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磁单极子存在吗?

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介绍一下科学史。

学过电磁学都知道,带电粒子的电荷量总是元电荷 e 的整数倍,也就是,电荷总是量子化的。

mathrm{Dirac} 指出,磁单极的存在是和电荷量子化有关联的。

以下推导需要一点物理学知识。

假设带电粒子在不受电磁场作用时的波函数为

psi(x,y,z,t)

电磁场是一个规范场,电磁场的矢势 bf{A} 可以表示为某一个标量函数 Lambda 的梯度

bf{A}=nabla Lambda

根据规范场理论,带电粒子在电磁场中的波函数将成为

Psi=e^{igamma(x,y,z,t)}psi(x,y,z,t)

可以证明,上式中

gamma=frac{qLambda}{hbar}

式中 q 为带电粒子的电荷。带电粒子在电磁场中经过 mathrm{d}bf{l} 的路程后,相位因子 gamma 的增量为

begin{aligned} mathrm{d}gamma&=frac{q}{hbar}mathrm{d}Lambda\ &=frac{q}{hbar}left(frac{partialLambda}{partial x}mathrm{d}x+frac{partialLambda}{partial y}mathrm{d}y+frac{partialLambda}{partial z}mathrm{d}zright)\ &=frac{q}{hbar}left(nablaLambdacdotmathrm{d}bf{l}right) end{aligned}

带电粒子在电磁场中绕某一闭合回路 L 一周后,其波函数相位因子总改变量为

left(Deltagammaright)_{L}=frac{q}{hbar}oint_{L}nablaLambdacdotmathrm{d}bf{l}

带入 bf{A}=nablaLambda ,得

begin{aligned} left(Deltagammaright)_{L}&=frac{q}{hbar}oint_{L}bf{A}cdotmathrm{d}bf{l}\ &=frac{q}{hbar}iint_{S}left(nablatimesbf{A}right)cdotmathrm{d}bf{S} end{aligned}

上式 S 为闭合回路 L 包围的曲面,因为 bf{B}=nablatimesbf{A} ,所以有

left(Deltagammaright)_{L}=frac{q}{hbar}iint_{S}bf{B}cdotmathrm{d}bf{S}

mathrm{Dirac} 假设存在磁单极,设其磁荷为 g ,则当一个带电粒子在此磁单极产生的磁场 bf{B} 中沿一个闭合回路运动一周时,描述此带电粒子的波函数的相位因子的总改变量,应该等于穿过以此回路为周界的曲面的磁通量乘以 frac{q}{hbar}

由于波函数的相位因子有不确定性,因此在相位因子中加上 2pi 的任意整数倍并不影响对带电粒子波函数的描述。

因此,上式应改写为

left(Deltagammaright)_{L}+2pi n=frac{q}{hbar}iint_{S}bf{B}cdotmathrm{d}bf{S}

将上式用于一个无限小的回路,则以该回路为周界的曲面趋于闭合曲面。

对于无限小回路, left(Deltagammaright)_{L}=0 ,于是

frac{q}{hbar}iint_{S}bf{B}cdotmathrm{d}bf{S } = mathrm{2pi n}

对于不存在磁荷的区域,穿过任意闭合曲面的磁通量为零,即

iint_{S}bf{B}cdotmathrm{d}bf{S}=mathrm{0}

因此, n=0

倘若存在磁荷为 g 的磁单极,则与电场的 mathrm{Gauss} 定理类似

iint_{S}{bf{B}}cdotmathrm{d}{bf{S}}=mu_0g

于是有

frac{mu_0qg}{hbar}=2pi n

故带电粒子的电量 q

q=nleft(frac{2pihbar}{mu_0g}right)

上式表明,因为 n 是整数, q 只能是 frac{2pihbar}{mu_0g} 的整数倍,即 q 是量子化的。

因此,根据 mathrm{Dirac} 的假设,电荷量子化与磁单极存在是相关的。[1]

不妨估计一下磁单极荷 g 的大小,设 q 为电子的电量 -e ,即取 n=-1 ,可以得到

begin{aligned} g_{min}&=frac{2pihbar}{mu_0 e}\ &=frac{e}{2varepsilon_0mu_0c}cdotfrac{4pivarepsilon_0hbar c}{e^2} end{aligned}

利用索末菲精细结构常数

alpha=frac{mu_0ce^2}{4pi hbar}

得到

g_{min}=frac{ce}{2alpha}

2022年6月5日更

与之相似的,就是在2017年之前提问

1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。[2]

