麦克斯韦方程组要改写--磁单极子终于找到了 终于找到了答案800
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。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。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。与磁单子理论不断“前进”的形势相比,对磁单极子的寻找却几乎是“原地踏步”,理论和实践相比,出现了极大的“不对称”,实践成了磁单子学说中的一条“短腿”。从20世纪到21世纪,世界各地都在寻找磁单极子,在陆地、在海洋、在太空、在深海沉积物中、在月球的岩石上,却还是很难发现磁单极子的蛛丝马迹。对于这种状况,完全可以用这样的诗句来形容:“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”。
经历了这么长时间的寻找,可以说没有一个科学家敢于理直气壮地声称自己完全真正找到了磁单极子,于是,导致了关于磁单极子是否真的存在的疑云的产生,并且这种疑云渐渐地越积越厚,浓重地笼罩着科学界,并引发了新一轮的、更加激烈的关于磁单极子的争议。磁单极子理论自提出以来迄今,已逾半个多世纪,长期不能被证实,也不能被否定,这在科学史上是罕见的,因为一般的科学假设如果在这么长的时间内未被证实,人们就会将此假设否定或放弃。总的看来,涉及磁学、电磁对称、宇宙早期演化和微观基本粒子结构等多方面的磁单极子问题还需要从实验观测和理论方面继续进行研究,对它的寻找绝不应半途而废,否则就会前功尽弃。当然,要找到磁单极子,并不是件简单容易的事情,而是一项长期而艰巨的任务,仍然要付出许多时间和精力,甚至可能要经过好几代人的努力,但科学家们绝不会轻言放弃。
首次发现磁单极子德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下,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。该研究成果发表在2009年9月3日出版的《科学》杂志上。
科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子,包括使用粒子加速器人工制造磁单极子,但均无收获。此次,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。他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体,这种材料可结晶成相当显著的几何形状,也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下,研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”,此名得自于偶极子本身的次序。如此一个可控的管(弦)网络就可通过磁通量的传输得以形成,这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到,于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。
在中子散射测量过程中,研究人员对晶体施加一个磁场,利用这个磁场就可影响弦的对称和方向,从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果,在0.6K到2K温度条件下,这些弦是可见的,并在其两端出现了磁单极子。
研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在,也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。
在此项工作中,研究人员首次证实了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,这和材料的组分完全不同。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。一般来说,这些属性对于具有相同拓扑结构(烧录石晶格上的磁矩)的材料来说都是适用的。
研究人员认为,此项技术将产生重要的影响。最重要的是,它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离;其次,物理学界著名的麦克斯韦方程组将要因此而改写。
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