浅析磁单极子.doc

浅析磁单极子 摘 要：自20世纪30年代以来，磁单极子一直是物理学家和天文学家的热门话题，同时也吸引了广大的科学爱好者的兴趣。磁单极子复杂的相互作用过程与一般电磁现象截然不同，磁单极子问题涉及电磁现象的对称性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称、超弦理论等难题都能给以较好的解释。通过大统一理论以及对早期宇宙的研究，如果磁单极子确实存在，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学以及天文学的基础理论也将有重大的发展，磁单极子已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口。 关键词：磁与电；磁单极子；理论假设；特点；理论研究；研究意义；自旋冰中的发现 1磁与电的关系[1] 电现象与磁现象是我们生活中常见的二种现象。科学家通过实验，提出和总结了电学概念和规律，建立了“电学”。根据电现象与磁现象有许多相似之处，科学家仿照电荷、电路、库仑定律等电学概念和规律，提出了与电学相对应的“磁学”。 在19世纪初，尽管发现了“闪电使一些原来没有磁性的钢制刀叉带磁”等现象，但大多数科学家，包括一些著名的科学家，都认为“磁与电没有关系”，其中一些甚至表示愿意证明“磁与电是没有关系的”。 1820年，一直坚信“电一定可以转化为磁”的物理学家奥斯特，做了通电导线使其周围小磁针发生偏转的实验，发表论文“关于磁针上电流碰撞的实验”，使人们认识到电与磁之间存在密切的关系，从而“打开了电学中的一扇大门”。现在多数人都知道奥斯特实验，清楚在电流的周围存在磁场，相信磁场是由电流产生的。 在奥斯特研究成果的基础上，安培、法拉第、比奥—萨伐尔、拉普拉斯、高斯等一批物理学家，陆续发现和总结出安培定律、法拉第电磁感应定律、比萨定律、高斯定律、安培环路定律等一系列规律，确定了电与磁之间的各种密切关系。1840年，英国物理学家麦克斯韦总结当时已知的电现象与磁现象规律，提出了位移电流等假设，将法拉第提出的电场、磁场概念“数学化”，建立了经典的电磁场理论。用D、H表示电场强度和磁场强度，写出了电磁场的麦克斯韦方程组： (1) 麦克斯韦方程组展示了电与磁之间的密切关系。在真空中，电位移矢量D=E、磁场强度H=B，式中的、分别为真空的介电常数、磁导率。真空中的麦克斯韦方程组为： (2) 不随时间变化的电场和磁场称为静电场和静磁场。在经典的电磁理论中，静磁场又叫稳恒电流磁场。在真空中静电场和静磁场的麦克斯韦方程组为： (3) 可以看出，此时麦克斯韦方程组中的静电场与静磁场“相互独立”、“彼此无关”，它们不完全“不对称”。静电场电场强度的旋度为零，静磁场磁感应强度的散度与电流J的大小无关。静磁场磁感应强度的散度为零，静电场电场强度的散度与电荷密度有关。静电场是“有源无旋场”，静磁场则是“有旋无源场”；静电场的“源”是带电体的正、负电荷，可以单独存在，静磁场的“源”是电流，磁体的两极总是成对出现；电场线起始于正电荷（或无限远处）、终止于负电荷（或无限远处），磁感线是封闭的曲线。对于出现这种不对称原因，经典的电磁理论的解释是：静电场与静磁场的“源”不同，静电场的源是电荷，静磁场的源是电流。 电与磁的这种不完全对称性在宇宙中也有反映，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有磁场，磁场对天体的起源、结构和演化有着举足轻重的影响。可是电场在宇宙空间几乎无声无息，看不出它在丰富多彩天文学中的作用。 电现象和磁现象有许多相似之处，如带电体周围存在电场，磁体周围存在磁场；同种电荷相斥、异种电荷相吸，同名磁极相斥、异名磁极相吸；变化电场能激发磁场，变化磁场能激发电场……1905年，物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论，把对电场与磁场的认识提到一个新的高度。在相对论电磁学中，电场与磁场统一为一个电磁场张量,若将电场和磁场写成在坐标轴上的分量形式E=E1i+E2j+E3k、磁场B=B1i+B2j+B3k，E1 、E2、E3、B1、B2、B3 分别为电磁场张量的分量： (4) 按照“电流产生磁场”的理论，由电流产生的磁感应线必然是闭合的，两个磁极（N极和S极）一定同时存在，不可能出现磁单极子。人类从来没有发现不闭合的磁感应线，也从来没有发现过单个磁极或磁荷。多少年来，人们一直对电、磁这种宏观和微观上的所具有的不对称感到困惑不解，对为什么正、负电荷能够单独存在，而单个磁极却不能单独存