高中物理論文慎講磁單極

1、慎講“磁單極”現(xiàn)行的高中教科書(shū)注重學(xué)生的探究能力培養(yǎng)，其中有閱讀材料介紹磁單極子，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)磁單極子的探測(cè)方法進(jìn)行探究。但筆者認(rèn)為書(shū)本中的講述有值得商榷之處，特撰文述之。一、 磁單極提出的理論背景關(guān)于磁荷（磁單極）的理論（看法）自古有之。大致可以分為三個(gè)階段：1 樸素的磁極觀追朔歷史，人們很久以前就把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象相提并論。我國(guó)漢代王充（公元27104年）所著論衡一書(shū)中就有記載，說(shuō)是玳瑁（經(jīng)過(guò)摩擦）可以吸引芥子，磁石可以吸引鋼針。公元1269年培特勒斯·佩里格利納斯（petrus peregrinus），最早引人了磁極概念。他認(rèn)為一塊磁石有南北兩極，同名相斥、異名相吸。1733年，法

2、國(guó)科學(xué)家查理（charles）明確電荷僅有兩種，異性相吸，同性相斥。1785年，庫(kù)侖(coulomb)又發(fā)現(xiàn)了磁和電的形式完全相同的相吸和相斥定律。特別是查理明確電荷僅有兩種及庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)電力磁力形式相同，使人們堅(jiān)信電磁的對(duì)稱性，認(rèn)為磁體是由磁荷組成。但磁荷的觀點(diǎn)也遇到了巨大的阻礙：有孤立存在的電荷，為何磁極總是成對(duì)存在的（再小的磁體也有兩個(gè)極）。而隨著1820年奧斯特(oersted)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，同年安培(ampere)提出分子電流假說(shuō)，指明磁現(xiàn)象源于電荷的運(yùn)動(dòng)，而非由“磁荷”產(chǎn)生，此后經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明安培理論的正確性，磁荷觀點(diǎn)漸漸淡出。2 狄拉克的理論預(yù)言及電磁對(duì)稱的觀點(diǎn)直到麥克斯韋(

3、maxwell)建立電磁學(xué)基本方程組，統(tǒng)一了電磁場(chǎng)。本來(lái)理論已十分完美，但麥克斯韋的方程組：·d =      （1）×e = -b/t（2）·b = 0（3）×h = d/t + j（4）其積分形式為：高斯定律磁高斯定律法拉第電磁感應(yīng)定律安培環(huán)路定律表現(xiàn)出來(lái)的，是電磁的不完全對(duì)稱，其中的方程（2）和方程（3）似乎都有缺項(xiàng)。1931年，剛剛對(duì)“反電子”的存在做出預(yù)言的英國(guó)物理學(xué)家狄拉克(dirac）認(rèn)為，如果承認(rèn)磁單極子，則磁荷的靜磁場(chǎng)也同電場(chǎng)一樣，這樣電磁現(xiàn)象的完全對(duì)稱性就可以得到保證。于是他理所當(dāng)然地宣稱：“如

4、果大自然不應(yīng)用這種可能性，簡(jiǎn)直令人驚詫?zhuān)彼鶕?jù)電動(dòng)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(lái)，使麥克斯韋方程具有完全對(duì)稱的形式：（式中m、jm分別與、j對(duì)應(yīng)，為磁荷密度和磁流密度。）·d =      （1） ×e = -b/t - jm（2）·b = m（3）×h = d/t + j（4） 其積分形式為：(其中 qm 叫做磁荷或磁單極子，im是磁荷流)高斯定律磁高斯定律法拉第電磁感應(yīng)定律安培環(huán)路定律（由于磁單極子尚未發(fā)現(xiàn)，以上4式且稱為“準(zhǔn)方程組”。）不僅如此，電磁的性質(zhì)也將體現(xiàn)出完全的

5、和諧：荷的場(chǎng)：高斯定理：環(huán)路定理：場(chǎng)的勢(shì)：e u h極化規(guī)律：場(chǎng)對(duì)偶極子的作用： 荷在同場(chǎng)中的受力：f = (p ·)ef = (pm·)h荷在異場(chǎng)中的受力：f = 0 qv×h f = 0 qmv×e而且根據(jù)磁單極子的存在的理論，電荷的量子化現(xiàn)象也可以得到解釋。 n=整數(shù) (a)式中g(shù)是磁單極子的磁荷量，e是電子的電荷量， 是約化普朗克常數(shù)，c是光速。當(dāng)n=1時(shí)，得基本磁荷或狄拉克磁單極子的量值為： (b)g0比基本電荷e大得多，這是磁單極子的一個(gè)重要特性。因?yàn)檫@意味著異性磁荷之間的吸引力，比起異性電荷之間的吸引力要強(qiáng)得多，必須在很強(qiáng)的外力作用下才能把

