你有单极磁铁吗？
电磁，在很多人的印象中，电和磁就像是一对形影不离的孪生兄弟，也像是一对亲密无间、同妻同唱的幸福夫妻。说到电，必然会谈到磁；说到磁性，电是不可或缺的。如果在宇宙中充满电磁波，它们对于我们来说就像雷电，因为它们在宇宙天体和生命物质中起着极其重要的作用，它们是电和磁的统一。
电和磁确实有很多相似之处:带电体周围有电场，磁铁周围有磁场；同性电荷相斥，同名磁极相斥；不同的电荷吸引，不同的磁极也吸引；变化的电场可以激发磁场，变化的磁场也可以激发电场；物体可以因摩擦而带电。如果磁铁的一极朝同一个方向摩擦几次，铁棒也能被磁化。物理学家法拉第和麦克斯韦创立了“电磁和磁力发电”的电磁场理论。
但是，其实就像一对幸福恩爱的夫妻，也会有性格上的差异和其他的不和谐。磁和电并不是完全对称的，这种不对称在宏观和微观上都有体现。宏观上，从地球、月球、行星到恒星、银河系和河外星系，无数的天体和浩瀚的星际空间都有磁场，磁场对天体的起源、结构和演化有着决定性的影响；然而电场在宇宙中几乎是无声的，似乎对多姿多彩的天文学毫无贡献。从微观的角度来看，在磁和电的关系中，磁性是更本质的东西。我们可以用磁来制约电，但不能用电来制约磁(电产生磁就另当别论了，比如电磁铁)。电学现象中，带电体可以分为带正负电荷的粒子，正负电荷可以独立存在；磁铁的两极总是成对出现。不管针被分成多少部分，不管它有多小，每个新得到的小磁铁总是有两个磁极。长期以来，人们一直没有发现单一的磁极——磁单极子。
多年来，人们一直对电和磁的宏观和微观不对称感到困惑，尤其是为什么正负电荷可以单独存在，而单个磁极却不能单独存在，充满了诸多疑问。
那么，磁单极子到底存在不存在？1931年，英国著名物理学家狄拉克首次用极其精妙的数学和物理公式从理论上预言磁单极子可以独立存在。他认为，既然电有基本电荷——电子，那么磁也应该有基本磁荷——磁单极子，这样才能保证电磁现象的完全对称性。因此，根据电动力学和量子力学的合理推导，他提出了磁单极子这种前所未有的新粒子。以前狄拉克预言过正电子的存在，已经被实验证实。这次他的磁单极子假说也震惊了科学界。
在磁单极子的理论研究中，除了狄拉克首先提出磁单极子理论外，其他科学家也提出了各种理论，各有特点和依据。比如著名的意大利裔美国物理学家费米就曾经在理论上讨论过磁单极子，认为它的存在是可能的。中国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等著名科学家也从不同的方面和程度对磁单极子理论进行了补充和完善。它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足，为磁单极子的思想提供了更为坚实的理论基础。
痕迹很难找到。
随着磁单极子的提出，科学界掀起了寻找磁单极子的狂潮。人们绞尽脑汁，用各种方法寻找这个理论上的磁单极子。
科学家们首先关注的是远古地球的铁矿石和来自地球以外的铁陨石，因为他们认为这些物体会隐藏着磁单极子的“精灵”。然而结果却让他们大失所望:无论是在“原生”地球物质中，还是在属于“不速之客”的地球之外的天体物质中，都没有发现磁单极子！
高能加速器是科学家实现寻找磁单极子理想的又一重要手段。科学家使用高能加速器加速原子核(例如质子)，以便撞击原子核，希望这可以在理论上分离紧密结合的正负磁单极子，以便找到磁单极子。美国科学家利用同步回旋加速器用高能质子多次碰撞轻核，但没有发现磁单极子的迹象。这个实验做了很多次，结果都是否定的。
远古岩石探索和加速器实验的挫折并没有让科学家气馁，反而激发了他们的斗志，促使他们拓宽思路。人们认为这可能是因为加速器的能量不够大。一方面，他们试图开发更强大的加速器，另一方面，他们将目光转向能量更大的自然宇宙射线，试图从宇宙射线中寻找磁单极子的痕迹。从宇宙射线中寻找磁单极子有两个理论依据:一是宇宙射线本身可能含有磁单极子，二是宇宙射线粒子与高层大气中的原子、离子、分子碰撞产生磁单极子。他们曾经把希望寄托在一套高效率的装置上，因为这种装置可以捕捉和记录一种非常小非常快的电磁现象。他们期待用这个装置来吸附宇宙射线中的磁单极子。可惜这个装置没能让他们如愿以偿，满怀希望的他们又遭受了一次沉重的失望。
