磁單極子是理論物理學(xué)弦理論中指一些僅帶有北極或南極單一磁極的磁性物質(zhì)，它們的磁感線分布類似于點(diǎn)電荷的電場線分布。這種物質(zhì)的存在性在科學(xué)界時(shí)有紛爭，截至2008年尚未發(fā)現(xiàn)這種物體?？梢哉f是21世紀(jì)物理學(xué)界重要的研究主題之一。

磁單極子-設(shè)想

在經(jīng)典電磁理論中，磁是由電流和變化的電場產(chǎn)生的，磁南極和磁北極總是同時(shí)存在的，不存在磁單極子。1931年P(guān).A.M.狄拉克從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)相位不確定性出發(fā)，得出磁單極子存在的條件，可用以說明電荷量子化這個理論上無法說明的事實(shí)。20世紀(jì)70年代以后建立起來的大統(tǒng)一理論以及早期宇宙的研究都要求存在磁單極子，磁單極子的質(zhì)量重達(dá)1016吉電子伏特/庫侖2(GeV/C2)。實(shí)驗(yàn)上探測磁單極子成為檢驗(yàn)粒子物理大統(tǒng)一理論和天體物理宇宙演化理論的重要依據(jù)。

磁單極子-概念

這是一種到目前為止還基本上只是存在于理論之中的物質(zhì)，如果找到了它們，不僅現(xiàn)有的電磁理論要作重大修改，而且物理學(xué)和天文學(xué)的許多基礎(chǔ)理論也都將得到重大發(fā)展。

磁單極子作為物質(zhì)的基本構(gòu)成，它的單獨(dú)存在可能非常困難，或者可能極其微弱以致無法測量，從二元論的角度分析可能會更合理些，如純的吸引性粒子和純的排斥性粒子，曾經(jīng)作過廣泛的探查 ，而且每當(dāng)粒子加速器開拓新能區(qū)或發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)源(例如從月球上取來巖石)都要重新進(jìn)行磁單極子的的搜索。1982年采用超導(dǎo)量子干涉器件磁強(qiáng)計(jì)探測到一起磁單極子的事例，但還不足以肯定其存在。

在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學(xué)說外，還有其他一些科學(xué)家也曾提出過多種的學(xué)說，各有其特點(diǎn)和根據(jù)。如著名的美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米也曾經(jīng)從理論上探討過磁單極子，并且也認(rèn)為它的存在是可能的。華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧教授等一些著名的科學(xué)家，也從不同方面和不同程度地對磁單極子理論做出了補(bǔ)充和完善。它們彌補(bǔ)了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極子的設(shè)想輔以更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

磁單極子-電磁理論

電磁，在許多人的印象里，電和磁就像是一對相生相成、形影不離的孿生兄弟，也像是一對親密無間、夫唱妻隨的美滿佳偶。說到電，必然也會說到磁;提到磁，自然也離不開電。

電和磁確實(shí)有許多相似之處：帶電體周圍有電場，磁體周圍也有磁場;同種電荷相斥，同名磁極也相斥;異種電荷相吸，異名磁極也相吸;變化的電場能激發(fā)磁場，變化的磁場也能激發(fā)電場;用摩擦的方法能使物體帶上電，如果用磁鐵的一極在一根鐵棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鐵棒磁化——物理學(xué)家法拉第和麥克斯韋為此創(chuàng)立了“電生磁、磁生電”的電磁場理論。

在電現(xiàn)象里，帶電體可分割成單獨(dú)帶有正電荷和負(fù)電荷的粒子，正、負(fù)電荷可以單獨(dú)存在;而磁體的兩極總是成對出現(xiàn)，無論磁針被分割成多少部分，無論把它分割得多么小，新得到的每一段小磁鐵總有兩個磁極，長久以來，人們從來沒有發(fā)現(xiàn)過單獨(dú)存在的磁極——磁單極子。

1931年，著名的英國物理學(xué)家狄拉克首先從理論上用極精美的數(shù)學(xué)物理公式預(yù)言，磁單極子是可以獨(dú)立存在的。他認(rèn)為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應(yīng)有基本磁荷——磁單極子存在，這樣，電磁現(xiàn)象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據(jù)電動力學(xué)和量子力學(xué)的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。以前，狄拉克曾經(jīng)預(yù)言過正電子的存在，并已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)所證實(shí);這一次他的磁單極子假設(shè)同樣震驚了科學(xué)界。

磁單極子-尋找歷程

隨著磁單極子的提出，科學(xué)界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。人們絞盡腦汁，采用了各種各樣的方法，去尋找這種理論上的磁單極子。

科學(xué)家首先把尋找的重點(diǎn)放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上，因?yàn)樗麄冇X得這些物體中，會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結(jié)果卻令他們大失所望：無論是在“土生土長”的地球物質(zhì)中，還是那些屬于“不速之客”的地球之外的天體物質(zhì)中，均未發(fā)現(xiàn)磁單極子!

