找不到的物質,一種絕大多數科學家都不承認的“磁單極子”

任何一塊磁體,總是存在磁南極和磁北極,世界上還沒有發現只有一個單獨的磁南極或單獨的磁北極的磁體。

找不到的物質,一種絕大多數科學家都不承認的“磁單極子”

但是,1931年物理學家狄拉克在一篇文摘中明確指出:在自然界中有磁單極子存在。70多年過去了,大多數物理學家對此持懷疑態度,道理很簡單,因為一直沒有發現它存在的跡象。但是,還是有不少物理學家在尋找磁單極子。

找不到的物質,一種絕大多數科學家都不承認的“磁單極子”

前蘇聯物理學家波拉科夫和芬蘭物理學家特·胡夫特從理論上對磁單極子進行研究,認為磁單極子的質量超過質子質量的5000倍。而在現今的大統一理論中,認為磁單極子的質量約是質子質量的1016倍。物理學家濟爾多維克和克羅波夫指出:在宇宙大爆炸的一瞬間,產生了能量極高的磁單極子。因為大爆炸之後溫度很快下降,這樣磁性相反的磁單極子就極容易發生湮滅,使得宇宙中的磁單極子倖存寥寥無幾。他們還指出,在大爆炸後的1%秒,宇宙中的磁單極子的密度為4×1013立方米空間中只有一個。儘管這個密度很小很小,但還是有磁單極子的存在。

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根據磁單極子理論,物理學家認為它應有如下性質:首先是具有極強的電離能力,在較高速度下,磁單極子的電離能力是電子的18000倍,在低速條件下,電離能力更大。第二,它在磁場中能被加速。第三,它能被反磁質排斥,被順磁質吸收。第四,它可以和順磁性的原子或分子結合成束系統,結合能的大小和化學結合能相當。第五,它的質量很大,比質子的質量還要大。

隨著磁單極子的提出,科學界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。

科學家首先把尋找的重點放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上,因為他們覺得這些物體中,會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結果卻令他們大失所望:無論是在“土生土長”的地球物質中,還是那些屬於“不速之客”的地球之外的天體物質中,均未發現磁單極子!

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高能加速器是科學家實現尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段。科學家利用高能加速器加速核子(例如質子),以之衝擊原子核,希望這樣能夠使理論中的緊密結合的正負磁單極子分離,以求找到磁單極子。美國的科學家利用同步迴旋加速器,多次用高能質子與氫原子核碰撞,但是也沒有發現有磁單極子產生的跡象。這樣的實驗已經做了很多次,得到的都是否定的結果。

古老岩石探測和加速器實驗所遭到的挫折,並沒有使科學家們氣餒,反而更加激發了他們的鬥志,並促使他們廣開思路,想到了這也許是因為加速器的能量不夠大的緣故。他們一方面試圖研製出功能更加強大的加速器,一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線,試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據有兩方面:——種是宇宙射線本身可能含有磁單極子,另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產生磁單極子。他們曾經把希望寄託在一套高效能的裝置上,因為這種裝置可以捕捉並記錄到非常微小、速度非常快的電磁現象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙線中的磁單極子吸附上,遺憾的是這套裝置也未能使他們如願以償,滿腔希望的他們又遭受了一次失望的打擊。

但是,科學家們並不因此氣餒和放棄,他們仍在不斷地尋找著機會。人類登月飛行的實現,又重新在科學家心目中燃起了熊熊的希望之火,讓科學家把目光投向那寂靜荒涼的地方,因為月球上既沒有大氣,磁場又極微弱,應該是尋找磁單極子的好場所。科學家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運回的月岩進行了檢測,而且使用了極靈敏的儀器。但出人意料的是,竟沒有測出任何磁單極子。

找不到的物質,一種絕大多數科學家都不承認的“磁單極子”

在對磁單極子進行尋找的過程中,人們“收穫”到的總是一次又一次的失望。在一次又一次沉重的失敗中,人們又不時地看到希望的曙光。

有一些物理學家認為,磁單極子對周圍物質有很強的吸引力,所以它們在感光底板上會留下又粗又黑的痕跡。根據這一特點,美國的一個科研小組把一個裝有聚碳酸脂固體探測器和乳膠的多層片疊在一起,用氣球放到離地球表面40公里的高空飄浮62小時後收回。他們在乳膠中找到一根有著強電離的蹤跡,而且在整條蹤跡上,電離沒有發生什麼變化。這正是磁單極子第一個物質決定的。這個小組認為是磁單極子留下的痕跡。但是,另有一些科學家則認為此解釋不那麼確定。因為很重的原子核或者很重的反粒子也可以留下這樣的痕跡,憑什麼說這是磁單極子所為?

最近,一組由中國、瑞士、日本等多國的科學家組成的研究小組報告說,他們發現了磁單極子存在的間接證據,他們在一種被稱為鐵磁晶體的物質中觀察到反常霍爾效應,並且認為只有假設存在磁單極子才能解釋這種現象。

雖然這些“發現”最終都沒有得到很確鑿的認證,但還是給科學家們增添了很大的信心。看來,尋找磁單極子已成為21世紀物理學家的重大課題了。

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