但是，科学家并没有气馁，放弃。他们仍在寻找机会。人类飞上月球的实现，重新点燃了科学家心中燃烧的希望之火，让他们把目光投向了那个安静荒凉的地方，因为月球上没有大气，磁场也极其微弱，应该是寻找磁单极子的好地方。1973年，科学家们对阿波罗11、12和14带回的月球岩石进行了检查，并使用了极其灵敏的仪器。但令人惊讶的是，没有检测到磁单极子。
黎明曾经出现。
在寻找磁单极子的过程中，人们总是一次次失望。然而，在一次又一次沉重而丰富的失败的阴霾中，却不时闪现出一两抹美好的希望之光。
一些物理学家认为磁单极子对周围的物质有很强的吸引力，所以它们会在感光基底上留下又厚又黑的痕迹。根据这个特点，在1975年，美国的一个科研小组用气球把感光基板送到了空气极其稀薄的天空。经过几天几夜的宇宙射线照射，他们发现感光基板上真的有又厚又黑的痕迹。他们欣喜若狂，于是迫不及待地在一次国际会议上宣称发现了磁单极子。但是，会上对于是否真的是磁单极子留下的痕迹有很大的争论。大多数科学家认为那些痕迹明显是重离子留下的，但实验者仍然坚持认为它们是磁单极子留下的“杰作”。双方为此争论激烈，谁也说服不了谁。那么，到目前为止，这些痕迹到底是谁留下的，还是一个难以解开的“悬案”。
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磁单极子。他用一种叫做超导量子干涉磁力仪的仪器，在实验室里记录了151天的实验观察。经过仔细分析，实验数据基本符合磁单极子理论提出的磁单极子产生的条件，于是他认为这是磁单极子穿过了仪器中的超导线圈。但由于类似于那次实验中观察到的现象在以后并没有被反复观察到，所以本案并不能证实磁单极子的存在。
最近，来自中国、瑞士、日本和其他国家的一组科学家报告说，他们发现了磁单极子存在的间接证据。他们在一种叫做铁磁晶体的物质中观察到异常霍尔效应，认为只有假设磁单极子的存在才能解释这种现象。
虽然这些“发现”最终没有得到证实，但仍然给科学家们增添了极大的信心。
争议很难停止。
虽然磁单极子理论得到了进一步的完善，但人们仍然要面对这样一个事实:与磁单极子理论不断“前进”的局面相比，对磁单极子的寻找几乎是“原地踏步”。理论和实践相比，出现了极大的“不对称”，实践成了磁单极子理论的“短腿”。从20世纪到21世纪，世界各地都在寻找磁单极子，但仍然很难在陆地、海洋、太空、深海沉积物和月球岩石上找到磁单极子的踪迹。这种情况可以用这样一首诗来描述:“上，他寻找绿色的虚空，下，黄色的春天，但他在两个地方都没有找到他要找的那个人”。
经过这么长时间的寻找，可以说没有一个科学家敢宣称自己已经完整真实地发现了磁单极子，这就导致了磁单极子是否真的存在的疑云的出现，并且这种疑云逐渐越积越厚，笼罩着科学界，引发了新一轮关于磁单极子的更加激烈的争论。
有许多科学家对磁单极子的存在持否定态度，他们提出了这样或那样的理由来证明这一点，而最重要的理由是鸟类留下声音，动物留下痕迹。如果宇宙中确实存在磁单极子，总会留下线索，但迄今为止，人们用最先进的方法和最精密的仪器在各种物质中寻找磁单极子，却一无所获。所以可以认为，它们可能只是单纯存在于人们主观想象中的产物。
有意思的是，在19年末和20世纪初，有科学家用太学理论否定了磁单极子的存在:在人们可以用光学方法探测到的空间中，有一种物质叫做以太。由于乙醚的特殊性质，它们在空间中呈旋涡状态分布。很明显，宇宙中有大大小小的以太漩涡。因为旋涡是一种旋转，不管旋涡有多大，有多小，旋转的东西一定有旋转轴。以太的漩涡本质上是一个磁场。旋转轴必须有两端，也就是两极。没有只有一端的转轴，所以没有磁单极。然而，这种说法随着以太理论的抛弃而消失了。
