摘 要：電與磁的研究一直是緊密相連的，麥克斯韋方程組的提出更是確立了電磁的統(tǒng)一，然而由于自然界中磁荷（磁單極子）的存在始終未被證實，這使麥克斯韋方程組缺失了對稱性的重要一角。本文從回顧電場與磁場的成因出發(fā)，并由電磁對稱角度分析磁荷存在的合理性，在假定磁荷存在下對電磁理論的補充，總結(jié)目前磁荷的研究歷程。

關(guān)鍵詞：麥克斯韋方程組;磁荷;狄拉克假說;大統(tǒng)一理論

Abstract：The study of electricity and magnetism has always been closely linked.The Maxwell 's equations have established the unity of electromagnetic.However，the existence of magnetic charges（magnetic monopoles）in nature has not been confirmed，which makes the Maxwell 's equations lack an important corner of symmetry.Starting from reviewing the causes of electric and magnetic fields，this paper analyzes the rationality of the existence of magnetic charges from the perspective of electromagnetic symmetry，supplements the electromagnetic theory under the assumption of the existence of magnetic charges，and summarizes the current research process of magnetic charges.

Keywords：Maxwell 's equations;magnetic charge;Dirac hypothesis

1 緒論

電荷的發(fā)現(xiàn)使人們對電的認識得到深入，對電的使用也變得不再遙遠。然而在電磁對稱性中經(jīng)常被提及的磁荷，卻仍然基本只存在于理論之中，這對電磁領(lǐng)域的完善存在著一大盲點。磁荷，又稱磁單極子，是指單獨具有一個N極或者S極的磁性物質(zhì)，這與我們所熟知的磁偶性所不同，由于目前并未有技術(shù)可以分離出N極與S極，所有磁單極子問題仍十分困擾物理學(xué)家與天文學(xué)家。

雖然關(guān)于磁單極子問題的研究仍未能取得突破性的發(fā)展，不過在物理學(xué)大統(tǒng)一理論和對早期宇宙的深入研究中，都指出了磁單極子是存在的。但因為對磁單極子的研究要求嚴苛，在理論上還無法直接利用實驗方法來測量磁單極子，因此物理學(xué)大統(tǒng)一理論和天體物理宇宙發(fā)展學(xué)說都僅限于提供一定的理論解釋。文章中我們將總結(jié)磁與電的發(fā)展及建立過程，并從電磁場技術(shù)研究的對稱性中提煉出對磁荷的一些推測，并總結(jié)了史上物理學(xué)家們對磁荷技術(shù)研究的突破性歷程。

2 電場與磁場的探尋發(fā)展

庫倫在他的扭秤試驗中提出了靜電作用規(guī)律，并基于此現(xiàn)象而對庫倫力的概念提出解釋，此創(chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)開啟了電磁理論研究大門，人類也由此對電磁現(xiàn)象進行了定量研究。

物理學(xué)家奧斯特在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，將磁針放置在一個導(dǎo)線附近且作南北指向，在導(dǎo)線通電的同時受地磁場作用，磁針方向會發(fā)生變化。若導(dǎo)線通過反向電流時，磁針則相對會向另一方向轉(zhuǎn)動。

在此次現(xiàn)象中，人們首次實質(zhì)感受到電與磁間的直接影響。這一新發(fā)現(xiàn)使當時許多研究者對“電磁”產(chǎn)生了濃厚的興趣，并提出一個反向思考的問題：既然電流對磁性物質(zhì)有力的作用，那磁性物質(zhì)對導(dǎo)線中電流也能同樣有此效果嗎？這個問題通過另一實驗得到了驗證：在馬蹄形磁鐵二極間放置一個水平直導(dǎo)線，導(dǎo)線通電后發(fā)生了移動，說明磁也能對電流有同樣的影響。實驗結(jié)果使人們相信電與磁是具有相同屬性的。

受奧斯特實驗所吸引的物理學(xué)家安培，他也大量模擬了類似的試驗，并發(fā)現(xiàn)電流間的相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。聯(lián)想到磁性介質(zhì)本身也具有相互關(guān)聯(lián)性，他大膽猜測磁的本質(zhì)是運動電荷，由此說明地磁的成因和物質(zhì)的磁性。同時他又提出了相應(yīng)的安培分子電流假說為這一論點解釋，該假說指出：磁性物質(zhì)的原子內(nèi)部有一個環(huán)形電流，又名分子電流，而磁原子周圍的磁分子便是由其所產(chǎn)生的，它的兩側(cè)可等效看為兩個地球磁極。常態(tài)時，這些分子電流的取向是雜亂無序的，而之所以不顯磁性是由于分子電流所產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以相互抵消。但當處于磁場中時，受其影響使各分子電流有序同向排列，此時相鄰間分子電流的磁效應(yīng)作用仍可抵消，而表面保留對外顯宏觀磁性。這顯然說明了電與磁不再是平等關(guān)系，磁被認作是特殊的電，而將磁的研究歸為了電研究的子部分，打破了電磁的對稱性。

1831年，科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在實驗中他發(fā)現(xiàn)了當磁場發(fā)生變化時可以產(chǎn)生電流，通過分析，他提出并引入場的概念，場作為一種看不見摸不著卻實際存在的物質(zhì)。這一概念使人們對電與磁這類虛無縹緲的物質(zhì)有了更直觀的認識。

繼法拉第總結(jié)出磁對電產(chǎn)生的關(guān)系后，麥克斯韋通過猜想與嚴密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)提出了變化電場也能激發(fā)磁場的觀點，而該結(jié)論的正確性也在后來被德國物理學(xué)家赫茲所證實。這樣我們認為變化的電場與變化的磁場間形成了同生互變的關(guān)系。依托這些理論，我們可獲知電場與磁場有如下關(guān)系：靜止的點電荷在空間中能激發(fā)靜電場，運動的電荷按一定方向移動可以生成恒定電場，而在恒定電場中產(chǎn)生的恒定電流是恒定磁場的源。反觀變化磁場與變化電場的對稱性，使我們對靜電場與靜磁場中所缺失的對稱美感到遺憾。盡管存在部分科學(xué)家否認磁性是相較于電性獨立存在的，其中代表的安培分子電流假說便將磁的本質(zhì)解釋為電，而事實上通過深入研究，該理論也是有疑問存在的。

那么磁與電之間的相互轉(zhuǎn)換是否能說明它們之間是存在對稱的，由于物理學(xué)是個強調(diào)對稱美學(xué)的學(xué)科，因此數(shù)百年來對于是否存在能夠自主產(chǎn)生磁性的微元粒子的物質(zhì)，仍在懷疑中被眾多科學(xué)家們不斷探索。

3 電磁對稱性引發(fā)的猜想

我們先從經(jīng)典電磁理論中分析，作為描述宏觀電磁現(xiàn)象的核心——麥克斯韋方程組。其微分形式[3]如下：

從式子（4）中，說明了電荷是產(chǎn)生電場的本質(zhì)，式子（1）說明了磁場是由電荷形成電流后激發(fā)的，而式子（2）闡述了變化的磁場也可以成為電場的源。這樣從對稱美學(xué)上我們發(fā)現(xiàn)似乎缺少一個重要的環(huán)節(jié)，那就是是否存在自發(fā)產(chǎn)生磁場的微元粒子。

在此，我們假設(shè)自然界中存在一種能激發(fā)磁場的粒子——磁荷（磁單極子），類比電荷的原理，我們相應(yīng)擴充磁荷產(chǎn)生的相關(guān)性質(zhì)。引入磁荷后對電磁理論的關(guān)系變化如下圖。

引入磁荷（磁單極子）后，我們根據(jù)麥克斯韋對電磁場的總結(jié)，進行對稱性猜想擴充。當自然界中存在磁荷時，由于電荷在其周圍可以激發(fā)產(chǎn)生靜電場，則磁荷也能在其周圍產(chǎn)生靜磁場，注意在此我們假設(shè)的靜磁場并非傳統(tǒng)概念恒定磁場的別稱，我們在此將其作為一個新概念提出。

對比靜電場的有散無旋性，恒定磁場的有旋無散性，二者具有互補的特性。為此，我們猜想恒定電場與靜電場也具有互補特性，由于恒定電場是無散無旋的，所以我們假設(shè)靜磁場應(yīng)該是有旋有散的，根據(jù)此特性可以相應(yīng)猜想靜磁場的磁力線應(yīng)當為螺旋延伸的。

電流是由于電荷作定向移動時產(chǎn)生的，那么如果存在磁流，我們由其磁力線推測磁荷沿著螺旋式移動可形成磁流，同樣恒定磁流可以激發(fā)出恒定電場，而恒定磁場可以產(chǎn)生這種磁流，我們猜想可能由于磁流螺旋度較大，能量分布十分離散，因此難以產(chǎn)生宏觀影響。這樣電流與磁流的對稱性也不言而喻了。

