2021年磁单极子的研究现状与理论价值.doc

磁单极子研究现实状况和理论价值作者:物理学(一班)二小组小组组员: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:相关磁单极子研究大家一直全部没有停止过,磁单极子话题也一直是科学领域一个热门话题,本文是鉴于前人部分研究结果对磁单极子关键从其研究现实状况和理论价值作出叙述。Abstract:icmonopoleofpeoplehavenotstopped,icmonopolehasbeenthesubjectofscientificfieldsisahottopic,:磁单极子现实状况价值Keyword:icmonopolevalueofthestatusquo正文:在历史上,大家最初认为磁现象是正负磁荷产生。不过,长久以来,从没有些人发觉过单独磁北极或磁南极。所以,传统上认为磁是一个固有双极现象,即任何一磁体不管怎样细分,最终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,这就是两磁极不可分性。在安培提出分子电流是物质磁性基础起源以后,这种不可分性得到了完满解释。以后又断言,单独磁荷或磁荷基础单元———磁单极子是不存在。这一论断组成了宏观电磁理论基础,比如磁场高斯定理就是自然界不存在磁单极子数学表述。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爱好一个课题。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试验研究工作,一直全部在进行。一、磁单极子可能存在理论依据汤姆孙猜想自1897年发觉电子以后,尤其是1909年密立根证实电子电量是电荷基础单位以后,汤姆孙等人从电和磁之间存在着一些对称性考虑,猜测可能存在磁单极子。既然有带正、负基元电荷质子和电子,为何不可能有带相反极性基元磁荷———磁单极子呢?这是物质运动规律在很多方面表现出高度对称性所要求。反应电磁运动基础规律麦克斯韦方程组就揭示了电和磁某些对称性:改变电场要激发磁场,改变磁场也要激发电场。不过,它揭示出电和磁对称性却是不完全,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以下形式:¨▽·D=ρe、¨▽·B=ρm、¨▽×E=-9B/9t-jm、¨▽·H=9D/9t-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应电和磁对称性就完全了:电场可由电荷、改变磁场和运动磁荷激发;磁场可由磁荷、改变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。狄拉克预言存在磁单极子一个有说服力预言是狄拉克在1931年提出来。她依据量子力学研究一个磁单极子场中单个电子时,发觉角动量量子化要求基础电荷e和基础磁荷g之间有以下关系:eg=U/2(其中U=h/2π)。这么,磁单极子存在就能用来解释电荷量子化。另外,这个狄拉克条件还预言:从一个磁单极子发出磁通量是g(4πr2)/r2=4πg=h/e=2<0。这恰好正确地等于超导磁通量子<0两倍。这个结果并不奇怪,因为二者量子化条件全部和角动量量子化相关。大统一理论支持 1974年特胡夫特和波利雅科夫分别证实,在带有自发破缺规范理论中,存在磁单极子是肯定。这一结论立即被引入大统一理论———试图将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一起来理论。因为在大统一理论中也有所谓真空自发破缺机制,所以也应该存在磁单极子。而且对称自发破缺以后,可能存在很多不一样真空态,从而将空间分割成很多区域,这些区域交界处场,可能就是磁单极子场。这里,磁单极子磁荷也遵从狄拉克量子化条件,其质量约为质子1016倍。含有如此巨大质量磁单极子,只可能在温度极高宇宙大爆炸早期成对产生。至于它在宇宙早期和现在可能含有密度,各家见解很不一致。有些人认为,在宇宙早期,磁单极子数和质子数差不多,而宇宙膨胀至今,大约10000个重子对应一个磁单极子。这比地球上金元素含量还高。还有些人认为,磁单极子在宇宙早期就极少,至今已几乎没有了。磁单极子磁荷g和其它任何带电粒子电荷q乘积被с除,必需是整数或半整数。n=1对应最小电荷和最小磁荷,分别称为单位电荷和单位磁荷。狄拉克量子化条件指出,任何带电粒子电荷必需是单位电荷整数倍,任何带磁粒子(磁单极子)磁荷必需是单位磁荷整数倍。假如磁单极子确实存在,它在一定程度上解释了现在试验上观察到带电粒子电荷量子化现象,即任何一个带电物质不管它们在其它方面性质怎样,它们所带电荷正确地等于电子电荷整数倍,比如试验测得质子电荷和电子电荷绝对值在很高精度上相等(见粒子电荷)。