高能加速器是科學(xué)家實(shí)現(xiàn)尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段?？茖W(xué)家利用高能加速器加速核子(例如質(zhì)子)，以之沖擊原子核，希望這樣能夠使理論中的緊密結(jié)合的正負(fù)磁單極子分離，以求找到磁單極子。美國的科學(xué)家利用同步回旋加速器，多次用高能質(zhì)子與輕原子核碰撞，但是也沒有發(fā)現(xiàn)有磁單極子產(chǎn)生的跡象。這樣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了很多次，得到的都是否定的結(jié)果。

最后，科學(xué)家們一方面試圖研制出功能更加強(qiáng)大的加速器，一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線，試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據(jù)有兩方面：—種是宇宙射線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產(chǎn)生磁單極子。他們曾經(jīng)把希望寄托在一套高效能的裝置上，因?yàn)檫@種裝置可以捕捉并記錄到非常微小、速度非?？斓碾姶努F(xiàn)象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙線中的磁單極子吸附上，遺憾的是這套裝置也未能使他們?nèi)缭敢詢敗?/p>

1973年，科學(xué)家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運(yùn)回的月巖進(jìn)行了檢測，而且使用了極靈敏的儀器。但沒有測出任何磁單極子。

磁單極子-曙光曾現(xiàn) 在對磁單極子進(jìn)行尋找的過程中，人們“收獲”到的總是一次又一次地失望。不過，在一次又一次沉重、濃郁的失敗的晦暗中間，也曾不時(shí)地閃現(xiàn)過一兩次美妙的希望曙光。

有一些物理學(xué)家認(rèn)為，磁單極子對周圍物質(zhì)有很強(qiáng)的吸引力，所以它們在感光底板上會留下又粗又黑的痕跡。根據(jù)這一特點(diǎn)，1975年，美國的一個科研小組，用氣球?qū)⒏泄獾装逅偷娇諝鈽O其稀薄的高空，經(jīng)過幾晝夜宇宙射線的照射，發(fā)現(xiàn)感光底板上真的有又粗又黑的痕跡，他們欣喜若狂，于是迫不及待地在隨后召開的一次國際會議上聲稱，他們找到了磁單極子。但是，對于那是否真的是磁單極子留下的痕跡，會上爭論很大，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為那些痕跡很明顯是重離子留下的，但試驗(yàn)者還是堅(jiān)持認(rèn)為那是磁單極子留下的“杰作”。雙方為此展開了激烈的爭論，誰也說服不了誰。所以，到目前為止，這些痕跡到底是誰留下的，還是樁難以了斷的“懸案”。

1982年，美國物理學(xué)家凱布雷拉宣布，在他的實(shí)驗(yàn)儀器中發(fā)現(xiàn)了一個磁單極子。他采用一種稱為超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了151天的實(shí)驗(yàn)觀察記錄，經(jīng)過周密分析，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與磁單極子理論所提出的磁場單極子產(chǎn)生的條件基本吻合，因此他認(rèn)為這是磁單極子穿過了儀器中的超導(dǎo)線圈。不過由于以后沒有重復(fù)觀察到類似于那次實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，所以這一事例還不能確證磁單極子的存在。

一組由中國、瑞士、日本等多國的科學(xué)家組成的研究小組報(bào)告說，他們發(fā)現(xiàn)了磁單極子存在的間接證據(jù)，他們在一種被稱為鐵磁晶體的物質(zhì)中觀察到反?；魻栃?yīng)，并且認(rèn)為只有假設(shè)存在磁單極子才能解釋這種現(xiàn)象。