还有人认为“电场”和“磁场”是电荷，是磁铁周围看不见摸不着的物质。电荷和磁铁通过各自的“场”作用于其他电荷和磁铁，场也表示电力或磁力的范围；电和磁的看不见的作用线分别叫做“电力线”或“磁感应线”。因为电荷的电场不是封闭的，它起于正电荷，止于负电荷，或者延伸到无穷远，在电荷处是不连续的；磁铁磁场的磁感应线始终是闭合的，在磁铁内外各处都是连续的。实验中从未见过单个磁极或磁荷，也从未发现未闭合的磁感应线。因此，在经典电磁理论中，简单地排除了磁单极子存在的可能性。正是因为上述原因，强调对称性的英国物理学家麦克斯韦最终不敢将其引入自己的理论，尽管他在建立经典电磁理论时也是为了对称性而考虑磁单极子。所以这种不对称性在经典电磁理论中一直保留到今天。
特别需要指出的是，就连晚年的狄拉克本人也对磁单极子的存在深表怀疑。1981他在给朋友的信中说:到目前为止我是那些不相信磁单极子存在的人之一。因此，持否定观点的人也认为，应该尽早放弃对磁单极子的寻找，因为这种寻找无异于缘木求鱼，只能是徒劳的。
有许多杰出的物理学家肯定磁单极子的存在。他们坚持认为磁单极子是存在的，但它们成对紧密结合，所有高能粒子还不能把它们吹走。不过，他们也认为有一点是肯定的，那就是即使磁单极子存在，也很可能是在宇宙形成的早期产生的，剩下的数量非常少，因为如果宇宙中充满了大量的磁单极子，宇宙中的磁场将不复存在。这些磁单极子很少见，而且分散在浩瀚的宇宙中，要找到它们并不容易。但如果磁单极子的含量少，正负磁单极子相互湮灭的概率也会低，所以更容易保存下来。
一些科学家首先肯定磁单极子的存在，但同时承认磁单极子实际上很难找到。他们的理由是，在人类观测的范围内，现有的磁单极子应该大部分属于一种移动速度极慢、惯性极强的“慢磁单极子”，而那些“有活力的”、“快速移动的”“快磁单极子”早已飞离银河系，消失在无尽的太空中。而“慢磁单极子”对物质的电离作用较弱。如果你想观测它们，你需要一个比现在的设备灵敏几万倍的探测器。以目前的科技水平，暂时还无法制造出这样的探测器。
有科学家甚至计算出了磁单极子的质量，证明磁单极子的质量是惊人的，大约是质子质量的654.38+亿倍，甚至比细菌还大！因此，他们进一步认为，无论是现代加速器还是高能宇宙射线，都无法产生如此大质量的粒子。只有宇宙诞生，也就是大爆炸，才具备磁单极子产生所需的极高温度和极大能量密度条件。
特别值得一提的是，尽管科学家在实验中寻找磁单极子时总是“失望”，但预测磁单极子存在的理论却一直在不断创新。比如海啸这种可怕的自然现象，往往会导致海洋中出现异常稳定的孤波，也就是孤立子。这种孤子在波涛汹涌的大海中几乎不受任何其他外来物的干扰，永远保持自己的波形和能量，不断涌向远方。前苏联物理学家巴尔亚科夫和荷兰科学家特霍夫在研究弱力和电磁力的关系时发现，在弱电场中(弱力和电磁力是这个场的不同表现)，会发生“场啸”，每次场啸都会产生类似孤子的粒子。他们认为这种粒子可能是磁单极子。
持肯定观点的科学家一致认为，虽然磁单极子非常少，但考虑到它对物理学的巨大影响，不遗余力地寻找它们是值得的。
两种观点激烈交锋，谁也说服不了谁。
不要放弃
磁单极子理论提出至今已有半个多世纪，长时间无法证实或否定，这在科学史上是罕见的，因为一般的科学假说如果这么长时间都得不到证实，人们就会否定或放弃这个假说。
那么对于经历了半个多世纪探索的磁单极子，可以说基本没有突破。人们最终会放弃寻找吗？