狄拉克在1931年利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在。从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极粒子的工作。内森·塞伯格(Nathan Seiberg)和爱德华·威滕(Edward Witten)两位美国物理学家于1994年首次证明出磁单极粒子存在理论上的可能性。

以上内容不代表任何人的学术立场,或许有纰漏甚至严重错误,请各位看官海涵。

占个坑~SU(2)规范场论中有一个磁单极子构型,是1974年’t Hooft和Polyakov分别发现的。之前的Dirac量子化eg=nπ/2好像高赞已经说过了。1994年Seiberg和Witten在他们的一篇著名论文里提出了N=2超对称Yang-Mills理论中的磁单极子构型,并揭示了电子和磁单极子两种理论描述互为对方的强/弱耦合理论这件事,这就是著名的S-对偶。

有时间我会写个比较完整的回答。

应该不存在。

认为可能存在的答主,谁能写一个包含磁单极子的QED拉氏量吗?

其中光子部分和电子部分应该是不能变的,怎么加磁单极子项?感觉加不进去。

磁场高斯定律说明它不存在。

但是谁知道会不会真的存在然后推翻这个定律呢?

有的科学家认为存在,有的科学家认为不存在,在科学中有争议的问题都是还没有解决的问题。

不存在!首先,此概念提出100多年了,到现在也没有真正找到。其次,根据生磁原理,磁磁的起源一定与旋转有关(包括公转和自旋),而旋转具有偶极矩性,故磁的产生与自然存在一定具有偶极性。

磁单极子没有道理一定不存在。不少理论可以兼容磁单极子。但我们始终没有在实验中发现它。很可能是它的确不存在,或是有什么更深层次没有发现的规律。仅此而已。

你想证明,还是想证伪?现成的答案,网上搜一下就出来。不一样的答案,能有自己设计实验验证有趣吗?

只能说,目前还没有发现存在的证据

不过有些科学家认为它是存在的,并且为之付出辛勤的努力。

一个圆环你硬要把它分出头尾来有什么意思?可以肯定的是不存在磁单极子。

只能说目前没有发现其存在的实验,但在超弦理论中磁单极子是存在的。

董艳丽的屁

不存在

磁的形成原理是“环绕的电流”

既然是环绕的,那么,一侧是S极,另一侧是N极

这种磁单极子和所谓的引力子、引力波、反重力场……等等,都一样。属于现物理学理论框架下永动机概念的附属产物,只存在于人们的猜测和幻想之中。

其实,人们只要通过斥引量子理论,就能认识到有一种能够反映出宇宙本质属性的最为基础事物的存在,也就能够从这种最为基础性事物在结构上的组成关系中看明白,为什么这些具有类似纯阳或纯阴属性的事物或现象,不能够以这种独立品质形式存在的原因了。

目前来讲,最能够以科学的方式揭示宇宙中最为基础事物的文章,就是斥引量子理论了,虽然现在这部理论还默默无闻,但随着我们团队对隐性能量转换设备不断地完善,很快就能打造出一种冒似超级永动机,但又根本不是现物理学理论概念下的永动机的一种具有强劲动力的动力源之后,斥引量子理论自然也能够被人们所重视。一但这部理论得到人们的认同,全人类梦想的星际时代也将随之开启。因此,现在看到这篇文章的人,有最好了解斥引量子理论的机会,说不定还会对你目前研究的项目有所帮助!

明白产生磁的原因就明白为什么没有单极性磁体。

你撞到大运了,在这个世上,只有我可以明明白白地告诉你及世人。磁单极子是不存在的。其道理其实很简单,但当下的人们,包括全世界的理论物理学家们在内,都不能一下子想明白。但以后随着新的理论物理学说的推广运用,这一问题将会迎刃而解的。

如果是作为准粒子,那它存在,例如磁性斯格明子

图中c图就是单个磁性斯格明子,b图就是磁矩投影到三维空间构成的准粒子,像一个刺猬结构,像不像正电荷散发出来的电场,但这是磁矩结构,你理解为散发出来的磁场也行,所以也磁单极子是有作为准粒子存在于凝聚态物理里面。

理论上存在,实际未发现

盖亚奥特曼里有一个单级子怪兽

宇宙怪兽莫奇安肚子里有一块磁单极子石头。

与其说它存不存在,不如说我们希不希望它存在,反正我是希望的,多一种未知性质的东西,宇宙会更有趣。

不过,不要以莫奇安作为载体来到地球就行。(来了我就不再隐藏身份了,盖亚!)

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