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GP 15

【討論】鳴神尊的珍貴--磁單極的存在!

樓主 NVDMSADC aeioulf222
GP12 BP-

鳴神尊其實是很貴的XD


所有的磁鐵都同擁有N極和S極,單有N極或者S極的磁鐵是不能存在的。
到二十世紀初為止,物理家都認為這是常識。

然而只有N極或是S極的磁鐵真的是不存在的嗎?
以電來說,確實只有帶正電或只帶負電的粒子。
既然如此,因該也只有N極或S極「磁單極 (monopole)」
英國物理學家狄拉克心理出現這種法

我們可將異號電荷置於絕緣棒的兩端,而造出類似的電偶極。
當電偶極被切開時,就產生兩個孤立的電單極。
原因是每一電極代表了各帶電粒子的聚積,帶負電的電子在一端
,帶正電的陽離子在另一端;當兩極分開時,電荷的聚集並不受影響。
孤立電極是可能的,孤立磁極卻不能,這便是電與磁之間的基本差異。
但把一個磁棒切為兩半並不能分開兩極,因為每一個原子本身就是個偶極。
 

狄拉克磁單極理論

狄拉克證明若在宇宙中任何一處存有磁單極,
則電荷必須到處量子化。截至最近以前為止,
狄拉克的磁單極假說是電荷量子化的唯一解釋。
狄拉克即能以數學證明如磁荷存在,電荷必須量子化。
下面以非數學語言來描述狄拉理論的推理:
原子當受激到高能態,有一突然返回低能態的傾向,
並將多餘的能量以光子亦即電磁輻射量子的形式放出。
光子不但帶走原子的能量,也帶走了一些內稟角動量(intrinsic angular momentum)。
因此一束光的電磁場可視為具有某些角動量。
狄拉克的理論併入了一個他稱為線(string)的奇怪數學觀念。
狄拉克線就如一無限長的螺線管,而一端有一磁單極,
其餘部分則通向遙遠之處。在詳細計算狄拉克模型時,
此線是極大的障礙,但是最近數學物理的發展,
已可除去單極此一討厭的尾巴。

狄拉克的量子化條件賦予磁單極某些性質。
例如,為解釋電磁場角動量量子化的觀測事實,
磁荷的最小單位必須是相應電荷單位的約10倍。
根據狄拉克另一預測,每一種物質粒子包括磁單極,
皆有一種反物質粒子與其相對應。就如正子
(在狄拉克預測其存在四年後,於1932年由安德生等人發現)
是電子的反粒子,磁單極應當有一個反磁單極與之相對應。
根據裴瑞格里努斯任意的命名,其一稱為北單極,
另一則為南單極。狄拉克的理論並未預測磁單極的大小、質量,或在宇宙中的含量。

在狄拉克提出磁單極的可能存在理論之後,
科學界開始以許多方法尋找磁單極。
例如以粒子加速器,看是否能碰撞出磁單極,
也有人在宇宙線與大氣原子碰撞後的副產物中尋找單極。
另一種實驗則是冀望能在地球上及地球外物質的鐵原子中偵測到單極,
在物質中探測磁單極,或是確認宇宙線中有沒有磁單極,然至今搜尋尚無所獲。


磁單極的特異性質

運動中的電荷會因使物質游離而散失能量,
能量耗失率約是每經過一公分物質損失數百萬電子伏特。
通常游離一個原子所需的能量為數十電子伏特,
因此一個運動中的電荷,每公分可游離數百至數千個原子。

由於磁單極有更強的磁荷,它游離原子的能力要強約一萬倍;
也因此當磁單極通過物理學家用以偵測荷電粒子的照像乳膠(photographic emulsion)時,其留下的軌跡會較一以同速度運動電荷要深上數千倍。
由於在游離過程中損失能量如此快速,磁單極在進入物質中時,
速度的減慢要較具同樣動能的帶電粒子快很多。

正如電場能加速帶電粒子一般,磁場能加速磁單極。
由於磁單極粒子帶有較強的「荷」,它在磁場中獲得的能量
較帶電粒子在相當的電場中為快。一個通過一公尺超導線圈的磁單極
獲得的能量,較一個質子在至今所建最大的加速器中所得能量還多。

磁單極物理還有另一奇異特徵,可藉想像時間逆轉來了解。
在一個由耶魯大學阿戴爾(R. K. Adair)所提出的思想實驗中,
質子穿過磁場而走一個彎曲的路徑。在磁場由線圈電流產生的情況下,
時間逆轉的效果是將造成磁場的電流以及質子的運動反向;
於是質子反向沿原路徑折回。我們說,質子的路徑在時間逆轉下不變。
但再設想磁場非由電場產生,而為磁單極產生。時間逆轉並不改變單極的極性,
因此不改變磁場。如前一般,質子反向,但並非折回原路。
簡言之,單極揚中質子的路徑視時間方向而定,這便破壞了時間逆轉不變性原則。

圖解

帶電粒子通過由磁單極造成的磁場,時間逆轉會造成奇怪的效應。在(a)中,質子
沿一彎曲路徑運動,通過由一對線圈上的電流所造成的垂直磁場。如時間逆轉如(a')
,兩電流及其磁場與質子運動皆反向,但質子路徑不變,粒子僅是反向循原路折回
。在(b)中,質子於類似的路徑上運動,但通過的磁場則為排列整齊的一群理想的
南、北單極所造成。在(b')中,時間逆轉並不影響磁場,但質子反向時,卻不循原
路徑折回,此結果破壞了時間逆轉不變性原則。

在時間逆轉下所預測的磁單極這一效應,多年來被視為反對磁單極存在的主要論證。
但在1964年,費契、克隆寧及他們在普林斯頓大學的同事,在布魯克海文( Brookhaven)國家實驗室完成的實驗中,發現在中性凱子(neutral kaon)的衰變中有極似時間逆
轉不變性破壞的效應。此發現在理論上的重要性直到最近才開始完全了解,
當了解增加時,對磁單極想法的一些反對意見都被棄置了。

 

狄拉克提出的理論僅止於世界上因該存在磁單極,
無法設想磁單極的重量與存在量。

大約此時,磁單極尋找者的前景又突現光明。
不約而同地發現某一類基本粒子交互作用的理論,
不但容許磁單極並且還需要它。而且,這些所謂規範理論
(gauge theories)亦顯示,磁單極要比以前所見,
甚或預測的任何粒子都要重得多。回顧已往,難怪沒有一個人能偵測到。
了異乎尋常的巨大質量外,由霍夫特及波里亞可夫所提出的磁單極,
有幾處觀點與最初狄拉克的單極相異。其一是霍夫特-波里亞可夫
單極不需要狄拉克「線」;其二是單極的大小雖預料很小而不能直
接量度,但它卻非點狀粒子(pointlike particle)。

1970年基本粒子物理學理論的
為描述自然中已知四種力而建立的大一統場論
(對於世界上4種力的統合,由大到小 強力 磁力 弱力 重力這四種力中,
電磁力與弱作用力已由一個極為成功的電弱理論統合起來,此理論將這
兩種力當作一個基本力的不同表現。目前,大部分嘗試建立大一統理論
的研究目的,都在找一個能將電弱力及強核力統合而更具包容性的數學
結構。只欠第四種已知的重力)

,情況為之丕變。科學家預言,
在初期宇宙中產生了大量磁單極,而且具有必然性。此後磁單極更是受到矚目。

大一統理論最有趣的結果是預測質子會衰變。為解釋此種衰變,
引入了一個新奇的粒子──「輕子夸克」(leptoquark),能將夸
克變為輕子。輕子夸克極重,也許有質子的1014倍重。如果正像
霍夫特-波里亞可夫假說所提出的,超重磁單極與輕子夸克相關連
,則單極將會具有大約1016個質子或約2×10-8公克的質量。對基本
粒子而言,這是個極大的質量。

根據該理論,磁單極的大小為質子的1兆分之1 的 1萬分之1
,非常非常微小 ,但是質量有1億分之1公克,大約和阿米巴原蟲、草屢蟲差不多。
且磁單極有貫穿地球的力量,要以人工創造磁單極,需要耗費極大的能量,
所以幾乎不可能以加速器製成磁單極。因此,科學家不斷嘗試,
想檢測出產生於宇宙最初的大霹靂時期,降落在地球上的磁單極。
只要能發現磁單極,就相當於發現宇宙初期的「化石」
堪稱諾貝爾獎級的大發現(難道真目家私藏...)。
 

磁單極的誕生
 

科學家認為磁單極是因為大霹靂而產生的。
宇宙中充滿了希格斯場,發生在大霹靂之後,希格斯場靜止不動,
在每個地方希格斯場的方向都不同,在各個希格斯場之間的縫隙中產生了磁單極。
 

"希格斯機制"理論,主張所有的粒子的"質量來源"
, 是因為與"希格斯場"中的"希格斯玻色子"交互作用而產生.
而粒子的加速度越大, 便與希格斯玻色子交互作用的頻率越高
, 因此得到更多的質量(不可能到達光速的原因之ㄧ)
"希格斯玻色子"目前還沒有找到.
 "它是粒子物理學經典模型最後一個未發現的粒子"
 

預言希格斯粒子的存在是因為弱電理論中
發現弱核力與電磁力在低溫時會發生對稱破壞(即高溫時它們其實為同一種力)
,為什麼會對稱破壞?為什麼有光子與三種弱子的分別而不是只得一種粒子?
有一種解釋是引入希格斯場,
若引入希格斯機制則意味:

一種未被發現的零質量粒子(希格斯粒子)
弱子質量不為零,實驗發現弱子質量果真不為零
因此有懷疑希格斯粒子也真的存在。

希格斯粒子是假想存在的一種基本玻色子,自旋為0,
負責在宇宙中向其他粒子提供質量(宇宙一開始只有能量,我們在這裡的原因)
科學家認為希格斯粒子有很大的質量(117-251GeV 很大就對了= =),
粒子加速器在115GeV時發現有些許希格斯粒子存在的證據
,但未被證實存在。不過科學界對此仍抱樂觀態度


磁單極數目的上限

超重磁單極可能在宇宙誕生僅10-35秒後就產生了。大霹靂也許是為造出此
種粒子唯一夠熱(大約1030K)的事件。南北磁單極都會產生,但有一小部
分又重合而互相毀滅。大部分超重磁單極都逃過早夭的命運,因此沒有理
由認為它們現在不會殘存下來。當宇宙演化時,單極會在何處聚集並不清
楚;但宇宙如何由大霹靂演化至今日所見的星系結構,我們也是同樣的不清楚。

本銀河系的一個特徵,使我們可以對能夠局部出現的磁單極數目下一嚴格
的限制。本銀河系有一個僅為地球磁場十萬分之一的弱磁場,但範圍卻分
布很廣。在本銀河系場中被捕捉到的單極,會加速到極高能量而逃離本銀
河系的重力吸引。但因單極甚重,速度仍極緩慢。

芝加哥大學的帕克(E. N. Parker)指出,若銀河系中有太多此種單極,將會
破壞銀河系的磁場。他的論點是根據銀河系的磁場由帶電粒子大尺度環流所
產生的事實而來的。當磁單極被加速時,會藉著減慢電荷的流動自銀河場抽
出能量。銀河磁場的存在因此為銀河系中磁單極數目加了上限。

宇宙中磁單極的最大密度與另一未解的問題相關,那便是宇宙會永遠地膨脹
下去還是最後會陷縮。結果視宇宙中物質的量而定,可見質量(亦即發光體
如恒星之類的質量)並不足以令膨脹減慢、停止而後回縮。除非尚有些多餘
的未見質量,否則宇宙的膨脹會逐漸減慢,卻永不會停止。

宇宙中有足夠的不可見物質以影響這一命運嗎?何種型態的物質會有如此大的
數量而至今卻尚未被偵測到?被遺漏的質量,有一可能是由微子(微中子)
組成,微子極少與其他粒子作用,並且永不放出光。長久以來,微子都被視為
不具質量,但現在卻有許多想法以為它具微小質量。由於微子被認為以大約每
立方公分一百萬個的平均密度充滿宇宙,即使是一微小的微子質量也會有重要
的貢獻,雖然可能不會比可見質量多多少。

超重磁單極很少放出光,因此也是宇宙的不可見成分。如果磁單極質量有質子
的1016倍,則不需多少即可得很大質量。只要每1016個質子中有一個單極,就有
大約與發光物質相等的質量。宇宙總質量似乎不可能會較可見質量的十倍為多
,因此磁單極對質子比例的上限應小於1比1015
 

