06.30 磁單極子:物理學家還在找找找

所有已知的磁體都有一對“南極”和“北極”,而且,無論把磁體分割得多小、多碎,新得到的每一段小磁體仍然會有兩個成對的磁極。那麼,自然界中是否存在著只有“南極”或者只有“北極”的磁體,就像單獨存在著的正電荷和負電荷一樣?

磁单极子:物理学家还在找找找

20世紀30年代,英國物理學家保羅·狄拉克在一篇論文中首次提出了這種可能性。他預言,自然界存在一種只帶單一磁極的粒子,叫做磁單極子。

狄拉克最初的目標並不是為了創立一個磁單極子的理論,而是為了解釋電荷量子化,即,為什麼我們觀察到的粒子的帶電量總是電子帶電量的整數倍。由於磁單極子的磁量和基本電量之間存在固定的換算關係,所以磁單極子概念的引入非常重要。

狄拉克之後,物理學家在許多前沿理論中也需要使用到磁單極子的概念,比如大統一理論預言,宇宙存在大量的磁單極子,其質量是質子的10的16次方倍;弦理論也可以證明超重磁單極子的存在,並指出超重磁單極子是在宇宙演化極早期的超高溫度中產生的;甚至,暗物質的研究也需要用到磁單極子。所以,磁單極子概念的引入很受歡迎,物理學家主觀上非常希望它是真實存在的。

於是,近百年來,物理學家孜孜不倦地尋找磁單極子,比如在月面物質樣本中尋找;在宇宙塵埃中尋找;或者在實驗室中通過粒子加速器尋找。有幾次,物理學家確實公佈了一些受人矚目的消息。

比如,1982年的情人節,斯坦福大學的布拉斯·卡布雷拉記錄到了一個“磁單極子通過超導線圈”的信號,引起了轟動。然而,這種信號再也沒出現過,卡布雷拉的發現也就成了一件懸案,也許那只是一次機器故障。

2009年,普林斯頓大學的希瓦吉·宋迪宣佈,自己的團隊在“自旋冰”晶體中觀測到了類似磁單極子的物質,又引起了轟動,但後來證明,這次發現的物質與狄拉克預言的磁單極子不是一回事。

2014年,美國艾姆赫斯特學院的戴維·霍爾表示,自己的團隊在人造磁場中,獲得了“磁單極子的真實空間圖像”,提供了證明狄拉克磁單極子存在的證據。這再次引起轟動,但沒有實驗可以重複他們的結果,所以無法證明戴維·霍爾的研究結果是否正確。

磁单极子:物理学家还在找找找

所以,物理學家的理論和實驗雖然進行得熱熱鬧鬧,但其實仍然沒有見過磁單極子的“廬山真面目”。不過,物理學家並沒有放棄尋找磁單極子的夢想,最近,他們又宣佈了關於尋找磁單極子的最新進展。

2017年12月15日,倫敦帝國理工學院的物理學家發表了自己的研究,他們設想,磁單極子可能存在於磁場異常強大以及溫度非常高的地方。這種極端環境可以在一種被稱為“磁星”的特殊中子星找到,也可以在大型強子對撞機中利用重原子核碰撞來實現。通過研究這兩種情景,物理學家對磁單極子的質量提出了限制,即,磁單極子的質量必須大於質子的3分之1,且自身質量的大小與自身攜帶磁量的多少有關。

12月29日,歐洲核子研究中心也發表了最新的研究成果,物理學家宣佈,儘管他們收集了比以往多6倍的實驗數據進行分析,但仍未發現磁單極子,不過,他們也不是一無所獲,研究使他們明確了一點——磁單極子不是惰性物質,它非常容易與其他物質發生相互作用。

那麼,“磁單極子”是否存在?目前,物理學家依舊無法回答,他們還要繼續尋找,做更多的實驗才能解答這個問題。


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