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第4章 找不到的磁单极子

一条磁铁总是同时拥有南极和北极,即便你将它摔成两半,新形成的两块磁铁又会立刻分别出现南极和北极。这种现象一直持续狄拉克到亚原子水平。看上去,南极和北极似乎永远不分家。是这样吗?很多物理学家对这一点相当怀疑。

英国物理学家狄拉克是首先预言存在磁单极子的物理学家。他在创立著名的狄拉克方程后,于1930年首先预言了正电子的存在。两年之后正电子就被CD安德森在实验中发现。基于他的方程,狄拉克还预言了另外两种基本粒子——只有南极或只有北极的磁单极子。

这是两种虚无缥缈的粒子,因为它们完全来自于纸上计算,而正电子在被预言之前至少人们已经知道了电子的存在。但是,既然电荷能够被分为独立的正负,那么,磁似乎也应该能被独立出南极和北极。对于物理学家来说,这才是“对称”的。

后来,在20世纪80年代,物理学家在试图将弱电相互作用和强电相互作用统一在一起,以便最终能完成所谓“大统一理论”时,某些理论也预言了磁单极子的存在。

物理学家们在研究磁单极子的过程中发生过许多出人意料的故事。

20世纪70年代,美国物理学家阿兰·古斯在康奈尔大学做博士后期间,与合作者研究宇宙早期磁单极子的产生。这个研究没有让他在磁单极子方面做出突破,却让他对宇宙学做出了一个重要贡献。

1979年12月7日,已经到了斯坦福线性加速器中心工作的古斯在他的草稿纸上写下了“惊人的领悟”。前一天晚上的计算让他相信,从当时的粒子物理和宇宙学假设推导出去,早期宇宙中会产生过量的磁单极子。解决这个矛盾的办法是,宇宙早期经历了“暴涨”阶段。古斯成为暴涨理论的创始人。

同样是在70年代,美国斯坦福大学的物理学家布拉斯·卡布雷拉用电线建造了一个仪器,来探测宇宙射线中的磁单极子。假如有磁单极子从仪器中通过,仪器就会得到一个8磁子(磁子是一个常数)的信号。他确实得到了一些信号,但都是一两磁子而已,从来没有超过3磁子。1982年的情人节,卡布雷拉没有到实验室工作。而当他再次回到办公室的时候,惊讶地发现仪器恰恰在情人节这天记录到了一个8磁子的信号。此后,卡布雷拉建造了更为大型的探测器,想要寻找更多这样的信号,却再也没有找到。著名物理学家史蒂芬·温伯格在1983年的情人节还专门写了一首诗送给卡布雷拉:“玫瑰是红色的,紫罗兰是蓝色的,是时候找到单极子了,第二个!”可是直到今天,并没有人再次找到过磁单极子。卡布雷拉当年的发现也因此令人生疑。物理学家们尝试过在月面物质样本中寻找,也尝试过在粒子加速器的碰撞实验中寻找,但都一无所获。

2009年9月4日出版的《科学》杂志上,德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员报告他们在一种特殊的晶体中观察到了“磁单极子”的存在。并介绍了这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离。

但他们的“磁单极子”与狄拉克预言的磁单极子仍有天壤之别。科学家什么时候能找到真正的磁单极子,乃至真正的磁单极子是否存在,仍然都是问号。

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