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寻找宇宙中最神秘的粒子,自然界中是否也可能存在着“磁单极子”

命里一条鱼

如果把一块磁铁断开,就会得到两个分别具有南北磁极的小磁铁,而不是独立的南磁极和北磁极。在物理上,符号相反的一对电荷或磁荷被称之为偶极子。如果只有一个出现,就称之为单极子。电单极很普遍,任何一个带有电荷的基本粒子都是,比如电子或者夸克。那么,在自然界,是否也可能存在着“磁单极子”?RzN北方头条_头条新闻

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○ 所有的磁铁都同时拥有南极和北极(插图),其中线条代表了磁场的方向。但有没有可能自然界也存在着独立的南北磁极?RzN北方头条_头条新闻

有电磁学基础的读者都知道,我们有电荷、电流和电场,但从来没有磁荷和磁流,而只有磁场。通过改变磁场可以驱使电子移动,但是不可以通过改变电场来使磁荷移动,因为磁荷并不存在。换句话说,宇宙中的电和磁之间有着基本的不对称性。这也是为什么麦克斯韦方程组中的电场(E)和磁场(B)方程看起来如此的不同。从方程 ▽•B = 0 我们也可以看出这样一个经验事实:磁单极子并不存在。RzN北方头条_头条新闻

如果我们假设自然界中的确存在着磁荷和磁流,只是它们还没有被发现而已。那么我们就会发现,除了一些基本常数的不同外,麦克斯韦方程看起来非常的对称!因此,仅从美学的角度而言(电学和磁学之间的对称性),大多数人都愿意去相信磁单极子的存在。RzN北方头条_头条新闻

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○ 麦克斯韦方程组。RzN北方头条_头条新闻

其实,早在1931的时候,物理学家狄拉克(Paul Dirac)在向《皇家学会学报》递交了一篇题为“电磁场的量子化异常”(Quantised Singularities in the Electromagnetic Field)的论文中,就预言了磁单极子的存在与量子理论是一致的。狄拉克最初的目标并不是为了创立一个磁单极子的理论,它的出现似乎只是一个偶然结果,是在解释基本电荷存在这一更基本的研究中出现的一个副产品。RzN北方头条_头条新闻

今天,有许多前沿理论都包含了磁单极子的解,比如大统一理论(GUTs)、弦理论和M-理论。这是因为,如果我们能够在自然界中发现磁单极子,就可以:RzN北方头条_头条新闻

解释电荷的量子化;RzN北方头条_头条新闻

在根本上改变我们对电磁学的理解;RzN北方头条_头条新闻

为大统一理论和弦理论提供更多的洞见;RzN北方头条_头条新闻

对天体物理学和宇宙学有革命性的影响。因为如果在对撞机中能够发现磁单极子,那么它们也应该在早期的宇宙中产生。RzN北方头条_头条新闻

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○ 磁单极子:存在或不存在?RzN北方头条_头条新闻

但问题是,它们究竟在哪里?在历史上,寻找磁单极子最著名的实验发生在1982年的情人节:在卡布雷拉(Blas cabrera)的实验室中,记录到了一次8磁子的信号,这意味着有一个磁单极子通过了超导线圈!这个发现引起了物理学家极大的热情。此后,卡布雷拉建造了更大型的探测器,想要寻找更多这样的信号,却再也没有找到。物理学家温伯格(Steven Weinberg)为此在1983年的情人节还专门写了一首诗给卡布雷拉:RzN北方头条_头条新闻

玫瑰是红色的,RzN北方头条_头条新闻

紫罗兰是蓝色的,RzN北方头条_头条新闻

是时候找到磁单极子了,RzN北方头条_头条新闻

第二个!RzN北方头条_头条新闻

但是,第二个磁单极子再也没出现过。难道卡布雷拉的实验结果是一个极其不可能的故障?难道在宇宙中只有这么一个唯一的磁单极子正好经过他的探测器?尽管他的实验不能用其他原因作解释,但即没有被证明是错的,又同样没有被确认是对的。一个单独的事件并不足以改变磁单极子的命运——从一个理论预言的粒子到一个真实存在于自然界中的粒子!RzN北方头条_头条新闻

几十年来,科学家并没有放弃过寻找磁单极子的梦想,但均为成功。下面是两个关于捕捉磁单极子的最新进展:RzN北方头条_头条新闻

1. 在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)中,有一个实验被称为MoEDAL,它的首要目标就是用来寻找在LHC中直接产生的磁单极子。2017年12月29日,MoEDAL团队在arXiv.org发表了他们的最新成果:尽管分析的数据是之前实验的六倍之多,但依然没有发现磁单极子的踪迹。实验结果对这些假想的粒子与普通粒子间的相互作用做出了最严格的限制。RzN北方头条_头条新闻

2. 磁单极子也可以出现在磁场非常强、温度非常高的地方。在这些条件下,很可能会自发的形成磁单极子对。这种极端的环境可以在一种被称为磁星的特殊死亡恒星的周围找到,也可以在粒子加速器中重原子核碰撞后产生。通过研究这两种情景,来自英国帝国理工的两位科学家Arttu Rajantie和Oliver Gould在不基于任何假设下的情况下对磁单极子的质量作出了最新的限制,其结果发表在2017年12月15日的物理评论快报。RzN北方头条_头条新闻

磁单极子,存在,还是不存在?目前,我们依旧无法回答,这是一个只有依靠实验才能解决的问题。或许是因为磁单极子太重了,以至于它们无法在加速器或天体物理过程中产生。又或许,自然在某些程度上就是不对称的。RzN北方头条_头条新闻

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图片来自网络RzN北方头条_头条新闻

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