磁单极子是否存在

拿一根金属棒，把所有的电子都引到一端，这时金属棒的电场是一个偶极场。现在把金属棒切成两半，我们会得到一对电荷：一半是负电荷，另一半是正电荷，这两个电荷都有直接向外辐射的电场。

现在再拿一根金属棒，用磁铁磁化它，我们会得到一个与偶极子电场非常相似的偶极子磁场。但如果我们再把这个金属棒分成两半，每一半的末端仍然是北极和南极，仍然会产生一个偶极场。根据经典的电磁学，无论对金属棒切割多少次都没有关系，我们永远不会得到孤立的磁荷，也就是磁单极子。

早在 1269 年，法国学者 Petrus Peregrinus de Marincourt 首次进行了这项磁体切片实验，这是在我们知道磁体产生原理之前。如今，我们知道磁性从何而来，我们对减半的磁铁会产生两个更小的磁铁并不感到惊讶。在铁磁体中，磁场是磁铁原子中无数微小排列的电子偶极子场的总和。产生偶极子磁场的另一种流行方法是电磁体，根据经典电动力学，移动电荷是磁场的来源。

经典理论

磁单极子的不存在被编入经典电动力学的数学中，特别是高斯磁定律（麦克斯韦四个方程之一），它表明磁场的散度为零。散度是一个数学术语，它描述的是向量场中里的一个点是源还是汇，零散度意味着没有源也没有汇。根据这条定律，我们知道没有磁单极子的存在。

另一方面，电场的高斯定律告诉我们，电场的散度不为零，它与电荷密度成正比。该电荷是电场线可以结束的地方 -- 它形成了它们的源或汇，所以有诸如孤立电荷之类的东西。如果我们快速浏览一下麦克斯韦方程组，我们会发现电和磁不是对称的。如果我们向方程中添加磁荷这样的东西，也可以在这些方程之间具有对称性。

物理学家默里・盖尔曼说："所有不被禁止的都是强制性的。"这意味着如果物理理论的数学允许它的存在，那么它就存在于自然界中。麦克斯韦方程中没有任何东西真正表明磁单极子不存在，除了麦克斯韦将磁荷设为零这一事实，因为他不相信它存在。但原则上磁单极子可以存在，至少根据经典理论。

量子理论

量子力学呢？通过用量子场而不是电荷和力的方式来解释，彻底改变了我们对电磁学的理解。伟大的物理学家保罗・狄拉克有一个习惯，就是盯着数学就发现粒子。正如我们之前文章中讨论的那样，他在 1928 年以这种方式预测了反物质的存在。但随后在 1931 年，就在他的反物质得到验证之前，狄拉克做出了另一个预测 -- 磁单极子的存在。

他的论点是这样的：从偶极子磁场开始，可以通过将两端分开足够远并以某种方式消失连接的磁力线来近似单极子。有一种方法可以做到这一点，一个同电的螺线管会得到一个偶极场，其连接场线被限制在线圈内。所以使线圈的宽度远小于长度，它看起来就像两个孤立的磁荷。这种构造被称为"狄拉克弦"，狄拉克的论点是，如果狄拉克弦的弦部分从根本上无法探测到，那么磁单极子就可以存在。

论点的第二部分是在什么条件下无法检测到该弦。磁场会影响带电粒子，在量子力学中，这是通过改变粒子波函数的相位来实现的。想象一个带电粒子经过狄拉克弦，比如一个电子。要绘制该轨迹，需要将电子的所有可能路径相加，包括在弦上向左和向右的路径。弦的存在及其磁场应该会根据电子通过弦的哪一侧引入不同的相移，这实际上会对电子的路径产生明显的影响。换句话说，该弦将是可检测的。

但是有一种情况是永远无法检测到弦：相移的量与电荷成正比。对于该电荷的值，在弦的不同侧之间引起的相移恰好是一个波周期。这意味着没有可观察到的差异，所以对于狄拉克弦是不可检测的，最终电荷只能以基本电荷的整数倍存在。另一方面，这被认为是对电荷量子化的预测，只要整个宇宙至少有一个磁单极子，电荷就必须是离散的。当然，我们知道电荷确实是量子化的，它只能是电子电荷的整数倍，

但是，与其将其作为电荷量化的预测，我们还可以将其翻转：如果电荷被量化，磁单极子的存在就是可能的。电荷被证明是量子化的，所以量子力学实际上并不禁止单极子。

大统一理论

让我们快进 40 年。在 1970 年代初，物理学家设法解释弱力并将其与电磁学统一起来。解决这个问题后，物理学家们正在努力通过所谓的大统一理论将强力纳入其中，这些理论涉及复杂的对称性破坏。事实证明，磁单极子在所有大统一理论中都是不可避免的。

在电弱理论中，希格斯场是一个标量场，它到处都有两个复杂的值，这两个"自由度"的相互作用赋予了希格斯粒子质量。在最简单的大统一理论中，希格斯场有三个自由度而不是两个。这意味着场可以有点像矢量，即使它真的不是矢量。它可以有一个指向特定方向的内部箭头 -- 不是指向物理空间，而是指向这三个自由度的空间。

1974 年，Gerard t'Hooft 和 Alexander Polyakov 同时提出，希格斯场的某些点可以形成一些结 -- 场箭头的指向都远离那个点，这些是拓扑不连续点，不能通过空间的平滑变形来移除的点。事实证明，在大统一理论中，希格斯场中的这些结表现为带有磁荷的粒子 -- 磁单极子，它们应该是非常大的，并且应该在极高能量的环境中自发形成，例如在非常早期的宇宙中。

这些理论预测存在磁单极子是令人兴奋的，但确实也存在问题。因为这些理论预测，在很早的宇宙中应该会大量产生磁单极子，与质子和电子一样多，那么它们现在在哪里呢？并且它们也应该非常大，是质子质量的千万亿倍，因此应该迅速重新坍缩宇宙。

实验

早在 1982 年，物理学家 Blas Cabrera Navarro 在他的斯坦福实验室建立了一个超导线圈，并设法探测到狄拉克预测的磁单极子，但未能成功。在大型强子对撞机上也有几个不同的实验，同样也未能发现磁单极子。大型强子对撞机所能达到的能量比大统一理论预测的产生单极子所需的能量低约 1000 亿倍。人们还寻找来自太空的磁单极子，但同样，目前还没有令人信服的证据。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang