物理论文 磁荷.doc

物理学家麦克斯韦曾经作出如此假设： 变化的磁场在其周围激发电场，变化的电场在其周围激发磁场。 这个假设是如此突兀.因为我很难相信机械的物理变化竟会产生出化学变化的结果: 磁场(变化)电场 电场(变化)磁场 这使得我不得不做出如此解释:电磁场是始终存在的；它只不过因为太过均匀才隐藏到了我们的感觉之外;只有等到电场变化或磁场变化的时候（不妨称之为电扰动或磁扰动），这种均匀才被打破，于是我们感觉到场的存在。 这就像只有等到风的出现我们才会感觉到空气存在一样。如果基于以上假设，那么始终存在的磁场产生的根源是什么呢？ 会不会是分子电流？显然不准确！因为分子电流的实质仍然是电扰动。 一个没有扰动对象的过程又怎会产生出扰动结果呢？ 分子电流只不过是使得原本因为太过均匀而隐藏的磁场现身出来了，而不是由它产生了新的磁场。这样我假设:磁荷是确实存在的-它作为磁产生的根源存在着；而且一个磁单极会像一个电荷一样产生库仑场。所谓次单极子是一种理想中的物理模型，即只有N或S极的单极磁子，其磁感线类似于点电荷的电场线呈发散或会聚装这样我们就能建立起整个宇宙的电磁大背景了宇宙中电荷与磁荷的分布是如此的均匀以致于它们产生的电磁场也几乎是处处均匀的-这个场的存在就好比一潭平静的湖水。当没有突兀的电磁变化时，这个场就始终是平静的，而一旦发生了电磁变化，比如说，出现了一个能导致电荷分布不均的突兀的带电体，这种平静的状态就将改变至少会在局部上改变。 因为大环境总是平衡的，所以不会有什么来平衡这种变化。一个突兀带电体存在的结果就是出现库仑电场。这时如果我们再不断的增加突兀带电体的个数，以引起局部范围内电荷分布的再次均匀，所有突兀带电体产生的库仑电场必将平衡，从而局部再现场的均匀这种结果就好象什么场都不存在了而这正是宇宙电磁大环境的现状。 平衡并不等于消失。我们可以如此证明：使某个局部上发生磁扰动，如果电场消失就不应出现电现象。但事实是，磁扰动的结果是出现涡旋电场。反之电扰动的结果是出现涡旋磁场。形象地说，磁扰动对一个均匀电场的作用就相当于一颗石子扔进了平静的湖水里。磁荷的引入，使得关于电荷的许多结论都可以直接搬过来使用，实现了电与磁的真正对称。 电场: 磁场:F=Q*q/（4r*r ） F=Q*q/（4r*r）E=F/Q H=F/Q D=。E B=。HP=(-1)。E J=(-1)。HGuass定律：DdS=q BdS=q而且它并不排除分子电流假说反而使该假说以一种更合理的方式起作用 -分子电流以扰动的形式影响磁场如果磁单极真的存在，它会存在哪里呢？我觉得至少是电子这一级结构的下一级结构中。因为我们至今找不到磁单极我们甚至可以依据电场与磁场的相似性大胆的猜测：磁南极子磁北极子形成的微粒结构与电子原子核形成的微粒结构完全一样也就是磁南极子围绕着磁北极子旋转 这种假设使得我们可以把关于原子结构的一套理论完全拿过来使用。(a) 磁单极子捕集器 （b） 检测月岩样品在麦克斯韦电磁场理论中，就场源来说电和磁是不相同的：有单独存在的正的或负的电荷，而无单独存在的“磁荷”磁单极子，即没有单独存在着的N极或S极。根据“对称性”的想法，这似乎是“不合理的”。因此人们总有寻找磁荷的念头。1931年，英国物理学家狄拉克（P.A.M Dirac，1902-1984年）首先从理论上探讨了磁单极子存在的可能性，指出磁单极子的存在与电动力学和量子力学没有矛盾。他指出，如果磁单极子存在，则单位磁荷g0与电子电荷e应该有下述关系：g068.5e由于g0比e大，所以磁库仑定律给出两个磁单极子之间的作用力要比电荷之间的作用力大得多。在狄拉克之后，关于磁单极子的理论有了进一步的发展。1974年荷兰物理学家特霍夫脱和苏联物理学家鲍尔亚科夫独立提出的非阿贝尔规范场理论认为，磁单极子必然存在，井指出它比已经发现的或是曾经预言的任何粒子的质量都要大得多。现在关于弱电相互作用和强电相互作用的统一的“大统一理论”也认为，有磁单极子存在，并预言其质量为210-11g，即约为质子质量的1016倍。 （a） 通过前（b） 通过后图7-23磁单极子通过超导线圈使线圈产生电流突变磁单极子在现代宇宙论中占有重要地位。有一种大爆炸理论认为，超重的磁单极子只能在诞生宇宙的大爆炸发生后10-35s产生，因为只有这时才有合适的温度（1030K）。当时单独的N极和S极都已产生，其中一小部分后来结合在一起湮没掉了，大部分则留了下来。今天的宇宙中应该还有磁单极子存在，并且在相当于一个足球场的面积上，一年约可能有一个磁单极子穿过。以上都是理论的预言，与此同时也有人做实验试图发现磁单极子。例如1951年，美国的密尔斯曾用通电螺线管来捕集宇宙射线中的磁单极子（图7-22a）。如果磁单极子进入螺线管中，则会被磁场加速而在管下部的照相乳胶片上显示出它的径迹。实验结果没有发现磁单极子。有人利用磁单极子穿过线圈时引起的磁通量变化能产生感应电流这一规律来检测磁单极子。例如在20世纪70年代初，美国埃尔维瑞斯等人试图利用超导线圈中的电流变化来确认磁单极子通过了线圈。他们想看看登月飞船取回的月岩样品中有无磁单极子，当月岩样品通过超导线圈时（图7-22b）并未发现线圈中的电流有变化，因而未发现磁单极子。