怎么证明“磁单极子”的存在,磁单极子存在么

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那么，磁极的“单身汉”——“磁单极子”是否的确存在呢？人们开始做实验。他们将一根具有南北极的磁棒一分为二，奇怪的是，这时不是得到两根各具有一个极的磁棒，而是得到两根各有南北两个极的磁棒！人们这时大声质问苍天：“‘电磁相似’”到哪里去了？自然界的对称性到哪里去了？”有没有只有一个极的磁棒？“磁单极子”到哪里找寻？
　　自从1931年英国物理学家狄拉克(1902～1984)预言磁也应有基本“磁荷”——“磁单极子”以来，人们寻找了50来年，然而仍一无所获。不过人们却执著依旧：既然有基本电荷，必然会有基本“磁荷”，找到“磁单极子”只是时间早晚的问题。
　　这一天似乎终于来到了。1982年2月14日，美国斯坦福大学的布莱斯·凯布雷拉在研究宇宙射线时，利用他精心设计的一个超导线圈发现了一个游荡在宇宙空间的“磁单极子”。他还声称，平均每隔151天就能观测到一次这种“磁单极子”。他的实验原理是：在完全屏蔽外界磁场的铅圆筒中，放置低温超导线圈，平时在线圈内没有电流，当“磁单极子”进入铅筒，穿过线圈时，由于电磁感应原理，会产生感生电流。他由实验所得的数据，跟用“磁单极子”理论计算的结果符合。次年5月消息公开后，人们觉得这太有意义和有趣了。它的趣味在于2月14日正好是西方一年一度的“情人节”，在应该“成双成对”的情人节里竟发现一个“单身汉”，一时在科学界成为趣谈。
　　不过，这件事很快就被人们淡化了。因为凯布雷拉没有能再次观察到那次实验中的现象，换句话说，他的实验没有“可重复性”。可重复性是设计实验必须遵守的一条基本原则，因为事物规律的一个表现，就是在相同的条件下能够不断重复出现。能重复出现说明实验真实可靠，不能重复出现，说明实验可能有误。总之，他的发现不能被由他设计的实验所证实。
　　又过了大约3年，英国伦敦帝国学院的科学家们宣称，他们的探测器在经过1年的工作之后，在1985年3月获得了一个“磁单极子”飘过时应有的讯号。不过，他们也认为，其他物理效应也可能在该仪器中出现类似信号。因此，还要做排除这些效应的试验，方能确证有“磁单极子”。因而，这一实验也不能确证“磁单极子”的存在。
　　不过，这两起事件并不是仅有的似乎发现“磁单极子”的例子。早在1973年9月，美国加利福尼亚大学和休斯顿大学组成的联合科研小组在做高能宇宙线实验时，从照片中发现了一条游离度很大的径迹。经过近两年的分析研究，他们认为这就是“磁单极子”的轨迹。这一消息公布后，当时也引起了轰动，但也引起了非议。有的物理学家指出，原子序数接近96、速度为光速0.72倍的超重宇宙射线粒子也可能产生这种径迹；还有人认为，这种径迹也可能是重原子核在检测器中受到其他原子核的作用后产生的。总之，上述径迹不能证明“磁单极子”的存在。不过，这场“虚惊”也有益，它使前述凯布雷拉审慎地推迟1年多才发表其成果。
　　虽然这么多年没能找到这位神秘的“单身汉”，但人们却矢志不渝，从岩石中、从宇宙射线中、从加速器中去找寻。而且还把原来“磁单极子”的理论进行了更深入地探讨。
　　那么，人们为什么要对这位推测在宇宙初期形成的、残存数很少且游离在广袤宇宙中的“单身汉”如此“钟情”呢？这还得从头说起。
　　理论上预言的“磁单极子”的磁感应强度，大约是电子磁场的137倍，而质量则为质子的200(一说1015)倍，可见其磁场是很强的。举例来说，在距一个“磁单极子”1厘米处，磁场是3×10－12特斯拉，而目前探测磁场的精密度已超过10－15特斯拉(这就完全可以探测到它的磁场)；两个“磁单极子”之间的作用力大约是一个电子和一个质子间引力的18 000倍！磁单极子还有一个有趣的性质，它受反磁物质排斥，与顺磁物质相吸引——这与一般磁铁并不排斥反磁物质有所不同。
　　如果发现“磁单极子”，这将在理论和实践中都有重大的意义。
　　在理论上，麦克斯韦的电磁理论将要被修改，因为他的电磁理论方程组中有一个方程是反映自然界中不存在磁单极的；电荷的量子化将得到很好的解释；人们将从新角度来审视各种守恒定律；电荷的磁荷组成的系统会出现新特性。此外，人们对太阳的两个磁极竟在一年中有几个月极性变得相同的现象，也许可以作出正确解释。
　　在科研中，可用“磁单极子”建造比目前的加速器能量高得多的粒子加速器。例如，估计一座周长为两米的这种加速器，其性能可能超过目前周长约900米的加速器。这显然会给粒子物理的研究带来许多好处。
　　在工业中，可用它造出小型、高效的电动机和发电机，而这些超小电机是人造假肢、人工智能梦寐以求的驱动设备。有人甚至设想，如果有办法控制“磁单极子”的场强和极性，人们可以利用它在地球磁场中的势能推动船舶航行，也可用它开发新的能源。
　　在医学上，可以用它治疗当今药物不能完全治疗或不能治疗的疾病，例如癌症。
　　总而言之，如果发现“磁单极子”，将会在物理基础理论的发展上，甚至在整个科学、哲学上都有重大意义和影响，也将对技术的发展产生很大的影响。

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科学家首次在实物中发现磁单极子的存在
　　　　日期：2009年09月11日
　　 来源：科技部
　　　　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9月3日出版的《科学》杂志上。
　　　　磁单极子是科学家在理论物理学弦理论中提出的仅带有北极或南极单一磁极的假设性磁性粒子。在物质世界中，这是相当特殊的，因为磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形式成对出现。磁单极子这种物质的存在性在科学界时有纷争，迄今为止科学家们还未曾发现过这种物质，因此，磁单极子可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。
　　　　英国物理学家保罗·狄拉克早在1931年就利用数学公式预言磁单极子存在于携带磁场的管（所谓的狄拉克弦）的末端。当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在，从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极子的工作。
　　　　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。不过，最重要是，它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离。
　　　　（科技日报）