磁单极子研究现状和理论价值.doc

磁单极子的研究现状与理论价值
作者:物理学(一班)二小组
小组成员:石钊(组长) 马合锋王明梓徐磊
佟欣禹魏永利尹海渤冶勇
摘要:关于磁单极子的研究人们一直都没有停止过,磁单极子的话题也一直是科学领域的一个热门话题,本文是鉴于前人的一些研究成果对磁单极子主要从其研究现状和理论价值作出的论述。
Abstract: On the ic monopole of people have not stopped, the ic monopole has been the subject of scientific fields is a hot topic, this article in the light of previous studies on the ic monopole results from the major study status and theoretical value of the exposition.
关键字:磁单极子现状价值
Keyword: ic monopole value of the status quo
正文:
在历史上,人们最初认为磁现象是正负磁荷产生的。但是,长期以来,从没有人发现过单独的磁北极或磁南极。因此,传统上认为磁是一种固有的双极现象,即任何一磁体无论怎样细分,最后每一小块磁体总是显示出两个相反磁性区——磁北极和磁南极,这就是两磁极的不可分性。在安培提出分子电流是物质磁性的基本来源之后,这种不可分性得到了完满的解释。此后又断言,单独的磁荷或磁荷的基本单元———磁单极子是不存在的。这一论断构成了宏观电磁理论的基础,例如磁场的高斯定理就是自然界不存在磁单极子的数学表述。然而,这并不妨碍探索微观领域中是否存在磁单极子成为物理学家很感兴趣的一个课题。自1931 年狄拉克在理论上预言存在磁单极子以来,试图证实磁单极子存在的实验研究工作,一直都在进行。
一、磁单极子可能存在理论的依据
汤姆孙的猜想自1897 年发现电子以后,特别是1909 年密立根证实电子电量是电荷的基本单位之后,汤姆孙等人从电与磁之间存在着某些对称性考虑,猜测可能存在磁单极子。既然有带正、负基元电荷的质子和电子,为什么不可能有带相反极性的基元磁荷———磁单极子呢? 这是物质运动规律在很多方面表现出的高度对称性所要求的。反映电磁运动基本规律的麦克斯韦方程组就揭示了电与磁的某
些对称性:变化的电场要激发磁场,变化的磁场也要激发电场。但是,它揭示出的电与磁的对称性却是不完全的,因为它说电荷激发电场,却没有说磁荷激发磁场;说运动电荷(电流) 激发磁场,却没有说运动磁荷(磁流) 激发电场。假若磁单极子存在,将麦克斯韦方程组写成如下形式:
¨▽·D =ρe 、¨▽·B =ρm 、
¨▽×E = -9B/9 t- jm 、¨▽·H =9 D/9 t- je 。(1)
式中ρe 和je 为电荷密度和电流密度、ρm 和jm 为磁荷密度和磁流密度,那么麦克斯韦方程组所反映的电与磁的对称性就完全了: 电场可由电荷、变化磁场和运动磁荷激发;磁场可由磁荷、变化电场和运动电荷激发。所以,从电磁理论对称性考虑,可能存在磁单极子。狄拉克的预言存在磁单极子的一个有说服力的预言是狄拉克在1931 年提出来的。他根据量子力学研究一个磁单极子场中的单个电子时,发现角动量量子化要求基本电荷e 和基本磁荷g 之间有如下关系: eg = U/ 2 (其中U= h/ 2π) 。这样,磁单极子的存在就能用来解释电荷的量子化。此外,这个狄拉克条件还预言:从一个磁单极子发出的磁通量是g (4πr2) / r2 = 4πg = h/ e = 2 <0 。这正好精确地等于超导的磁通量子<0 的两倍。这个结果并不奇怪,因为两者的量子化条件都和角动量量子化有关。大统一理论的支持 1974 年特胡夫特和波利雅科夫分别证明
,在带有自发破缺的规范理论中,存在磁单极子是必然的。这一结论立刻被引入大统一理论———试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一起来的理论。因为在大统一理论中也有所谓的真空自发破缺机制,所以也应当存在磁单极子。而且对称自发破缺之后,可能存在许多不同的真空态,从而将空间分割成很多区域,这些区域交界处的场,可能就是磁单极子的场。这里,磁单极子的磁荷也遵从狄拉克量子化条件,其质量约为质子的1016倍。具有如此巨大质量的磁单极子,只可能在温度极高的宇宙大爆炸初期成对产生。至于它在宇宙早期和现在可能具有的密度,各家看法很不一致。有人认为,在宇宙早期,磁单极子数与质子数差不多,而宇宙膨胀至今,大约10000 个重子对应一个磁单极子。这比地球上金元素的含量还高。还有人认为,磁单极子在宇宙早期就很少,至今已几乎没有了。
磁单极子的磁荷g与其