互动科普

电与磁具有高度的相似性。然而，它们又有着根本的不同：自然界普遍存在着单独携带正电荷或负电荷的粒子，但单独携带南磁极或北磁极（单一“磁荷”）的磁单极子（Magnetic monopole）却似乎并不存在。磁体总是同时具有南北两个磁极，无论将其切割到多么小，我们总会得到同时具有南北磁极的磁体。

1931年，英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了磁单极子理论，他指出，只要宇宙中存在任何一个磁单极子，电荷的量子化现象（即任何带电物体的电荷量都是基本电荷的整数倍）便可以得到自然的解释。当今，包括弦论和大统一理论在内的一些物理理论，也预言了磁单极子的存在。实际上，即使探测到一个磁单极子，也将从根本上改变我们对电磁学乃至整个物理学的认识。

磁单极子理论也激发了凝聚态物理学家的热情。例如，英国牛津大学的卡斯特尔诺沃（C. Castelnovo）及合作者在于2007年在理论上提出，具有磁单极子性质的类似物（它们等效于单一“磁荷”，相互作用力如同电荷那样遵守库仑定律）可以在名为自旋冰（Spin ice）的一类特殊磁性材料中存在。2009 年，德、法两国科学家在《科学》（Science）杂志同期发表文章，报道了他们分别在两种人造自旋冰材料中观测到了磁单极子的类似物。此外，科学家也在液氦超流体等系统中观测到了磁单极子的类似物。然而，这些磁单极子的类似物并非狄拉克所提出的以“基本粒子”形式存在的磁单极子。

理论上，磁单极子可以在磁场极强、温度极高的极端环境中自发产生；并且磁单极子质量越小，产生它所需的能量就越小，它也就越容易产生。伦敦帝国理工学院的奥利弗·古尔德（Oliver Gould）和 阿尔图·拉扬蒂耶（Arttu Rajantie）研究了可以产生磁单极子的两种系统——中子星表面以及原子核碰撞过程，然后给出了磁单极子质量的最小值，相关研究于 2017 年 12 月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。从理论上预言磁单极子的性质，将对相关的搜寻实验产生极为重要的指导意义。

在原子核碰撞实验中，科学家通过加速器将原子核加速到接近光速并进行对撞，所产生的致密物质将具有极强的磁场，温度也可以达到太阳中心温度的 10 万倍以上。科学家猜测，倘若磁单极子真的存在，应该可以在这种环境中产生。因为磁单极子的质量越小，科学家在实验中观测到它的可能性就越大；所以如果它的质量足够小，科学家应该早已观测到它的存在。然而，数十年来，在欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）的铅核对撞实验中，从未观测到磁单极子的信号，这意味着磁单极子的质量应该不会太小。由此，古尔德和拉扬蒂耶估测，磁单极子质量应该不小于质子质量的 10 倍。

中子星形成于大质量恒星死亡时的引力坍缩，同时伴随着超新星的爆发。中子星具有极强的磁场及极高的温度，应当也可以产生磁单极子。产生的磁单极子可以被中子星的磁场加速到接近光速，从而逃离引力的束缚。而这一过程会带走中子星磁场的能量，使其磁场强度降低。同样，磁单极子质量越小，就越容易在中子星的内部或表面产生并带走能量；因此，磁单极子质量的大小会影响中子星可以获得的最大磁场强度。通过中子星的磁场强度，古尔德和拉扬蒂耶又推断出，磁单极子的质量下限约为质子质量的1/3。他们同时指出，对中子星内部的深入研究可以进一步精确该下限值。

“找到磁单极子的质量下限，非常令人兴奋”，俄克拉何马大学的理论物理学家金博尔·米尔顿（Kimball Milton）说，“当然，如果有人真的发现磁单极子，就更令人兴奋了。”当前，科学家在理论上提出了不同的磁单极子的产生机制，同时也会给出不同的磁单极子质量。拉扬蒂耶表示，他们这项研究给出的磁单极子的质量最小值，是目前不依赖于这些磁单极子产生机制的最好结果。2018年，欧洲核子研究中心将通过大型强子对撞机进行铅核对撞实验，并继续寻找磁单极子，其中的MoEDAL 探测器（Monopole and Exotics Detector at the LHC）将是寻找它的理想场所。

磁单极子是否存在仍是一个谜：也许它根本不存在，电与磁的对称性也因此并不完美；也许它的质量太大，只能在能量极高的宇宙大爆炸中产生。然而，有一件事是确定的，对磁单极子的搜寻仍将继续下去。