1982年，美国的卡勃莱拉也设计制造了一套超导线圈探测装置（图7-23），并用超导量子干涉仪（SQUID）来测量线圈内磁通的微小变化，他的测量是自动记录的。1982年2月14日，他发现记录仪上的电流有了突变。经过计算，正好等于狄拉克单位磁荷穿过线圈时所应该产生的突变。这是他连续等待了151天所得到的唯一的一个事例，以后虽经扩大线圈面积也没有再测到第二个事例。 总结： 1，涡旋场（我们常见的磁场均是涡旋磁场，事实上只有等到发现磁单极才能找到库仑磁场）的产生源于电磁变化对宇宙电磁大环境的扰动； 2， 宇宙电磁大环境的产生根源是电荷磁荷产生的库仑场； 3，磁荷假说与分子电流假说并无冲突,它们是电磁场的两个方面；4，磁荷的捕捉实验更为重要的是，在具体的对磁单极子进行探索过程中，对物理学特别粒子研究技术如加速器的发展，具有很大的促进作用。虽然磁单极子假说到现在为止，还没有能在实验上得到最后的证实，但它仍将是当代物理学上十分引人注目的基本理论研究和实验的重要课题之一，因为今天的磁单极子已成为解决一系列涉及微观世界和宏观世界重大问题的突破口，如果磁单极子确实存在，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学以及天文学的基础理论又将有重大的发展，人们对宇宙起源和发展的认识也会再深入一步。电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度e和电流密度Je等概念。但是另一方面，磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁荷的组合。然而，这种正负磁荷却不能分开，自由磁荷不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入磁荷密度e和磁流密度Je等概念。这种电和磁的不对称性明显地体现在麦克斯韦方程组之中。韦电磁方程组也显得不对称，例如电通密度的散度为电荷密度，而磁通密度的散度却为零(0)1931年狄喇克从理论上提出磁单极子(带正磁荷或负磁荷的粒子)可能存在的论证。目前，实验上的探测主要从三方面着手：高能加速器的实验，宇宙线的观测，古老岩石的观测。用第种方法还未观测到磁单极子，一般认为这是能量尚不够高的缘故。从宇宙线中找磁单极子的物理根据有两方面；种是宇宙线本身可能含有磁单极子，另一种是宇宙线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子对。近年，人们曾采用超导量子干涉式磁强计在实验室中进行了151天的实验观察记录。据1982年初报道，测量到一次磁单极子事件。在排除了各种可能的于扰因素后，计算出到达地球表面的磁单极子上限为每立体角的单位面积上每秒有6.11010个磁单极子，即每年用这种装置可测到1.5次磁单极事件。这一实验探索还在进一步进行中，人们不断改进实验装备，以求得到更加可靠的观察结果。另外，如果磁单极子含量很少，那么异号磁单极子复合湮没的几率就很低，因而它们就有可能保存下来，能在地球上的古岩石、陨石或其他天体的岩石中找到。可是，迄今还没有找到确凿的证据。与此同时，关于磁单极子的理论研究也在积极进行之中。施温格(1966年)和兹万齐格(1971年)分别克服了狄喇克理论中的若干困难和不足之处，利用两个电磁势建立了电荷与磁荷完全对称处理的理论。1976年，杨振宁等利用纤维丛的新数学方法，建立了没有无物理意义的奇点的磁单极子理论，在磁单极子理论的发展中开辟了新的途径。近年来，也出现了一些超越麦克斯韦电磁方程组框架的非传统理论，例如统一规范理论、爱因斯坦-麦克斯韦耦台场理论和超光速参考系理论。而且，有关理论还在基本粒子的微观世界和宇宙演化的宇观世界得到了应用。 总而言之，在关于磁单极子实验探索和理论研究的半个多世纪中，人们进行了遍寻天上、地下的各种现代实验探测，采用了量子论、相对论和统一场论的复杂理论手段，联系到最广袤的宇观世界(宇宙论)和最细微的微观世界（粒子物理），涉及到极漫长的(古岩石)和极短暂的(宇宙演化早期)时间尺度。当前，这一探索和研究仍在继续之中，它不仅给物理学带来了活力，而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战。磁单极子学说自从1931年提出以来，到现在一直受到实验观测和理论研究的重视。这是因为磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源，电磁现象的对称性，而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关，故成为科学界关注的一个重要问题。 在磁单极子的理论研究方面，也曾提出过多种的学说，各有其特点和根据。例如，除狄拉克最早提出的磁单极子学说外，还有：磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的全对称磁单极子学说；由著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等提出的采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说；应用