磁單極子之謎:為什麼沒有單一磁極的磁鐵

導語：我們可以從理論和實驗兩方面來看電磁場理論。麥克斯韋方程組是經典的電磁場理論，但是這個理論並不能完美解釋為何我們找不到磁單極子，也不能解釋為何電荷都是以固定值存在的。當科學家將麥克斯韋方程組拓展到包含磁單極子，電荷就只能以固定值存在，這使得經典電磁場理論與量子電動力學得到了統一。而在實驗方面，在實驗室裡構造類磁單極子、通過大型強子對撞機尋找磁單極子、甚至是在浩渺無垠的宇宙裡尋找它的存在，人們一直沒有放棄過對磁單極子的探索。磁單極子真的存在嗎？還是這只是人們對電磁對偶一廂情願的想法？作者把這個問題留給了我們自己。

關鍵字：電磁理論  電磁對偶  磁單極子

你很可能已經聽說過希格斯玻色子了。早在很久以前就有人預測了這種難以捉摸的粒子的存在，它的存在也幫助了人們解釋宇宙為什麼像現在這樣運轉。但我們仍舊花了幾十年時間去尋找它。
不過，量子力學還預測了一種難以捉摸的粒子的存在，這種粒子困擾了人們更長時間。事實上，我們一直試著尋找它，但我們至今沒有找到過哪怕一個這種粒子。
這就是磁單極子。它的一些特性使得它比其他粒子更特別。

磁與電的相似性
對物理感興趣的人大概已經對電單極子有過了解了，不過你可能更熟悉它的另一個名字：電荷。
在電場裡不同的電荷有著不同的反應，正電荷從正極運動到負極，負電荷從負極運動到正極。電荷的正負又稱為電荷的「性」，同性電荷相互排斥，異性電荷相互吸引。
（譯註1，為解釋清楚正負電荷的定義，這裡沒有完全按照英文翻譯。）
電單極子以帶有一個正電荷或一個負電荷的粒子形式存在，比如說電子，以及質子。
乍看之下，磁場跟電場有點相似。就場的方向來看，磁體從磁場的北極運動到南極，人們藉此定義磁場的方向。
（譯註2，電場的負極方向是電場中正電荷運動的方向，磁場的南極是磁場中磁體運動的方向，因此作者說電場和磁場相似。）
然而，當我們試圖在磁場中尋找電荷的對應物時，這種對稱性卻被打破了。我們能夠找到以帶電粒子的形式存在的電單極子，但我們卻從未觀測到過磁單極子。
跟電場相反，磁體總是以偶極子的形式存在，有一個北極和一個南極。當一整塊長條磁鐵被分成兩半，你不可能得到一塊只有北極的磁鐵和一塊只有南極的磁鐵。相反的，你會得到兩塊新的、更小的磁鐵，每一塊磁鐵都有南極和北極。
即使你將那塊磁鐵分成獨立的粒子，你還是只能得到磁偶極子。
回顧已經建立的磁學，我們能夠在麥克斯韋方程組中看到電學與磁學的連續性，並將其整合成傳統的電磁場理論。
麥克斯韋早在1861年到1862年間就發布了這一方程組，它們直到今天還相當有用，不論是在工程、通信、醫學領域還是別的一些領域上。
但是，這組方程中的其中一個方程——磁場高斯定理——表明了世界上並沒有磁單極子。
我們日常所觀察到的磁性都來自於電荷移動。帶電粒子沿路徑移動（比如電子沿導線運動）形成電流，而這種電流激發了環繞電流流動方向的磁場。
第二種形成磁性的原因跟量子力學中的「自旋」概念有關。比起慣常認定的帶電粒子按固定方向移動，我們可以將自旋看成帶電粒子繞一個軸旋轉。
自旋使得粒子產生了一個角動量，而這個角動量使得帶電粒子表現得像磁雙極子（比如，一個很小很小的條狀磁鐵就是一個磁雙極子）。這個解釋意味著，我們不需要磁單極子也可以描述磁場產生的現象。
但是，由於傳統的電磁場理論與我們所觀測到的現象沒有矛盾，這並不意味著沒有磁單極子的存在。相反，這僅僅意味著我們還沒有觀測到過磁單極子。
看向理論更深奧晦澀的部分，我們將會找到對磁單極子存在性的一些有趣爭論。

