磁單極子真的存在嗎?

把一根磁棒截成兩段，可以得到兩根新磁棒，它們都有南極和北極。事實上，不管你怎樣切割，新得到的每一段小磁鐵總有兩個磁極。因此，人們認為磁體的兩極總是成對出現，自然界中不會存在單個磁極。然而，磁和電有很多相似之處。例如，同種電荷互相推斥，異種電荷互相吸引；同名磁極也互相推斥，異名磁極也互相吸引。用摩擦的方法能使物體帶上電，如果用磁鐵的一極在一根鋼棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鋼棒磁化。但是，為什么正、負電荷能夠單獨存在，而單個磁極卻不能單獨存在呢?多年來，人們百思而不得其解。

偉大的預言

1931年，著名的英國物理學家狄拉克首先從理論上用極精美的公式預言，磁單極子是可以獨立存在的。他認為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應有基本磁荷——磁單極子存在，這樣，電磁現象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據電動力學和量子力學的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。以前，狄拉克曾經預言過正電子的存在，并已經被實驗所證實；這一次他的磁單極子假設同樣震驚了科學界。

在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，還有其他一些科學家也曾提出過多種學說，各有其特點和根據。如著名的美籍意大利物理學家費米也曾經從理論上探討過磁單極子，并且也認為它的存在是可能的。華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等一些著名的科學家，也從不同方面不同程度地對磁單極子理論做出了補充和完善。它們彌補了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極子的設想輔以更堅實的理論基礎。

艱難的尋找

隨著磁單極子的提出，科學界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。人們絞盡腦汁，采用了各種各樣的方法，去尋找這種理論上的磁單極子。

科學家首先把尋找的重點放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上，因為他們覺得這些物體中，會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結果卻令他們大失所望：無論是在“土生土長”的地球物質中，還是那些屬于“不速之客”的地球之外的天體物質中，均未發現磁單極子!

高能加速器是科學家實現尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段。科學家利用高能加速器加速核子(例如質子)，以之沖擊原子核，希望這樣能夠使理論中的緊密結合的正負磁單極子分離，以求找到磁單極子。美國的科學家利用同步回旋加速器，多次用高能質子與輕原子核碰撞，但是也沒有發現有磁單極子產生的跡象。這樣的實驗已經做了很多次，得到的都是否定的結果。

古老巖石探測和加速器實驗所遭到的挫折，并沒有使科學家們氣餒，反而更加激發了他們的斗志，并促使他們廣開思路，想到了這也許是因為加速器的能量不夠大的緣故。他們一方面試圖研制出功能更加強大的加速器；一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線，試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據有兩方面：一種是宇宙射線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產生磁單極子。他們曾經把希望寄托在一套高效能的裝置上，因為這種裝置可以捕捉并記錄到非常微小、速度非常快的電磁現象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙射線中的磁單極子吸附上，遺憾的是這套裝置也未能使他們如愿以償，滿腔希望的他們又遭受了一次失望的打擊。

但是，科學家們并不因此氣餒和放棄，他們仍在不斷地尋找著機會。人類登月飛行的實現，又重新在科學家心目中燃起了熊熊的希望之火，讓科學家把目光投向那寂靜荒涼的地方，因為月球上既沒有大氣，磁場又極微弱，應該是尋找磁單極子的好場所。1973年，科學家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運回的月巖進行了檢測，而且使用了極靈敏的儀器，但沒有測出任何磁單極子。

曙光初現

在今年9月3日出版的《科學》雜志上，發表了一個令人驚喜的研究成果：德國科學家首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實際材料中出現的過程。德國亥姆霍茲聯合會研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應堆中進行了一次中子散射實驗。在此項工作中，研究人員首次證實了磁單極子以物質的非常態存在，即它們的出現是由偶極子的特殊排列促成的，這和材料的組成方式完全不同。除了上述基本知識外，莫里斯對此結果進行了進一步的解釋，他認為此項工作正在書寫新的物質基本屬性。

磁單極子應用的運想

磁單極子的發現意義重大，能夠使新能源的利用和開發邁進一大步。而最貼近人們生活的，就是磁懸浮列車的制造技術將有質的飛躍，因為在車的懸浮運行中可消除磁損耗和熱損耗。使車行更安全、更經濟。想象一下吧，如果我們擁有一個僅具有南極或者北極的物體，那么它的很多應用都不會受到我們不需要的那個磁極的影響。比如真正意義上的直流發電機將離我們不再遙遠。

眾所周知，每個磁鐵都有N極和S極。展開一下聯想，誰會有相似的性質呢?答案就是正負電荷。任何原子都是由質子和中子構成的核以及圍繞在核外不停運動的電子構成的，而正電荷存在于質子中，因而顯正電。我們為何不能把電荷換成磁單極子，而構成一種新的原子呢?當我們把N極子(或S極子)和其他基本粒子“組裝”成質子，再與中子(也可能是重新組裝成的中子)按不同數量和次序組裝成核，外面再環繞一些S極子(或N極子)。這樣我們不就能繪制出一幅新的元素周期表了嗎?

顯然，由這些原子構成的新物質會有令人意想不到的性質，而我們將這些物質應用到實際當中不是更好嗎?比如，這些元素中的金屬將不會再導電，而是導磁。因為在磁場的作用下，金屬中的自由磁單極子會發生定向移動，而且性能會相當好。也許有一天我們就可以利用這種金屬制成的電線輸送能源。再比如，大家都知道，光的本質是電磁波，我們也可以制造出新型的太陽能發電材料。當光照射到這種材料上面時，光會與材料表面中的磁單極子發生“共振”從而產生新的磁場，達到發“電”的目的。

[責任編輯] 蒲暉