雖然這些“發(fā)現(xiàn)”最終都沒有得到很確鑿的認(rèn)證，但還是給科學(xué)家們增添了很大的信心。

磁單極子-存在的疑問

盡管磁單極子理論不斷地得到進(jìn)一步地完善，但是，人們還是不得不面對這樣一個事實(shí)，那就是，與磁單子理論不斷“前進(jìn)”的形勢相比，對磁單極子的尋找卻幾乎是“原地踏步”，理論和實(shí)踐相比，出現(xiàn)了極大的“不對稱”，實(shí)踐成了磁單子學(xué)說中的一條“短腿”。從20世紀(jì)到21世紀(jì)，世界各地都在尋找磁單極子，在陸地、在海洋、在太空、在深海沉積物中、在月球的巖石上，卻還是很難發(fā)現(xiàn)磁單極子的蛛絲馬跡。對于這種狀況，完全可以用這樣的詩句來形容：“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”。

經(jīng)歷了這么長時(shí)間的尋找，可以說沒有一個科學(xué)家敢于理直氣壯地聲稱自己完全真正找到了磁單極子，于是，導(dǎo)致了關(guān)于磁單極子是否真的存在的疑云的產(chǎn)生，并且這種疑云漸漸地越積越厚，濃重地籠罩著科學(xué)界，并引發(fā)了新一輪的、更加激烈的關(guān)于磁單極子的爭議。

否定論者

對磁單極子的存在持否定態(tài)度的科學(xué)家大有人在，他們提出了這樣或那樣的理由加以論證，而其中最主要的理由就是：鳥過留聲、獸過留痕，如果磁單極子確實(shí)在宇宙中存在，它就總會留下蛛絲馬跡，但迄今為止，人們用最先進(jìn)的方法和最精密的儀器，在各種物質(zhì)中尋找磁單極子，都一無所獲。因此可以認(rèn)為，它們可能根本就是一種僅僅存在于人們主觀想象中的子虛烏有的產(chǎn)物。

在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，還曾有科學(xué)家用以太學(xué)說來否定磁單極子的存在：在人們能夠用光學(xué)方法探測到的太空中，彌漫著一種被稱為以太的物質(zhì)。由于以太的特殊性質(zhì)，它們在太空中是以一種渦旋的狀態(tài)分布的，很明顯，宇宙中存在著大大小小的以太旋渦。因?yàn)樾郎u是一種轉(zhuǎn)動，這種旋渦不論大小，轉(zhuǎn)動的東西一定有一個轉(zhuǎn)軸。以太的旋渦實(shí)質(zhì)上就是磁場，一個轉(zhuǎn)軸有必定有兩端，也就是有兩個極，不存在只有一個端的轉(zhuǎn)軸，所以就不存在磁單極子。但是，這一說法隨著以太學(xué)說的被拋棄而歸于銷聲匿跡。

還有人這樣認(rèn)為：“電場”和“磁場”是電荷和磁體四周存在著看不見、摸不著的物質(zhì)。電荷和磁體通過各自的“場”這種物質(zhì)向另外的電荷和磁體施加作用，同時(shí)場還表達(dá)了電力或磁力作用的范圍;電力和磁力的無形的作用線分別稱為“電力線”或“磁感應(yīng)線”。因?yàn)殡姾呻妶龅碾娏€不是閉合的，它起源于正電荷，終止于負(fù)電荷，或延伸至無限遠(yuǎn)，它在電荷處是不連續(xù)的;而磁體磁場的磁感應(yīng)線永遠(yuǎn)是閉合的，它在磁體內(nèi)部和外部處處連續(xù)。實(shí)驗(yàn)中從來未見到過單個的磁極或磁荷，也從來未發(fā)現(xiàn)不閉合的磁感應(yīng)線。所以，在經(jīng)典電磁理論中，磁單極子存在的可能性就根本被排除了。正是由于上述原因，十分強(qiáng)調(diào)對稱性的英國物理學(xué)家麥克斯韋在建立經(jīng)典電磁理論的時(shí)候，雖然為了對稱性也考慮過磁單極子，但是最終還是未敢貿(mào)然將它引入它的理論中。因此，這種不對稱性在經(jīng)典電磁理論中就一直保留到今天。