對稱性的誘惑
1894年，諾獎得主Pierre Curie（譯註，即我們熟知的居裡夫人的丈夫）描繪了一種未被發現的粒子存在的可能性，目前沒有理論能否定它的存在。
更晚一些時候，在1931年，諾獎得主Paul Dirac拓展了麥克斯韋方程組使其包含磁單極子，展示了麥克斯韋方程組的一種未被證實的可能性。在這種情況下電荷只能取一些特定的值，不能任意取值。
（譯註，為避免誤導，本段有添字。）
而電荷的量子化是量子力學的要求，所以，Dirac的工作向人們展示了傳統電磁理論與量子電動力學理論的兼容性。
（譯註，電荷的量子化即指上文的「電荷只能取一些特定的值，不能任意取值」）
不管怎樣，有的物理學家執著於自然理論的對稱之美。由於磁單極子的存在將預示著電場和磁場間存在對偶性，那些預言磁單極子存在的理論是讓人著迷的。
對偶性，在物理當中，意味著一種理論跟另一種完全不同的理論有相似性。
如果電場力跟磁場力有完全的相似性，那也許另一種力也會跟其他力有相似性。也許強力和弱力之間也會存在某種聯繫，使得所有力的大一統理論成為可能。
不過，大一統理論具有的迷人對稱性並不能說明它的正確性，我們還需要更多證據。
 

單一的磁單極子可能藏在我們沒找到的地方。 CERN/MoEDAL

單極子的匹配
通過在波色-愛因斯坦凝聚和超流體中構造類單極子結構的複雜實驗，科學家們已經接近看到磁單極子了。
但是，當人們在實驗室裡證明磁單極子並非不可能存在的同時，他們卻沒有在自然界裡發現哪怕一個磁單極子。
粒子物理實驗已經宣稱在某些情況下找到了可能是單極子的粒子，但是目前為止這些發現都不夠確鑿，或者不具有可重複性。
大型強子對撞機中的磁單極子和奇異粒子探測器已經取代了之前在實驗室內的實驗，至今人們還是沒有找到過磁單極子。
於是那些熱衷於研究磁單極子的科學家們轉而去尋找我們至今沒有發現磁單極子的原因。
那些通過電流加速的粒子加速器至今沒有探測到磁單極子也許僅僅只是因為磁單極子的質量大過了我們現在能夠創造的粒子的質量。
按這個理論，我們可以估計磁單極子的最大可能質量。結合我們已知的宇宙的結構，我們可以估算出磁單極子的質量可能高達1014 TeV。
（譯註，1TeV=1000MeV=109eV。eV即電子伏，為1個電子在真空中通過1V電位差時的能量變化，是能量單位。能量可以通過愛因斯坦質能轉換方程E=mc2轉換成質量。）
具有這樣質量的物體可能在大爆炸後的早期宇宙中就產生了，在宇宙開始膨脹之前就已經存在。如果宇宙冷卻到一定溫度，在這個溫度下磁單極子不再有充足的能量膨脹，那也許磁單極子就會在這兒。只是這種情況少之又少。也許，讓我們以為能找到磁單極子不過是上帝的一個圈套。

作者簡介：T'Mir最近以論文《用全Belle數據集對B0 -> pi0pi0衰減的評估》完成了她實驗粒子物理的PhD學位。她現在是斯威本科技大學革新中心的一名數據科學家。

本文觀點僅代表作者，不代表《科學美國人》。

（翻譯：葉紫微  審校：李昱）

原文連結【科學美國人博客】：

https://theconversation.com/explainer-the-mysterious-missing-magnetic-monopole-57661

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