6、成對(duì)的相反磁荷分開(kāi)。狄拉克認(rèn)為這就可以解釋?zhuān)瑸槭裁措娮釉缫寻l(fā)現(xiàn)，而磁單極子卻難以找到。另外，由于(a)式中 n = 整數(shù)，由此又揭示了磁荷和電荷的不連續(xù)性。解釋了物理學(xué)中一直懸而未決的“電荷量子化”難題。因此，楊振寧教授于1983年5月在北京所作的一次學(xué)術(shù)報(bào)告中才盛贊狄拉克的磁單極子假設(shè)，是他的“神來(lái)之筆”。著名的美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米(fermi)也曾經(jīng)從理論上考察過(guò)磁單極子，一直認(rèn)為“它的存在是可能的”。后來(lái)的一些物理學(xué)家則彌補(bǔ)了狄拉克理論中的一些困難和不足，給磁單極子的存在以更堅(jiān)實(shí)的理論根據(jù)。3 現(xiàn)代物理理論的預(yù)言隨著物理學(xué)的發(fā)展，除狄拉克最早提出的磁單極子學(xué)說(shuō)外，現(xiàn)代物理理論中還有：磁

7、荷和電荷完全對(duì)稱并具有新的量子化條件的全對(duì)稱磁單極子學(xué)說(shuō)；由著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授等提出的采用纖維叢新數(shù)學(xué)方法的量子力學(xué)磁單極子學(xué)說(shuō)；應(yīng)用統(tǒng)一規(guī)范場(chǎng)理論的規(guī)范磁單極子學(xué)說(shuō)；應(yīng)用愛(ài)因斯坦-麥克斯韋耦合場(chǎng)的相對(duì)論性耦合場(chǎng)磁單極子學(xué)說(shuō)；應(yīng)用超弦理論和4維規(guī)范模型的超重磁單極子學(xué)說(shuō)；超對(duì)稱和超弦磁單極子學(xué)說(shuō)等。理論上雖然預(yù)示了磁單極子存在的可能性，但目前既又贊成的，也有反對(duì)者。贊成這一理論的，不乏非常杰出的物理學(xué)家。他們認(rèn)為，磁單極子是存在的，但它們成對(duì)結(jié)合得太緊密了，現(xiàn)在所有的高能質(zhì)點(diǎn)尚不能把它們轟開(kāi)。但愿這個(gè)解釋能被將來(lái)的實(shí)踐所證實(shí)。對(duì)磁單極子的存在持否定態(tài)度的也大有人在

8、，并且能提出這樣或那樣的理由加以論證。二、 磁單極若存在，電磁理論的變化由以上麥克斯韋方程組和準(zhǔn)方程組的區(qū)別可以看出，若磁單極子不存在，則電場(chǎng)的來(lái)源可以有兩個(gè)：一是靜電荷，一是變化的電場(chǎng)；而若磁單極子存在，則電場(chǎng)的來(lái)源可以有三個(gè)，除了以上兩個(gè)外，還有磁荷的運(yùn)動(dòng)（與電流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)稱，且稱之為“磁流”）。同樣的，磁場(chǎng)的來(lái)源也可以有三個(gè)，一是電流，一是變化的電場(chǎng)，還有靜磁荷。麥克斯韋理論是整個(gè)電磁理論的基石，由于磁單極子的引入，理論發(fā)生了變化，故電磁學(xué)的許多規(guī)律都要修正。特別要提出的是法拉弟電磁感應(yīng)定律：穿過(guò)回路的磁通量變化回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。眾所周知，法拉弟電磁感應(yīng)定律是一條實(shí)驗(yàn)定律，由于實(shí)驗(yàn)中

