单极磁铁之谜

观点：如果找到了磁单极子，人类现有的电磁理论都要作重大修改，而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。

磁铁我们大家都见过，相信很多人小时候都拿它当过玩具，对它神奇的磁性有过浓厚的兴趣。小学的自然课本告诉我们，磁铁有S极与N极，即一端是南极一端是北极。

大家都知道磁铁的特性，就是一根断裂的磁铁条，会在断点两端生出新的N极和S极，变成两根具有N极和S极的完整磁铁，而不会变成一根两端都是N极、一根两端都是S极的磁铁。这种看上去很自然的特性，其实是电磁特性决定的。

电磁，电磁，说到电，必然也会说到磁；提到磁，自然也离不开电。电和磁有许多相似之处：带电体周围有电场，磁体周围也有磁场；同种电荷相斥，同名磁极也相斥；异种电荷相吸，异名磁极也相吸；电场发生变化，就能激发磁场，磁场变化也能激发电场；用摩擦的方法能使物体带上电，如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次，也能使铁棒带上磁。正是这种现象，物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。

实际上，在磁与电的关系中，磁性是更为本质的东西。在电现象里，带电体可分割成单独带有正电荷和负电荷的粒子，正、负电荷可以单独存在；而磁铁的两极总是成对出现，无论磁针被分割成多少部分，无论把它分割得多么小，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。这就是为什么我们看到的磁铁都具有N极和S极双极的原因。

但是，你想过这世界上N极或S极可以单独存在吗？有没有一种磁铁只有一种磁极？为什么正、负电荷能够单独存在，而单个磁极却不能单独存在？这不是一个小问题，如果真能够发现只有一端磁极的磁铁，人类空想中的“永动机”就可以成为现实——利用地球强大的源源不断的磁场，单极磁铁就可以实现人类的“永恒动力”的理想。

这并不是痴人说梦的空想，事实上，目前全世界有数十个实验室正在做“磁单极子”的发现和研究的工作。

最早提出磁单极子到底存不存在问题的是英国物理学家狄拉克。单独存在的N极或S极就是“磁单极子”。1931年，狄拉克首先从理论上用极精美的数学物理公式预言，磁单极子是可以独立存在的。他认为，既然电有基本电荷——电子存在，磁也应有基本磁荷——磁单极子存在，这样，电磁现象的完全对称性就可以得到保证。他根据电动力学和量子力学的合理推演，前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来。狄拉克是著名的电磁物理学家，他之前就曾经预言过正电子的存在，并已经为实验所证实；这一次他的磁单极子假设同样震惊了科学界。

除了狄拉克，著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上探讨过磁单极子，他也认为它的存在是可能的。华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家，也从不同方面和不同程度对磁单极子理论做出了补充和完善。随着磁单极子的提出，科学界掀起了一场寻找磁单极子的狂潮。人们绞尽脑汁，采用了各种各样的方法，去寻找这种理论上的磁单极子。

首先，科学家把寻找的重点放在地球铁矿石和来自地球之外的铁陨石上，他们觉得这些古老的物体中会隐藏着磁单极子。然而，多年来尽管科学家找遍了全世界所有角落，无论是在“土生土长”的地球岩石中，还是那些从天而降的天体物质中，均未发现磁单极子。

地球上找不到，科学家的目光又投向了月球。月球上既没有大气，磁场又极微弱，应该是寻找磁单极子的好场所。1973年，科学家对“阿波罗”11号、12号和14号飞船运回的月岩进行了检测，而且使用了极灵敏的仪器，结果仍然是没有测出任何磁单极子。

近代物理研究的超级利器——高能加速器，是科学家实现寻找磁单极子美好理想的另一种重要手段。人们希冀利用高能加速器加速核子（例如质子），以之冲击原子核，希望能够使理论中紧密结合的正负磁单极子分离，以求找到磁单极子。但这样的实验已经做了很多次，得到的都是否定的结果。美国的科学家也利用同步回旋加速器，多次用高能质子与轻原子核碰撞，但是也没有发现有磁单极子产生。

就这样，在理论上完美无暇的磁单极子却一点蛛丝马迹都发现不了，晚年狄拉克本人也对磁单极子是否存在产生了深深的怀疑。1981年，他在致一位友人的信中说：至今我已是属于那些不相信磁单极子存在之列的人了。有的科学家推算出了磁单极子的质量，证明了磁单极子质量大得惊人，约为质子质量的1亿亿倍，比细菌还要大！所以他们进一步认为，无论是现代加速器还是高能宇宙射线，都不能产生如此大质量的粒子，仅在宇宙诞生即宇宙大爆炸时，才有磁单极子生成所需的极高温度和极大能量密度条件。

然而，不服输的科学家并没有停下寻找磁单极子的脚步，他们通过各种途径和实验方法来寻找。

1982年，美国物理学家凯布雷拉宣布，在他的实验仪器中发现了一个磁单极子。他采用一种称为超导量子干涉式磁强计的仪器，在实验室中进行了151天的实验观察记录，经过周密分析，实验所得的数据与磁单极子理论所提出的磁场单极子产生的条件基本吻合，因此他认为这是磁单极子穿过了仪器中的超导线圈。不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象，所以这一事例还不能确证磁单极子的存在。

前几年，一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说，他们发现了磁单极子存在的间接证据，他们在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应，并且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象。而欧洲科学家在观察一种称为“磁冰”的物质时，也发现了“准磁单极子”和“磁流”的存在。最近有科学家又提出，就在宇宙的某个角落，一定存在一些完全由磁单极子构成的星体。如果人类具备了远程星际航行能力，就可以大量开发单极磁铁，从而完全改变地球人的生活。不管如何，对科学家而言，要找到磁单极子不是件简单容易的事情，而是一项长期而艰巨的任务，甚至可能要经过好几代人的努力，但科学家们绝不会轻言放弃。