關(guān)于磁單極子的研究和討論-物理學(xué)院-朱彬-PB12203082省公開課一等獎全國示范課微課金獎

關(guān)于磁單極子研究和討論物理學(xué)院級朱彬PB12203082第1頁學(xué)習(xí)中聯(lián)想與思索我們在《電磁學(xué)與電動力學(xué)（上）》前幾章中學(xué)習(xí)了空間中靜止電荷激發(fā)電場，我們能夠經(jīng)過積分和利用電場疊加原理求得五花八門帶電所激發(fā)空間中各點(diǎn)場強(qiáng)。第2頁學(xué)習(xí)中聯(lián)想與思索電與磁就像是一對孿生弟兄，相生相伴、形影不離。在日常生活中我們總是喜歡把電和磁聯(lián)絡(luò)在一起，因?yàn)閷Α半娚?、磁生電”電磁場理論?yīng)用極大方便了我們生活。在了解電過程中，我們認(rèn)識了電子。在學(xué)習(xí)磁過程中我們當(dāng)然也期望認(rèn)識“磁子”?！按抛印蓖ǔ＝凶龃艈螛O子，它是含有單一磁極（只有北極或只有南極）磁性物質(zhì)，它周圍磁感線分布類似于點(diǎn)電荷電場線分布。第3頁磁單極子最先提出英國物理學(xué)家狄拉克是首先預(yù)言存在磁單極子物理學(xué)家。他在創(chuàng)建著名狄拉克方程后，于1930年首先預(yù)言了正電子存在，兩年之后正電子就被C.D.安德森在試驗(yàn)中發(fā)覺?；谒匠?，狄拉克還預(yù)言了另外兩種基本粒子——只有南極或只有北極磁單極子。這是兩種虛無縹緲粒子，因?yàn)樗鼈兺耆珌碜杂诩埳嫌嬎?，而正電子在被預(yù)言之前最少人們已經(jīng)知道了電子存在。不過，既然電荷能夠被分為獨(dú)立正負(fù)，那么磁似乎也應(yīng)該能被獨(dú)立出南極和北極。對于物理學(xué)家來說，這才是“對稱”。以后，在1980年代，物理學(xué)家在試圖將弱電相互作用和強(qiáng)相互作用統(tǒng)一在一起，方便最終能完成所謂“大統(tǒng)一理論”時，一些理論也預(yù)言了磁單極子存在。第4頁磁單極子定義

在理論物理學(xué)弦理論中，磁單極子是指一些僅帶有N極或S極單一磁極磁性物質(zhì)，它們磁感線分布類似于點(diǎn)電荷電場線分布?？墒撬鼈兊降状娌淮嬖谀?？？？第5頁磁單極子存在性身邊許許多多現(xiàn)象和試驗(yàn)都似乎指向“磁單極子是不存在”答案~~在電現(xiàn)象里，帶電體能夠分割成單獨(dú)帶有正電荷和負(fù)電荷基本粒子，正、負(fù)電荷能夠單獨(dú)存在；而磁體南北兩極總是成對出現(xiàn)，不論磁體被分割成多少部分，不論把它分割得多么小，新得到每一段小磁體依然有兩個磁極，這給試驗(yàn)上觀察磁單極子帶來了極大困難，同時也增加了人們認(rèn)識磁單極子好奇心。不少科學(xué)家所以認(rèn)為磁極在宇宙中總是南北兩極互補(bǔ)分離，成正確出現(xiàn)，對磁單極子存在質(zhì)疑。第6頁尋找磁單極子艱辛歷程即使尋找過程是艱巨，依然有許多勇敢科學(xué)家不停地嘗試。。。

1975年，美國科學(xué)家利用高空氣球來探測地球大氣層外宇宙輻射時偶然發(fā)覺了一條軌跡，當(dāng)初科學(xué)家們分析認(rèn)為這條軌跡便是磁單極子所留下軌跡。第7頁尋找磁單極子艱辛歷程1970年代，美國物理學(xué)家阿蘭·古斯（AlanGuth）在康奈爾大學(xué)做博士后期間，與合作者研究宇宙早期磁單極子產(chǎn)生。這個研究沒有讓他在磁單極子方面做出突破，卻讓他對宇宙學(xué)做出了一個主要貢獻(xiàn)。1979年12月7日，已經(jīng)到了斯坦福線性加速器中心工作古斯在他初稿紙上寫下了“驚人領(lǐng)悟”。前一天晚上計算讓他相信，從當(dāng)初粒子物理和宇宙學(xué)假設(shè)推導(dǎo)出去，早期宇宙中會產(chǎn)生過量磁單極子。處理這個矛盾方法是，宇宙早期經(jīng)歷了“暴漲”階段。古斯成為暴漲理論創(chuàng)始人。第8頁尋找磁單極子艱辛歷程1982年2月14日，在美國斯坦福大學(xué)物理系做研究布拉斯·卡布雷拉宣稱他利用超導(dǎo)線圈發(fā)覺了磁單極子，然而事后他在重復(fù)他先前試驗(yàn)時卻未得到先前探測到磁單極子，最終未能證實(shí)磁單極子存在。遺憾。。。竟然沒法得到先前結(jié)果?。?！第9頁尋找磁單極子艱辛歷程是在1970年代，美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布拉斯·卡布雷拉（BlasCabrera）用電線建造了一個儀器，來探測宇宙射線中磁單極子。假如有磁單極子從儀器中經(jīng)過，儀器就會得到一個8磁子（磁子是一個常數(shù)）信號。他確實(shí)得到了一些信號，但都是一兩磁子而已，從來沒有超出3磁子。