磁單極的含量

1979年,哈佛大學的研究生普萊斯基爾(J. P. Preskill)結合強、弱及電磁力的
大一統理論與標準宇宙論,主張宇宙中對每一質子應大約有一個磁單極。然而
另一方面由宇宙膨脹的分析,似乎每1015個質子中磁單極的數目應少於一個。
普萊斯基爾於是碰到了一個兩難之局:不是磁單極於大一統理論中所扮演的
角色有誤,就是標準宇宙論錯了。避「難」的一個方法是調整宇宙論模型,容
許在宇宙的最初瞬間有更多的單極-反單極毀滅事件。另一選擇是藉著某種未定
機制去除估計的磁單極初始生產速率。

最近,日內瓦歐洲核研究機構(CERN)的拉薩里德斯(G. Lazarides)、夏飛(Q. Shafi)及華爾希(T. Walsh),打算藉著調整粒子理論或宇宙論,以降低預測的
超重磁單極密度。結論是:單極與本銀河系磁場的交互作用,為磁單極對質子
的比例定了一個下限約為1比1020。由此含量,預期每年約有200個單極通過一平
方公里的區域。若根據磁單極於宇宙中更均勻分布的更保守估計,則所得結果是
每年每平方公里幾個單極的通量。

這是磁單極理論第一次提出預期的質量與通量。有了這些估計,無論是多麼粗略
,實驗者現在有了一個待開發的新領域。磁單極的預測通量小,但還沒小到不足
以搜尋。

尋找超重磁單極的一個地方是在大尺度的自然效應中。事實上,這研究方向正是
十年前最早由帕克所提出的。卡瑞根(R. A. Carrigan)曾推測單極在相吸而形成
太陽系的物質中的命運。例如,當地球凝聚時,磁單極會在行星的重力及磁場的
影響下沒入地心,北單極會聚集在地磁南極附近,反之亦然。

由地質紀錄可知,地球磁場已倒轉過好多次了。地磁場的倒轉會使兩群分開的單
極相向遷移而彼此穿過。在它們的旅程中,有些單極與反單極會毀滅,放出蘊於
質量中的巨大能量。由測量到的地表熱流,可粗略地限定陷在地核中的單極數目
;以此方式算出的磁單極數目與超重磁單極含量的其他實驗限制相符。
圖示

陷於地球內的單極傾向於聚在地球核心的兩處。根據卡瑞根的估計,平衡點當在
於距地心少於1,600公里處,北單極較靠近南地理磁極,南單極則近於北地理磁極
(左)。當南北兩地理磁極倒轉時,兩個隔離的單極群會相交而過,部分北單極
與南單極彼此湮滅,化為能量(右)。即使是微量的磁單極密度也會造成地表可
觀的熱流出量。根據觀測到的熱通量,即可為以此方式陷獲的單極數目求得一上限。


一個更直捷的方法是建造一架偵測器,專為尋找這種重而稀少的粒子。但是此種
偵測器的設計並不顯然。事實上,當眾多的想法──其中有些是相當古怪的──
還在文字上及餐桌上爭辯時,動手尋找重的磁單極技術,也正達到科學中動人的
重要時刻。預測重的單極運動緩慢,遠在光速以下。緩慢運動的單極撞到原子會
發生什麼情形並不清楚。一個超重單極與靜止原子核的撞擊,就如壓路機撞到一
隻螞蟻一樣。宇宙線磁單極在遲緩費力地通過地球時,會在許多次此種遭遇中失
去大量能量,或許也可能仍絲毫無損地由他端出來。在此情況下,很難預測在偵
測器中會觀測到何種程度的游離。有一觀點認為,對測量游離現象的偵測器而言
,有足夠多的快速運動單極;另一觀點則認為游離極少見且弱,因此為了偵測單
極需有不同於已往的技術。無論如何,如果實驗者想要在他的一生中觀察到一個
單極,很明顯地需要一個非常大的偵測器。

取自
牛頓雜誌
和(磁單極之謎 )
#發行日期:1983、11
#作者:郭中一

 

總而言之有些事物是真的有可能存在的
我也好想斬斷電磁波呀~
搞不好9S裡面的遺產都有可能發生   (好可怕.....)

 

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