9、并未存在磁單極子，如果存在磁單極子，按前述狄拉克理論，恒定磁流也可產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（注意：恒定電流周?chē)嬖谥蛔兊碾妶?chǎng)，由于恒定磁流與恒定電流相似，其周?chē)拇艌?chǎng)是不變的，所以不能把“恒定的磁流產(chǎn)生電場(chǎng)”歸并到“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”中。）這樣一來(lái)，法拉弟電磁感應(yīng)定律應(yīng)修正為：穿過(guò)回路的磁通量變化與磁流共同產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。三、 對(duì)高中階段講述“磁單極”的一點(diǎn)建議磁單極作為一種理論，并沒(méi)有確切的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。而在高中的書(shū)本和練習(xí)中，講到了關(guān)于磁單極的問(wèn)題。在高中新教材中，有一個(gè)尋找磁單極的閱讀材料，講述的是美國(guó)物理學(xué)家卡布萊拉用實(shí)驗(yàn)尋找磁單極。其中講到：“設(shè)想有一個(gè)磁單極穿過(guò)超導(dǎo)線圈，穿過(guò)超導(dǎo)線圈的磁通

10、量將發(fā)生改變，而且的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向不變，于是在超導(dǎo)線圈中將引起感應(yīng)電流?！惫P者認(rèn)為，這里有兩個(gè)嚴(yán)重的科學(xué)性錯(cuò)誤。（1）超導(dǎo)線圈中的磁通量是不允許改變的。若原來(lái)線圈中的磁通量是0，則無(wú)論有無(wú)磁極穿過(guò)，磁通量始終是0。（2）即使換作常規(guī)導(dǎo)體線圈，穿過(guò)線圈的磁通量在全過(guò)程中的變化量也是0。因?yàn)槌鯐r(shí)磁荷在距線圈很遠(yuǎn)處，線圈磁通量為0，而最后磁荷仍然在距線圈很遠(yuǎn)處，磁通量仍為0，按經(jīng)典的法拉弟電磁感應(yīng)定律，其平均電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為0，為什么最后還有感應(yīng)電流呢？而如果注意到磁單極存在將引起的電磁理論變化，這個(gè)問(wèn)題就不難解釋了，最后的感應(yīng)電流并非來(lái)自磁通量的改變，而是來(lái)自于磁流（穿過(guò)線圈的磁荷是運(yùn)動(dòng)的，形成磁流）

11、。當(dāng)然，如何計(jì)算超導(dǎo)線圈中由于磁荷穿過(guò)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流呢？由哥德哈勃(goldhaber)提出的所謂的狄拉克量子化條件(dirac quantization condition)，可得磁荷對(duì)閉合曲面的磁通量式中叫做通量量子(fluxon)，它是超導(dǎo)電性的通量量子。這樣，可以用類(lèi)似磁通量的觀點(diǎn)來(lái)解決感應(yīng)電流的問(wèn)題。除了教材中“尋找磁單極”外，參考書(shū)中還有下例：mnbmnb甲乙有磁體m磁感線如圖，有一線圈n由上而下水平下落(甲為透視圖，乙為俯視圖)，問(wèn)：線圈中的感應(yīng)電流方向。此題的標(biāo)準(zhǔn)答案是：將線圈等效為一直導(dǎo)線切割磁感線，由右手定則可知，其電流為順時(shí)針?lè)较?俯視)。但有一個(gè)問(wèn)題，這題如果用法拉弟定律是無(wú)法解釋的，因?yàn)榫€圈中的磁通量沒(méi)有變化。若要解釋電流產(chǎn)生原因，只能用磁流產(chǎn)生磁場(chǎng)的理論。那么，這道題想告訴學(xué)生什么呢？難道是想告訴學(xué)生法拉弟定律的局限性嗎？但是磁單極呢？還沒(méi)有找到呢!由此，筆者認(rèn)為，在高中階段講述磁單極時(shí)，可以向同學(xué)簡(jiǎn)要介紹磁單極的提出背景，然后介紹磁、電的對(duì)稱，讓同學(xué)自己去研究如果磁單極存在，磁生電的可能途徑。因?yàn)楸緛?lái)就是未知世界，應(yīng)該給同學(xué)們自己研究的余地。最后，特別應(yīng)該指出的是到了晚年的狄拉克本人，也不完全相信磁單極子真的存在。1981年11月11日，他在致阿布杜斯·薩拉姆的信中說(shuō)：“至今我已是屬于那些不相信磁單極子存在之列的人了?！眳⒖嘉墨I(xiàn)：1