用高能质子与轻原子核碰撞,但是也没有发现有磁单极子产生的迹象。这样的实验已经做了很多次,得到的都是否定的结果。

古老岩石探测和加速器实验所遭到的挫折,并没有使科学家们气馁,反而更加激发了他们的斗志,并促使他们广开思路,想到了这也许是因为加速器的能量不够大的缘故,他们一方面试图研制出功能更加强大的加速器,一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射线,试图从宇宙射线中找到磁单极子的踪影。从宇宙射线中寻找磁单极子的理论根据有两方面:—种是宇宙射线本身可能含有磁单极子,另一种是宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子。他们曾经把希望寄托在一套高效能的装置上,因为这种装置可以捕捉并记录到非常微小、速度非常快的电磁现象。他们期待着利用这套装置能把宇宙线中的磁单极子吸附上,遗憾的是这套装置也未能使他们如愿以偿,满腔希望的他们又遭受了一次沉重的失望的打击。

但是,科学家们并不因此气馁和放弃,他们仍在不断地寻找着机会。人类登月飞行的实现,又重新在科学家心目中燃起了熊熊的希望之火,让科学家把目光投向那寂静荒凉的地方,因为月球上既没有大气,磁场又极微弱,应该是寻找磁单极子的好场所。1973年,科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测,而且使用了极灵敏的仪器。但出人意料的是,竟没有测出任何磁单极子。

曙光曾现

在对磁单极子进行寻找的过程中,人们“收获”到的总是一次又一次地失望。不过,在一次又一次沉重、浓郁的失败的晦暗中间,也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光。

有一些物理学家认为,磁单极子对周围物质有很强的吸引力,所以它们在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹。根据这一特点,1975年,美国的一个科研小组,用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空,经过几昼夜宇宙射线的照射,发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹,他们欣喜若狂,于是迫不及待地在随后召开的一次国际会议上声称,他们找到了磁单极子。但是,对于那是否真的是磁单极子留下的痕迹,会上争论很大,大多数科学家认为那些痕迹很明显是重离子留下的,但试验者还是坚持认为那是磁单极子留下的“杰作”。双方为此展开了激烈的争论,谁也说服不了谁。所以,到目前为止,这些痕迹到底是谁留下的,还是桩难以了断的“悬案”。

1982年,美国物理学家凯布雷拉宣布,在他的实验仪器中发现了一个磁单极子。他采用一种称为超导量子干涉式磁强计的仪器,在实验室中进行了151天的实验观察记录,经过周密分析,实验所得的数据与磁单极子理论所提出的磁场单极子产生的条件基本吻合,因此他认为这是磁单极子穿过了仪器中的超导线圈。不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象,所以这一事例还不能确证磁单极子的存在。

最近,一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说,他们发现了磁单极子存在的间接证据,他们在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应,并且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象。

虽然这些“发现”最终都没有得到很确凿的认证,但还是给科学家们增添了很大的信心。

反常霍尔效应:美国物理学家霍尔(1855-1938)发现,如果对位于磁场中的导体施加一个电压,该磁场的方向垂直于所施加电压的方向,那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压,人们将这个电压叫做霍尔电压,产生这种现象被称为霍尔效应。更通俗地说,就是导体中有电流时,就有电荷载子在里面移动。而当导体内有磁场时,导体内的电荷载子运动就会受影响,这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去。好比一条路,本来大家是均匀地分布在路面上,往前移动,当有磁场时,大家可能会被推到靠路的右边行走。故路(导体)的两侧,就会产生电压差。铁磁材料的霍尔效应通常由两部分构成,一般非磁金属材料的电阻应正比于外加磁场,称为一般霍尔效应。然而在铁磁金属材料中,其电阻还与材料的磁化强度有关,此项被称为反常霍尔效应。

 
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游客     发表评论于:2016-1-11 11:43:25
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