磁单极子真的存在吗?

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所属分类:百科知识2010年

把一根磁棒截成两段,可以得到两根新磁棒,它们都有南极和北极。事实上,不管你怎样切割,新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。因此,人们认为磁体的两极总是成对出现,自然界中不会存在单个磁极。然而,磁和电有很多相似之处。例如,同种电荷互相推斥,异种电荷互相吸引;同名磁极也互相推斥,异名磁极也互相吸引。用摩擦的方法能使物体带上电,如果用磁铁的一极在一根钢棒上沿同一方向摩擦几次,也能使钢棒磁化。但是,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呢?多年来,人们百思而不得其解。

  

  伟大的预言

  

  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,并已经被实验所证实;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。

  

  艰难的寻找

  

  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:一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射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,但没有测出任何磁单极子。

  

  曙光初现

  

  在今年9月3日出版的《科学》杂志上,发表了一个令人惊喜的研究成果:德国科学家首次观测到了磁单极子的存在,以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森·莫里斯和阿兰·坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。在此项工作中,研究人员首次证实了磁单极子以物质的非常态存在,即它们的出现是由偶极子的特殊排列促成的,这和材料的组成方式完全不同。除了上述基本知识外,莫里斯对此结果进行了进一步的解释,他认为此项工作正在书写新的物质基本属性。

  

  磁单极子应用的运想

  

  磁单极子的发现意义重大,能够使新能源的利用和开发迈进一大步。而最贴近人们生活的,就是磁悬浮列车的制造技术将有质的飞跃,因为在车的悬浮运行中可消除磁损耗和热损耗。使车行更安全、更经济。想象一下吧,如果我们拥有一个仅具有南极或者北极的物体,那么它的很多应用都不会受到我们不需要的那个磁极的影响。比如真正意义上的直流发电机将离我们不再遥远。

  众所周知,每个磁铁都有N极和S极。展开一下联想,谁会有相似的性质呢?答案就是正负电荷。任何原子都是由质子和中子构成的核以及围绕在核外不停运动的电子构成的,而正电荷存在于质子中,因而显正电。我们为何不能把电荷换成磁单极子,而构成一种新的原子呢?当我们把N极子(或S极子)和其他基本粒子“组装”成质子,再与中子(也可能是重新组装成的中子)按不同数量和次序组装成核,外面再环绕一些S极子(或N极子)。这样我们不就能绘制出一幅新的元素周期表了吗?

  显然,由这些原子构成的新物质会有令人意想不到的性质,而我们将这些物质应用到实际当中不是更好吗?比如,这些元素中的金属将不会再导电,而是导磁。因为在磁场的作用下,金属中的自由磁单极子会发生定向移动,而且性能会相当好。也许有一天我们就可以利用这种金属制成的电线输送能源。再比如,大家都知道,光的本质是电磁波,我们也可以制造出新型的太阳能发电材料。当光照射到这种材料上面时,光会与材料表面中的磁单极子发生“共振”从而产生新的磁场,达到发“电”的目的。

  

  [责任编辑] 蒲晖

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