其中特別應(yīng)該指出的是，就連到了晚年的狄拉克本人，也對磁單極子是否存在產(chǎn)生了深深的懷疑。1981年，他在致一位友人的信中說：至今我已是屬于那些不相信磁單極子存在之列的人了。因此，持否定觀點(diǎn)的人還認(rèn)為，應(yīng)盡早放棄對磁單極子的尋找，因?yàn)檫@種尋找無異于緣木求魚，只能是徒勞無功的。

肯定論者

肯定磁單極存在者中，不乏非常杰出的物理學(xué)家。他們堅(jiān)持認(rèn)為，磁單極子是存在的，但它們成對結(jié)合得太緊密了，現(xiàn)在所有的高能粒子尚不能把它們轟開。但是，他們也認(rèn)為，有一點(diǎn)是可以肯定的，這就是磁單極子即使存在，它們也極可能是在宇宙形成初期產(chǎn)生的，殘存下來的數(shù)量也是微乎其微的，因?yàn)榧偃缬钪骈g充滿了大量磁單極子，則宇宙間的磁場將不復(fù)存在。這些磁單極子本來就很少，而且它們又散布在極其廣袤的宇宙之中，所以要找到它不是很容易的。但是，如果磁單極子含量很少，那么正負(fù)磁單極子之間相互湮沒的幾率也同時(shí)就會很低，所以它們就更有可能被保存下來。

也有的科學(xué)家首先肯定磁單極子的存在，但同時(shí)又承認(rèn)磁單極子實(shí)際上很難發(fā)現(xiàn)。他們的理由是：在人類觀測所及的范圍內(nèi)，存在的大多數(shù)磁單極子應(yīng)是屬于一種運(yùn)動速度極其緩慢、“惰性”很強(qiáng)的“慢磁單極子”，而那些“精力充沛”、“運(yùn)動神速”的“快磁單極子”，早已飛離銀河系，消失在無邊無際的宇宙空間。但“慢磁單極”子對物質(zhì)電離作用很弱，要想觀察到它們，需要有比現(xiàn)在裝置靈敏度高上萬倍的探測器才可以，而以目前的科技水平，這樣的探測器暫時(shí)還無法制造出來。

有的科學(xué)家甚至還推算出了磁單極子的質(zhì)量，證明了磁單極子質(zhì)量大得驚人，約為質(zhì)子質(zhì)量的1億億倍，比細(xì)菌還要大!所以他們進(jìn)一步認(rèn)為，無論是現(xiàn)代加速器還是高能宇宙射線，都不能產(chǎn)生如此大質(zhì)量的粒子，僅在宇宙誕生即宇宙大爆炸時(shí)，才有磁單極子生成所需的極高的溫度和極大的能量密度條件。

理論創(chuàng)新

特別值得一提的是，科學(xué)家雖然在實(shí)驗(yàn)上尋找磁單極子時(shí)總是“掃興而歸”，但在預(yù)言磁單極子存在的理論卻不斷有創(chuàng)新。如海嘯是一種駭人的自然現(xiàn)象，它常常導(dǎo)致海洋中產(chǎn)生一種異常穩(wěn)定的孤立波，即孤立子。這種孤立子在波濤洶涌的大海中幾乎不受其它任何外來事物的干擾，永葆自己的波形和能量，不停地涌向遠(yuǎn)方。前蘇聯(lián)物理學(xué)家鮑爾雅科夫和荷蘭科學(xué)家特霍夫脫在對弱力和電磁力的關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在弱電場(弱力和電磁力是這種場的不同表現(xiàn))中，會發(fā)生“場嘯”，每次場嘯將產(chǎn)生與孤立子類似的粒子，他們認(rèn)為這種粒子極有可能就是磁單極子。

持肯定觀點(diǎn)的科學(xué)家都一致認(rèn)為：雖然磁單極子非常少，但考慮到它對物理學(xué)所產(chǎn)生的巨大影響，完全值得不遺余力地去尋找。兩種觀點(diǎn)激烈交鋒，可謂是誰也說服不了誰。

磁單極子-存在爭論

發(fā)現(xiàn)論

德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的研究人員在德國德累斯頓大學(xué)、圣安德魯斯大學(xué)、拉普拉塔大學(xué)及英國牛津大學(xué)同事的協(xié)作下，首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實(shí)際材料中出現(xiàn)的過程。該研究成果發(fā)表在2009年9月3日出版的《科學(xué)》雜志上。

