磁荷

物理物质

人类最早发现磁现象是从磁铁开始的，后来才逐渐认识到磁与电的关系。磁铁有N/S两极，他们同号相斥，异号相吸，这一点同正负电荷有很大的相似性。

概念

人们假定，在N极上聚集着正磁荷，在S极上聚集着负磁荷。由此可以将磁现象与电现象类比，得出一系列相似的定律，引入相似的概念。例如磁的库仑定律、磁场强度、磁势、磁偶极矩等。

与分子电流观点的等效性

安培提出“分子电流”假说，开启了近代磁学，这实际上是否定了原先流行的磁荷观点。在分子电流观点中，磁感应强度B是基本量，而磁场强度H是辅助量；在磁荷观点中则正好相反。现在科学界普遍认为分子电流观点更好地揭示了磁现象的本质。

但是在计算磁介质的磁化时两种观点是等效的：即无论采用哪种观点，在自己的体系内进行运算，可以得到同样的宏观效果。

磁荷及磁单极子的理论否定

由于从正电荷和负电荷定义出发所得到的电磁学和电动力学理论的巨大成功，许多物理学家坚信磁场也应相对应地由磁荷或磁单极子产生。这种假设在无法深究物质的基本粒子组成性的经典物理范畴是合情合理的。一旦将电荷的物质来源归结到电子和质子后，电场与磁场之间就毫无共同之处。

带正电的点电荷是其中过剩的正离子（质子）的宏观表现；带负电的点电荷是其中过剩的电子的宏观表现。

经典物理认为：点电荷产生电场，运动的点电荷产生蜗旋磁场。与之对应的现代物理解释则是：电子（或质子）产生电场，运动的电子（或运动的质子）产生磁场。由此可见，电子的单位负电场的物质来源是电子所具有的单位负电荷，无论电子运动与否，都将产生单位负电场。电子的磁场则完全不同：静止电子不产生磁场，因此其内部没有磁场源；运动电子产生蜗旋磁场，因此其内部增加了由外力能量转换而来的磁场源，并且由这个磁场源所产生的磁场永远是蜗旋场，根本没有磁荷或磁单极子存在。由此得到结论：运动电子将加速外力的能量转换为其内部的磁能物质源（满足质能转换定律），该磁源只产生蜗旋磁场。

磁单极子

历史

英国物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）早在1931年利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。当时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。通过种种方式寻找磁单极粒子包括使用粒子加速器人工制造磁单极子均无收获。1975年，美国的科学家利用高空气球来探测地球大气层外的宇宙辐射时偶尔发现了一条轨迹，当时科学家们分析认为这条轨迹便是磁单极粒子所留下的轨迹。1982年2月14日，在美国斯坦福大学物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣称他利用超导线圈发现了磁单极粒子，然而事后他在重复他先前的实验时却未得到先前探测到的磁单极粒子，最终未能证实磁单极粒子的存在。因此不少科学家认为磁极在宇宙中总是南北两极互补分离，成对的出现，对磁单极粒子的存在质疑。也有理论认为，磁单极粒子不是以基本粒子的形式存在，而是以自旋冰(spin ice)等奇异的凝聚态物质系统中的出射粒子的形式存在。

概念

这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质，如果找到了它们，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。

磁单极粒子作为物质的基本构成，它的单独存在可能非常困难，或者可能极其微弱以致无法测量，从二元论的角度分析可能会更合理些，如纯的吸引性粒子和纯的排斥性粒子，曾经作过广泛的探查，而且每当粒子加速器开拓新能区或发现新的物质源（例如从月球上取来岩石）都要重新进行磁单极粒子的的搜索。1982年采用超导量子干涉器件磁强计探测到一起磁单极粒子的事例，但还不足以肯定其存在。

在磁单极粒子的理论研究方面，除狄拉克最早提出的磁单极粒子学说外，还有其他一些科学家也曾提出过多种的学说，各有其特点和根据。如著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上探讨过磁单极粒子，并且也认为它的存在是可能的。华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等一些著名的科学家，也从不同方面和不同程度地对磁单极粒子理论做出了补充和完善。它们弥补了狄拉克理论中的一些缺陷和不足，给磁单极粒子的设想辅以更坚实的理论基础。