由于麥克斯韋所建立的經(jīng)典電磁理論中說明變化的電場與變化的磁場間可以相互轉(zhuǎn)化，所有我們認為變化的電場靜止后會形成靜電場，同理變化的磁場靜止后會形成靜磁場。至此，引入磁荷可以有效地彌補對電磁對稱性的缺陷，同時也能清晰地辨明了電與磁的對立性。

回到對經(jīng)典電磁理論的核心，麥克斯韋方程組的研究，當磁荷存在時，我們經(jīng)推導(dǎo)可以對麥克斯韋方程組進行修改，以下是其磁荷存在時麥克斯韋方程組的微分形式[4]如下：

反之，當我們令其中的參數(shù)Jm和ρm等于0時，可以推導(dǎo)出無磁荷（磁單極子）存在時的麥克斯韋方程組。因此，磁荷的引入并不違反麥克斯韋方程組的正確性，只是完善麥克斯韋方程組的對稱性。

4 磁單極子的探尋

經(jīng)過分析可知磁荷（磁單極子）的存在將使整個電磁學(xué)完美化，更加嚴密化，因此對其研究十分必要。對于磁單極子的研究，已有近百年之久。

1931年英國物理學(xué)家狄拉克[5]首先從理論上用極精美的數(shù)學(xué)物理公式預(yù)言磁單極子是可以獨立存在的。他認為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應(yīng)有基本磁荷——磁單極子存在，電磁現(xiàn)象的完全對稱性就可以得到論證。因此，他根據(jù)電動力學(xué)和量子力學(xué)的合理推演，前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。狄拉克從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)的相位不確定性出發(fā)，證明了電荷的量子化存在下，必有磁單極子的存在。

20世紀70年代后期建立起來的物理大統(tǒng)一理論（萬物之理）[4]中也再一次強調(diào)磁單極子的存在。

在GTU中認為磁荷是孤波（局域能量包），而不同于普通的基本粒子，通過粒子標準模式去估算在宇宙大爆炸中形成的磁單極子的數(shù)量，得出的初步結(jié)論和對宇宙的觀測結(jié)論相互對立——經(jīng)驗算表明磁單極子的數(shù)量非常龐大，它甚至能夠抑制星體的擴張，但是實際上可見的數(shù)量卻很少。宇宙暴漲學(xué)說的提出，已經(jīng)做出了合理的說明，假設(shè)宇宙中只在暴漲時期之前擁有足夠溫度產(chǎn)生這些粒子的話，那么暴漲就會將它們的密度減至非常低，而暴漲理論則解釋了宇宙的急劇擴張會使得磁荷在空氣中的密度驟然減少，并減小至用目前儀器所無法檢測到的數(shù)量級[5]。而且根據(jù)該學(xué)說，當磁荷產(chǎn)生以后，如果出現(xiàn)了一個暴漲期，那么相應(yīng)的這一問題也將能夠被破解。由此，磁荷（磁單極子）的存在研究就在天文學(xué)中產(chǎn)生了一股“熱潮”。

盡管科學(xué)家在實驗上尋找磁荷時總是未能如愿，但在對于磁單極子的猜想與證明上的科學(xué)結(jié)論總是層出不窮，而且伴隨著對磁單粒子的追尋，意想不到的對其他領(lǐng)域的科學(xué)突破也有所幫助。究竟是否存在磁單極子，還需等待歷史的驗證。

結(jié)論

磁荷（磁單極子）的發(fā)現(xiàn)毋庸置疑，將會在物理學(xué)中成為一顆新星。它將不僅證明物理學(xué)嚴密的對稱互補思想，它的性質(zhì)與存在方式將帶領(lǐng)我們發(fā)掘新的領(lǐng)域，這也是它在電磁領(lǐng)域的獨有特色。考慮到電磁領(lǐng)域的重要性，我們猜想磁荷（磁單極子）的存在或許具有很高的實用價值[7]。

盡管磁荷（磁單極子）的存在性仍是一個謎團，但對其的探索并不會終止，或許不久的將來我們有幸會使用到磁荷研發(fā)出的實用產(chǎn)品。

參考文獻：

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[7]萬蔡華，韓秀峰.尋找磁單極子[J].物理，2016，45（10）：670-671.

作者簡介：方開耀（2000— ），男，漢族，安徽省歙縣人，本科，研究方向：電子信息工程。