1982年情人節(jié)，卡布雷拉沒有到試驗(yàn)室工作。而當(dāng)他再次回到辦公室時候，詫異地發(fā)覺儀器恰恰在情人節(jié)這天統(tǒng)計到了一個8磁子信號。今后，卡布雷拉建造了更為大型探測器，想要尋找更多這么信號，卻再也沒有找到。著名物理學(xué)家史蒂芬·溫伯格在1983年情人節(jié)還專門寫了一首詩送給卡布雷拉：“玫瑰是紅色，紫羅蘭是藍(lán)色，是時候找到單極子了，第二個！”

可是直到今天，并沒有些人再次找到過磁單極子，卡布雷拉當(dāng)年發(fā)覺也所以令人生疑。物理學(xué)家們嘗試過在月面物質(zhì)樣本中尋找，也嘗試過在粒子加速器碰撞試驗(yàn)中尋找，但都一無所獲。第10頁尋找磁單極子艱辛歷程自旋冰里發(fā)覺

年1月，美國普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家希瓦吉·頌提（ShivajiSondhi）等人在英國《自然》雜志上發(fā)表文章指出，“自旋冰”里可能包含磁單極子。自旋冰是一個奇特物質(zhì)，它組成物磁性離子排列方式與水冰中氫離子排列方式相近，因而得名。自旋冰結(jié)構(gòu)是一個一個四面體頂點(diǎn)相接，每個頂點(diǎn)上有一個磁性離子。在靠近絕對零度時候，這些磁性離子排列遵照“冰法則”：在每個四面體里，必定有兩個離子將北極指向內(nèi)部，另外兩個指向外部。

假如四面體里某個磁性離子因?yàn)槟撤N原因發(fā)生了轉(zhuǎn)向，那么情況可能就變成，這個四面體里有三個離子指向內(nèi)部，與它相鄰四面體里則只有一個離子指向內(nèi)部。這么一來，這兩個失去平衡四面體就像是磁鐵南極和北極了。接下來，假如鄰近四面體中離子也發(fā)生轉(zhuǎn)向，那么這種不平衡性就會傳遞下去，這么話，就相當(dāng)于南極和北極只由一條離子組成弦連接，弦中離子一個指著一個。這么就形成了類似磁單極子人造物。自旋冰不是H20結(jié)成冰第11頁尋找磁單極子艱辛歷程曾經(jīng)在，德國和法國兩個科學(xué)家小組在9月4日出版《科學(xué)》雜志上匯報他們在一個特殊晶體中觀察到了“磁單極子”存在?。?！不過事實(shí)證實(shí)這只是一個漂亮“誤解”。

在兩篇論文中，德國亥姆霍茲材料與能源中心喬納森·莫里斯（JonathanMorris）領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)體和法國Laue-Langevin研究所湯姆·芬內(nèi)爾（TomFennell）領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)體分別匯報在自旋冰晶體中觀察到了類似磁單極子“準(zhǔn)粒子”。之前一些研究中已經(jīng)有跡象顯示這種準(zhǔn)粒子可能存在，此次兩個團(tuán)體發(fā)覺首次確鑿地證實(shí)了這一點(diǎn)。莫里斯和同事則用磁場將自旋冰里弦進(jìn)行擴(kuò)展，然后用中子散射來證實(shí)這些弦真存在，進(jìn)而證實(shí)弦兩端分別有北極和南極。狄拉克曾經(jīng)預(yù)言過“狄拉克弦”，那是一條假想連接兩個磁單極子一維曲線。莫里斯等人確實(shí)探測到了弦存在，但狄拉克弦理論上是無法觀察到，所以二者仍有區(qū)分。莫里斯等人取得磁單極子也非真正粒子。第12頁尋找磁單極子艱辛歷程值得一提是，磁單極子理論為量子力學(xué)主要概念“Berry相位”幾何解釋提供了理論基礎(chǔ)。參數(shù)空間中虛擬磁場把Berry相位和磁單極子緊密聯(lián)絡(luò)在一起，最近在關(guān)于超冷原子-分子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Berry相位理論研究中，驚奇地發(fā)覺了帶分?jǐn)?shù)磁荷磁單極子。伴伴隨磁單極子理論提出，科學(xué)界掀起了一場尋找磁單極子狂潮。人們絞盡腦汁，采取了各種各樣方法，去尋找這種理論上磁單極子。在對磁單極子進(jìn)行尋找過程中，人們收獲到總是一次又一次地失望。在一次又一次沉重失敗晦暗中間，也曾不時地閃現(xiàn)過一兩次美妙希望曙光。盡管如此，科學(xué)家們并沒有氣餒和放棄，他們?nèi)栽诓煌５貙ふ抑鴻C(jī)會，相信對追求科學(xué)和真理執(zhí)著一定能夠創(chuàng)造讓全部些人震驚奇跡。第13頁學(xué)以致用依據(jù)我們已經(jīng)學(xué)過高斯定理、法拉第電磁感應(yīng)定律等，倘若認(rèn)可磁單極子存在假設(shè)，那么它們會變成什么樣呢？以下是推導(dǎo)結(jié)果：竟然變得如此不一樣？??！第14頁參考文件1.C.Castelnovo;R.Moessner1,S.L.Sondhi.Magneticmonopolesinspinice.Nature.3January,451:42–45.doi:10.1038/nature06433.2.Magnetic