磁单极子能被发现吗?

一块磁铁总是同时有南极和北极。即使你把它掰成两半,新形成的两块磁铁也会立刻分别出现南极和北极。这种现象一直延续到亚原子水平。好像南极和北极永远不会分开。是这样吗?许多物理学家对此相当怀疑。

英国物理学家狄拉克是第一个预言磁单极子存在的物理学家。他在建立了著名的狄拉克方程后,首次预言了1930中正电子的存在。两年后,C.D .安德森在他的实验中发现了正电子。基于他的方程,狄拉克还预言了另外两种基本粒子——只有南极或只有北极的磁单极子。

这是两种虚无缥缈的粒子,因为它们完全是在纸上计算出来的,至少人们在正电子被预言之前就知道了电子的存在。但既然电荷可以分为独立的正负,那么磁性似乎也应该分南极和北极。对于物理学家来说,这就是“对称”。

后来到了80年代,当物理学家试图将弱电相互作用与强电相互作用统一起来,从而最终完成所谓的“大统一理论”时,一些理论也预言了磁单极子的存在。

物理学家在研究磁单极子的过程中,有过很多意想不到的故事。

20世纪70年代,美国物理学家阿兰·古斯在康乃尔大学从事博士后研究期间,与合作者一起研究了早期宇宙中磁单极子的产生。这项研究并没有使他在磁单极子方面取得突破,却使他对宇宙学做出了重要贡献。

1979 65438+2月7日,一直在斯坦福直线加速器中心工作的格斯在草稿纸上写下了“惊人的洞察力”。前一天晚上的计算让他相信,从当时的粒子物理学和宇宙学假设推断,早期宇宙中会有过多的磁单极子。这个矛盾的解决方案是早期宇宙经历了一个“暴涨”阶段。格斯成了通货膨胀理论的创始人。

同样是在20世纪70年代,斯坦福大学的物理学家布拉斯·卡布雷拉用电线建造了一台仪器,用来探测宇宙射线中的磁单极子。如果一个磁单极子穿过仪器,仪器会得到8个磁子的信号(磁子是常数)。他确实收到了一些信号,但都只是一两个磁子,从来没有超过三个磁子。1982年情人节,卡布雷拉不在实验室工作。当他再次回到办公室时,他惊讶地发现,仪器在情人节那天记录了一个8磁子信号。此后,Cabreira建造了一个更大的探测器,试图找到更多这样的信号,但从未找到。著名物理学家史蒂芬·温伯格也在1983年的情人节为卡布雷拉写了一首诗:“玫瑰是红色的,紫罗兰是蓝色的,该找单极子了,第二个!”但是直到今天,没有人再发现磁单极子。卡布雷拉的发现在那些日子里因此是可疑的。物理学家曾试图在月球物质样本和粒子加速器的碰撞实验中寻找,但一无所获。

在2009年9月4日的《科学》杂志上,德国亥姆霍兹联邦研究中心的研究人员报告说,他们观察到一种特殊晶体中存在“磁单极子”。还介绍了这些磁单极子在实际材料中出现的过程。它标志着人们第一次在三维空间中观察到磁单极子的分离。

但是他们的“磁单极子”和狄拉克预言的磁单极子还是有很大的区别。科学家什么时候能找到真正的磁单极子,甚至真正的磁单极子是否存在还是一个问号。