實(shí)驗(yàn)過程

此次，德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應(yīng)堆中進(jìn)行了一次中子散射實(shí)驗(yàn)。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結(jié)晶成相當(dāng)顯著的幾何形狀，也被稱為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實(shí)材料內(nèi)部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式意大利面條”，此名得自于偶極子本身的次序。如此一個可控的管(弦)網(wǎng)絡(luò)就可通過磁通量的傳輸?shù)靡孕纬?，這些弦可通過與自身攜帶磁矩的中子進(jìn)行反應(yīng)觀察到，于是中子就可作為逆表示的弦進(jìn)行散射。

在中子散射測量過程中，研究人員對晶體施加一個磁場，利用這個磁場就可影響弦的對稱和方向，從而降低弦網(wǎng)絡(luò)的密度以促成單極子的分離。結(jié)果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見的，并在其兩端出現(xiàn)了磁單極子。

研究人員也在熱容量測量中發(fā)現(xiàn)了由這些單極子組成的氣體的特征。這進(jìn)一步證實(shí)了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。

反對論

當(dāng)物理學(xué)專業(yè)人士在論文摘要中看到“凝聚態(tài)物理”這個短語時(shí),就立即預(yù)感到,這不是真正地發(fā)現(xiàn)磁單極子。

之前的一些研究中已經(jīng)有跡象顯示這種準(zhǔn)粒子可能存在,此次兩個團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)首次確鑿地證實(shí)了這一點(diǎn)。但他們的“磁單極子”與物理學(xué)中著名的由狄拉克預(yù)言的磁單極子仍有天壤之別。

磁單極子的魅影

一條磁鐵總是同時(shí)擁有南極和北極,即便你將它摔成兩半,新形成的兩塊磁鐵又會立刻分別出現(xiàn)南極和北極。這種現(xiàn)象一直持續(xù)到亞原子水平?？瓷先?南極和北極似乎永遠(yuǎn)不分家。很多物理學(xué)家對這一點(diǎn)相當(dāng)懷疑。

英國物理學(xué)家狄拉克是首先預(yù)言存在磁單極子的物理學(xué)家。他在創(chuàng)立著名的狄拉克方程后,于1930年首先預(yù)言了正電子的存在,兩年之后正電子就被C.D.安德森在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)?；谒姆匠?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的磁單極子。

這是兩種虛無縹緲的粒子,因?yàn)樗鼈兺耆珌碜杂诩埳嫌?jì)算,而正電子在被預(yù)言之前至少人們已經(jīng)知道了電子的存在。但是,既然電荷能夠被分為獨(dú)立的正負(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”的。

后來,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,以便最終能完成所謂“大統(tǒng)一理論”時(shí),某些理論也預(yù)言了磁單極子的存在。

物理學(xué)家們在研究磁單極子的過程中發(fā)生過許多出人意表的故事。

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的產(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)做出了一個重要貢獻(xiàn)。

1979年12月7日,已經(jīng)到了斯坦福線性加速器中心工作的古斯在他的草稿紙上寫下了“驚人的領(lǐng)悟”。前一天晚上的計(jì)算讓他相信,從當(dāng)時(shí)的粒子物理和宇宙學(xué)假設(shè)推導(dǎo)出去,早期宇宙中會產(chǎn)生過量的磁單極子。解決這個矛盾的辦法是,宇宙早期經(jīng)歷了“暴漲”階段。古斯成為暴漲理論的創(chuàng)始人。

其實(shí),物理學(xué)家在現(xiàn)實(shí)中“探測”到過磁單極子,只不過僅有一次。那同樣是在1970年代,美國斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家布拉斯·卡布雷拉(BlasCabrera)用電線建造了一個儀器,來探測宇宙射線中的磁單極子。假如有磁單極子從儀器中通過,儀器就會得到一個8磁子(磁子是一個常數(shù))的信號。他確實(shí)得到了一些信號,但都是一兩磁子而已,從來沒有超過3磁子。

