任何磁铁总有一个磁南极和一个磁北极,世界上还没有发现只有一个磁南极或一个磁北极的磁铁。
然而,1931年,物理学家狄拉克在一篇摘要中明确指出,自然界中存在磁单极子。70多年过去了,大多数物理学家对此持怀疑态度。原因很简单,因为一直没有它存在的迹象。然而,许多物理学家仍在寻找磁单极子。
前苏联物理学家波拉科夫和芬兰物理学家库尔特·胡夫特对磁单极子进行了理论研究,认为磁单极子的质量超过了质子质量的5000倍。在今天的大统一理论中,认为磁单极子的质量约为质子的1016倍。物理学家齐多维奇和克罗波夫指出,在BIGBANG中的一个瞬间,产生了一个能量极高的磁单极子。因为大爆炸后温度下降很快,磁性相反的磁单极子非常容易湮灭,宇宙中很少有磁单极子存活。他们还指出,在大爆炸后的1%秒内,宇宙中磁单极子的密度只有4×1013立方米空分之一。虽然这个密度很小,但仍然有磁单极。
根据磁单极子理论,物理学家认为它应该具有以下性质:第一,它具有极强的电离能力。在较高的速度下,磁单极子的电离能力是电子的18000倍,在较低的速度下,电离能力更大。第二,它可以在磁场中加速。三是能被抗磁性物质排斥,被顺磁性物质吸收。第四,能与顺磁性原子或分子结合形成束系,结合能等于化学结合能。第五,它的质量很大,比质子还大。
随着磁单极子的引入,科学界掀起了寻找磁单极子的热潮。
科学家们首先把搜索的重点放在古代地球的铁矿石和地球以外的铁陨石上,因为他们认为磁单极子隐藏在这些物体中。然而,结果却让他们大失所望:在“出生和长大”的地球物质中,或者那些“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。科学家利用高能加速器加速核子撞击原子核,希望在理论上分离出紧密结合的正负磁单极子,从而找到磁单极子。美国科学家利用同步回旋加速器多次与高能质子的氢原子核碰撞,但没有磁单极子的迹象。这种实验做了很多次,结果都是阴性。
古代岩石探索和加速器实验的挫折并没有让科学家气馁,反而激发了他们的战斗精神,促使他们拓宽思路,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,他们将注意力转向能量更大的自然宇宙射线,并试图在宇宙射线中找到磁单极子。从宇宙射线中寻找磁单极子有两个理论基础:一是宇宙射线可能含有磁单极子,二是宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等发生碰撞。他们曾经把希望寄托在一套高性能的设备上,因为这种设备可以捕捉和记录非常微小和快速的电磁现象。他们期待着用这个装置来吸附宇宙射线中的磁单极子。不幸的是,这个装置没能让他们如愿以偿,他们再次遭受了令人失望的打击。
然而,科学家们并没有气馁和放弃,他们仍然在寻找机会。人类飞往月球的实现,重新点燃了科学家们心中炽热的希望之火,这让科学家们把目光投向了这个安静荒凉的地方,因为月球既没有大气层,也没有磁场,所以应该是寻找磁单极子的好地方。科学家们测试了阿波罗11号、12号和14号飞船返回的月球岩石,并使用了极其敏感的仪器。但出乎意料的是,没有探测到磁单极子。
在寻找磁单极子的过程中,人们总是一次又一次地失望。在一次次沉重的失败中,人们不时看到希望的曙光。
一些物理学家认为磁单极子对周围的物质非常有吸引力,所以它们会在感光底板上留下又厚又黑的痕迹。根据这一特点,美国的一个科研团队将一个多层薄片与聚碳酸酯固体探测器和乳胶叠放在一起,然后放在离地球表面40公里的气球中漂浮62小时。他们在乳胶中发现了一个电离很强的痕迹,整个痕迹中电离没有变化。这是由磁单极子的第一种物质决定的。研究小组认为这是一个磁单极子。然而,其他科学家认为这个解释并不那么确定。因为重原子核或重反粒子也能留下这样的痕迹,为什么要说这是磁单极子的工作呢?
最近,一个由中国、瑞士、日本和其他国家的科学家组成的研究小组报告说,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性晶体的物质中观察到异常的霍尔效应,并认为这种现象只能通过假设磁单极子的存在来解释。
尽管这些“发现”最终没有得到认证,但它们仍然给科学家们增添了极大的信心。寻找磁单极子似乎已经成为21世纪物理学家的一个重要课题。