事实上，自20世纪30年代以来，磁单极子一直是物理学家和天文学家的热门话题，也引起了广大科学爱好者的极大兴趣，对它们的探索从未停止。这是因为磁单极子复杂的相互作用过程与我们目前所知的一般电磁现象完全不同。磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一个来源和电磁现象对称性，还涉及宇宙极早期演化理论和微观粒子结构理论。磁单极子的引入可以很好地解释同电荷的稳定性，电荷的量子化，轻子结构，轻子和强子的统一组成，轻子和夸克的对称性。虽然至今没有发现磁单极子，但在半个多世纪对磁单极子的理论研究和实践探索中，采用了量子理论、相对论、统一场论等复杂的理论手段，涉及最广阔的宏观世界和最小的微观世界，涉及极长极短的时间尺度。它不仅给物理学带来了活力，也挑战了两极不可分的哲学信条。
更重要的是，在探索磁单极子的过程中，对加速器等物理特殊粒子研究技术的发展有很大的推动作用。尽管磁单极子假说至今仍未在实验中得到最终证实，但它仍将是当代物理学基础理论研究和实验中最重要的课题之一，因为今天的磁单极子已经成为解决涉及微观世界和宏观世界的一系列重大问题的突破口。如果磁单极子确实存在，不仅现有的电磁理论将得到极大的修正，物理学和天文学的基础理论也将得到极大的发展，人们对宇宙起源和发展的认识将进一步加深。
所以，总的来说，磁单极子这个涉及磁性、电磁对称性、宇宙早期演化和微观基本粒子结构的问题，还需要从实验观测和理论等方面进一步研究，对它的寻找绝不能半途而废，否则就白费了。当然，寻找磁单极子并不是一件容易的事情，而是一项长期而艰巨的任务。这仍然需要大量的时间和精力，甚至可能需要几代人的努力，但科学家绝不会轻易放弃。
名词解释
狄拉克(1902—1984):英国物理学家。他不仅对相对论量子电动力学理论做出了重要贡献，还提出了反物质理论、磁单极子理论和基本物理常数随时间变化的理论，其中反物质理论已在实验中得到证实，成为阿尔法磁谱仪的重点研究对象。因为对量子力学发展的贡献，获得了1933诺贝尔物理学奖。
孤子:在河流、湖泊、海洋等水面上，只有一个波峰，波长无限大，不随时间和位置周期性变化的运动波动称为孤子，又称孤波。孤立波在波峰附近很陡，大部分能量都集中在这里。当波高与水深的比值(常用比值为0.78)增大到一定值时，波峰附近会发生破碎。
以太:古希腊哲学家首先想到的一种媒介。17世纪后，又被提出来解释光的传播和电磁与引力的相互作用。当时认为光是一种力学弹性波，但由于这种波的传播必须有某种弹性介质作为介质(例如空气或水是声波传播的介质)，光可以通过真空传播，所以必须假设有一种尚未被实验发现的以太作为传播光的介质。为了解释光在传播中的各种性质，必须认为以太是无处不在的(包括真空和任何物质)，无质量的，“绝对静止的”。电磁和引力效应被认为是以太中的特殊力学效应。以太的概念在19世纪被人们广泛接受，但后来也暴露出很多问题。比如，为了解释更多的现象，它必须具有各种明显不合理的性质；一些试图确定乙醚存在的实验经常失败。直到20世纪初，随着相对论的建立和对场的进一步研究，才完全确定光(电磁波)的传播和所有相互作用的传递都是通过各种场，而不是通过机械介质。这样，以太就成了一个老概念，被抛弃了。
反常霍尔效应:美国物理学家霍尔(1855-1938)发现，如果对磁场中的导体施加一个电压，磁场的方向与施加电压的方向垂直，那么在与磁场和施加电流都垂直的方向上会产生另一个电压。人们把这个电压叫做霍尔电压，这种现象叫做霍尔效应。更一般地说，当导体中有电流时，就有载流子在导体中运动。当导体中存在磁场时，导体中电荷载流子的运动会受到影响，因此这些电荷载流子可能会向一侧倾斜。就像一条路，大家均匀分布在路面上，向前移动。当有磁场时，每个人都可能被推到路的右边。所以路(导体)的两边会产生电压差。铁磁性材料的霍尔效应通常由两部分组成，一般非磁性金属材料的电阻应与施加的磁场成正比，称为一般霍尔效应。但在铁磁性金属材料中，其电阻还与材料的磁化强度有关，这种现象称为异常霍尔效应。
参考资料:
/d/2005-09-13/1535719136