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磁单极子: 物理学家还在找找找

所有已知的磁体都有一对“南极”和“北极”,而且,无论把磁体分割得多小、多碎,新得到的每一段小磁体仍然会有两个成对的磁极。那么,自然界中是否存在着只有“南极”或者只有“北极”的磁体,就像单独存在着的正电荷和负电荷一样?

20世纪30年代,英国物理学家保罗·狄拉克在一篇论文中首次提出了这种可能性。他预言,自然界存在一种只带单一磁极的粒子,叫做磁单极子。

狄拉克最初的目标并不是为了创立一个磁单极子的理论,而是为了解释电荷量子化,即,为什么我们观察到的粒子的带电量总是电子带电量的整数倍。由于磁单极子的磁量和基本电量之间存在固定的换算关系,所以磁单极子概念的引入非常重要。

狄拉克之后,物理学家在许多前沿理论中也需要使用到磁单极子的概念,比如大统一理论预言,宇宙存在大量的磁单极子,其质量是质子的10的16次方倍;弦理论也可以证明超重磁单极子的存在,并指出超重磁单极子是在宇宙演化极早期的超高温度中产生的;甚至,暗物质的研究也需要用到磁单极子。所以,磁单极子概念的引入很受欢迎,物理学家主观上非常希望它是真实存在的。

于是,近百年来,物理学家孜孜不倦地寻找磁单极子,比如在月面物质样本中寻找;在宇宙尘埃中寻找;或者在实验室中通过粒子加速器寻找。有几次,物理学家确实公布了一些受人瞩目的消息。

比如,1982年的情人节,斯坦福大学的布拉斯·卡布雷拉记录到了一个“磁单极子通过超导线圈”的信号,引起了轰动。然而,这种信号再也没出现过,卡布雷拉的发现也就成了一件悬案,也许那只是一次机器故障。

2009年,普林斯顿大学的希瓦吉·宋迪宣布,自己的团队在“自旋冰”晶体中观测到了类似磁单极子的物质,又引起了轰动,但后来证明,这次发现的物质与狄拉克预言的磁单极子不是一回事。

2014年,美国艾姆赫斯特学院的戴维·霍尔表示,自己的团队在人造磁场中,获得了“磁单极子的真实空间图像”,提供了证明狄拉克磁单极子存在的证据。这再次引起轰动,但没有实验可以重复他们的结果,所以无法证明戴维·霍尔的研究结果是否正确。

所以,物理学家的理论和实验虽然进行得热热闹闹,但其实仍然没有见过磁单极子的“庐山真面目”。不过,物理学家并没有放弃寻找磁单极子的梦想,最近,他们又宣布了关于寻找磁单极子的最新进展。

2017年12月15日,伦敦帝国理工学院的物理学家发表了自己的研究,他们设想,磁单极子可能存在于磁场异常强大以及温度非常高的地方。这种极端环境可以在一种被称为“磁星”的特殊中子星找到,也可以在大型强子对撞机中利用重原子核碰撞来实现。通过研究这两种情景,物理学家对磁单极子的质量提出了限制,即,磁单极子的质量必须大于质子的3分之1,且自身质量的大小与自身携带磁量的多少有关。

12月29日,欧洲核子研究中心也发表了最新的研究成果,物理学家宣布,尽管他们收集了比以往多6倍的实验数据进行分析,但仍未发现磁单极子,不过,他们也不是一无所获,研究使他们明确了一点——磁单极子不是惰性物质,它非常容易与其他物质发生相互作用。

那么,“磁单极子”是否存在?目前,物理学家依旧无法回答,他们还要继续寻找,做更多的实验才能解答这个问题。

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