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magnetic monopole

  带单极性磁荷的粒子。1931年P.A.M.狄喇克从分析量子系统波函数相位的不确定性出发,指出现在理论允许只带一种磁极性(北极或南极)的粒子(磁单极子)单独存在,并导出相应的狄喇克量子化条件

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磁单极子的磁荷g与其他任何带电粒子的电荷q乘积被啚с除,必须是整数或半整数。n=1对应最小电荷和最小磁荷,分别称为单位电荷和单位磁荷。狄喇克量子化条件指出,任何带电粒子的电荷必须是单位电荷的整数倍,任何带磁粒子(磁单极子)的磁荷必须是单位磁荷的整数倍。如果磁单极子确实存在,它在一定程度上解释了目前实验上观测到的带电粒子电荷量子化现象,即任何一种带电的物质不管它们在其他方面的性质如何,它们所带的电荷精确地等于电子电荷的整数倍,例如实验测得的质子电荷与电子电荷的绝对值在很高精度上相等(见粒子电荷)。

  J.S.施温格把既带电荷又带磁荷的粒子称之为双荷子(dyon),对两个双荷子(q1,g1)和(q2,g2)组成的系统,狄喇克量子化条件应推广为

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  狄喇克关于存在磁单极子的假设引起了理论和实验物理学家的广泛兴趣。在经典电动力学理论中引入磁单极子,必然导致电磁势在某一根弦上奇异,称为奇异弦。奇异弦会造成电磁场量子化的困难。除狄喇克量子化条件外,磁荷的量子化值在理论上没有限制。1974年,G.霍夫特和Α.М.波利亚科夫独立地把U(1)电磁场嵌入到SU(2)规范场中,并通过黑格斯机制把SU(2)对称性自发破缺到U(1)对称性,从而避免了奇异弦,得到了在全空间正则的能量有限的磁单极(数值)解,能量大约是相应的矢量粒子的质量的137倍,磁荷为狄喇克单位磁荷。

  因为 SU(2) 规范理论并非真实的物理模型, 而SU(2)×U(1) 电弱统一理论已经从数学上证明不存在磁单极解,存在正则磁单极解的最简单的物理模型是SU(5)大统一理论。在这理论中磁荷只能是狄喇克单位磁荷的±1、±2、±3或 ±4倍,其中 ±3倍单位磁荷的磁单极是不带色的,根据色禁闭的假设(见量子色动力学),它也许在物理上更使人感兴趣。因为大统一理论中重矢量粒子的质量在 1014GeV 量级,所以磁单极子的质量也重达1016GeV。目前在理论上,有不少人讨论磁单极子与物质相互作用的特点和性质,磁单极子的存在对宇宙学的影响,以及磁单极子媒介质子衰变的可能性。磁单极子的存在还会引起物理上可能很重要的新现象,例如带整数自旋的电荷和带整数自旋的磁单极子构成的系统,可以具有半整数的自旋;费密子和磁单极子系统可以有带半整数费密子数的状态存在。

  在实验方面,主要是按照狄喇克磁单极子的观念,在宇宙线、磁铁矿、海底沉积物、陨石、月球岩样、加速器的轰击物等中作了广泛查寻,几乎都得到否定的结果。唯有1982年美国加利福尼亚大学的B.卡夫雷拉利用超导环的方法检测到一个似乎是带单位狄喇克磁荷的粒子的事例。以后许多人用更敏感的探测系统来检测,但都没有探测到磁单极子事例。

  尽管目前实验上尚未肯定地找到磁单极子,但因为磁单极子解是很自然地由现有理论中得到的,而且它的存在能较自然地解释电荷量子化现象,所以磁单极子目前仍吸引一部分理论和实验物理学家去进行研究。

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