1982年的情人節(jié),卡布雷拉沒有到實(shí)驗(yàn)室工作。而當(dāng)他再次回到辦公室的時(shí)候,驚訝地發(fā)現(xiàn)儀器恰恰在情人節(jié)這天記錄到了一個8磁子的信號。此后,卡布雷拉建造了更為大型的探測器,想要尋找更多這樣的信號,卻再也沒有找到。著名物理學(xué)家史蒂芬·溫伯格在1983年的情人節(jié)還專門寫了一首詩送給卡布雷拉:“玫瑰是紅色的,紫羅蘭是藍(lán)色的,是時(shí)候找到單極子了,第二個!”可是直到今天,并沒有人再次找到過磁單極子,卡布雷拉當(dāng)年的發(fā)現(xiàn)也因此令人生疑。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的碰撞實(shí)驗(yàn)中尋找,但都一無所獲。

自旋冰里的發(fā)現(xiàn)

去年1月,美國普林斯頓大學(xué)的物理學(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。自旋冰是一種奇特的物質(zhì),它的組成物磁性離子的排列方式與水冰中氫離子的排列方式相近,因而得名。

自旋冰的結(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。在接近絕對零度的時(shí)候,這些磁性離子的排列遵循“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。

如果四面體里的某個磁性離子因?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,與它相鄰的四面體里則只有一個離子指向內(nèi)部。這樣一來,這兩個失去平衡的四面體就像是磁鐵的南極和北極了。接下來,如果鄰近的四面體中的離子也發(fā)生轉(zhuǎn)向,那么這種不平衡性就會傳遞下去,這樣的話,就相當(dāng)于南極和北極只由一條離子構(gòu)成的弦連接,弦中的離子一個指著一個。這樣就形成了類似磁單極子的人造物。芬內(nèi)爾等人為了觀察這種磁單極子,利用中子去測量自旋冰晶體內(nèi)離子的散射模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn),散射的變化與假設(shè)磁單極子存在的計(jì)算機(jī)模型預(yù)測的一致。

莫里斯和同事則用磁場將自旋冰里的弦進(jìn)行擴(kuò)展,然后用中子散射來證明這些弦真的存在,進(jìn)而證明弦的兩端分別有北極和南極。狄拉克曾經(jīng)預(yù)言過“狄拉克弦”,那是一條假想的連接兩個磁單極子的一維曲線。莫里斯等人的確探測到了弦的存在,但狄拉克弦理論上是無法觀測到的,所以二者仍有區(qū)別。莫里斯等人獲得的磁單極子也非真正的粒子。“學(xué)習(xí)如何移動磁單極子將帶來技術(shù)上的進(jìn)步,比如電路的磁模擬和原子尺度下的磁記錄?！比ツ觏炋岬热颂岢鲎孕邪艈螛O子可能性時(shí),美國約翰-霍普金斯大學(xué)的OlegTchernyshyov曾在《自然》雜志上這樣評論?！斑@是一場漂亮的觀測?！狈▏锢韺W(xué)家皮特·霍茲沃斯(PeterHoldsworth)評價(jià)《科學(xué)》發(fā)表的最新文章。而頌提則說,我希望看到實(shí)驗(yàn)中觀察到單一的單極子,未來某一天某個人可能會做到的。

對于科學(xué)家來說,莫里斯和芬內(nèi)爾所做出的工作,技術(shù)意義大于科學(xué)意義。狄拉克所預(yù)言的磁單極子仍然杳無蹤影。對于這次的實(shí)驗(yàn),“我可能會反對研究人員說‘真正的磁單極子’,因?yàn)楫?dāng)你說真正的,那對我來說就意味著點(diǎn)粒子,但這個不是。它在某個尺度上看著像單極子,但從根本上說它并不真的是單極子?！泵绹砜死神R大學(xué)的物理學(xué)家金?！洜栴D(KimballMilton)在《科學(xué)美國人》的報(bào)道中說。

在高能物理中,有一批粒子都只是在理論上存在,而從未被觀測到的,比如任意子(anyon)和軸子(axion)。它們中最著名的可能要數(shù)希格斯玻色子。

幾十年來,在大量搜尋未果的情況下,物理學(xué)家的注意力開始轉(zhuǎn)向在凝聚態(tài)系統(tǒng)中尋找磁單極子的類似物。除了《科學(xué)》雜志發(fā)表的兩篇論文外,一組日本的物理學(xué)家在今年5月召開的國際中子散射大會上也曾報(bào)告在自旋冰中觀測到了磁單極子類似物存在的證據(jù)?？茖W(xué)家什么時(shí)候能找到真正的磁單極子,乃至真正的磁單極子是否存在,仍然都是問號。