质疑

在经典电磁理论中，磁是由电流和变化的电场产生的，磁南极和磁北极总是同时存在的，不存在磁单极子。如果我们将带有磁性的金属棒截断为二，新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场，重新编排磁场的北极、南极，原先的北极南极两极在截断磁棒后会转换成四极各磁棒一南一北。如果继续截下去，磁场也同时会继续改变磁场的分布，每段磁棒总是会有相应的南北两极。

需求与来源

1931年P.A.M.狄拉克从分析量子系统波函数相位不确定性出发，得出磁单极子存在的条件，可用以说明电荷量子化这个理论上无法说明的事实。20世纪70年代以后建立起来的大统一理论以及早期宇宙的研究都要求存在磁单极子，磁单极子的质量重达1016吉电子伏特/光速2（GeV/C2）。实验上探测磁单极子成为检验粒子物理大统一理论和天体物理宇宙演化理论的重要依据。一些大统一理论也预言了磁单极子的存在：不同于基本粒子，磁单极子是孤波（局域能量包）。使用这些模型去估计大爆炸中产生的磁单极子的数目，得到的最初结果与对宇宙的观察结果相矛盾--磁单极子是如此的多而巨大，它们甚至可以阻止宇宙的膨胀。然而宇宙暴涨理论(也是这个理论被提出的原因之一)成功地解决了这问题。这个理论建立了一个模型，使得磁单极子在宇宙中存在，但数量极少的能够与实际观测相符合。

发展

磁单极粒子理论自提出以来迄今，已逾半个多世纪，长期不能被证实，也不能被否定，这在科学史上是罕见的，因为一般的科学假设如果在这么长的时间内未被证实，人们就会将此假设否定或放弃。那么，对于经历了大半个世纪的探寻，基本上可以说是没有什么突破性进展的磁单极粒子，人们是否最终也同样会放弃寻找呢？

曙光

在对磁单极粒子进行寻找的过程中，人们“收获”到的总是一次又一次地失望。不过，在一次又一次沉重、浓郁的失败的晦暗中间，也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光。

有一些物理学家认为，磁单极粒子对周围物质有很强的吸引力，所以它们在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹。根据这一特点，1975年，美国的一个科研小组，用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空，经过几昼夜宇宙射线的照射，发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹，他们欣喜若狂，于是迫不及待地在随后召开的一次国际会议上声称，他们找到了磁单极粒子。但是，对于那是否真的是磁单极粒子留下的痕迹，会上争论很大，大多数科学家认为那些痕迹很明显是重离子留下的，但试验者还是坚持认为那是磁单极粒子留下的“杰作”。双方为此展开了激烈的争论，谁也说服不了谁。所以，到目前为止，这些痕迹到底是谁留下的，还是桩难以了断的“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一个磁单极粒子。他采用一种称为超导量子干涉式磁强计的仪器，在实验室中进行了151天的实验观察记录，经过周密分析，实验所得的数据与磁单极粒子理论所提出的磁场单极粒子产生的条件基本吻合，因此他认为这是磁单极粒子穿过了仪器中的超导线圈。不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象，所以这一事例还不能确证磁单极粒子的存在。

最近，一组由中国、瑞士、日本等多国的科学家组成的研究小组报告说，他们发现了磁单极粒子存在的间接证据，他们在一种被称为铁磁晶体的物质中观察到反常霍尔效应，并且认为只有假设存在磁单极粒子才能解释这种现象。德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到了磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。该研究成果发表在9月3日出版的《科学》杂志上。

科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获。此次，德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森·莫里斯和阿兰·坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体，这种材料可结晶成相当显著的几何形状，也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下，研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”，此名得自于偶极子本身的次序。如此一个可控的管(弦)网络就可通过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。

特别值得一提的是，科学家虽然在实验上寻找磁单极粒子时总是“扫兴而归”，但在预言磁单极粒子存在的理论却不断有创新。如海啸是一种骇人的自然现象，它常常导致海洋中产生一种异常稳定的孤立波，即孤立子。这种孤立子在波涛汹涌的大海中几乎不受其它任何外来事物的干扰，永葆自己的波形和能量，不停地涌向远方。前苏联物理学家鲍尔雅科夫和荷兰科学家特霍夫脱在对弱力和电磁力的关系进行研究时发现，在弱电场(弱力和电磁力是这种场的不同表现)中，会发生“场啸”，每次场啸将产生与孤立子类似的粒子，他们认为这种粒子极有可能就是磁单极粒子。

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