磁單極子及磁洛倫茲力的探討 -對(duì)電磁對(duì)稱美的深究

會(huì)計(jì)學(xué)1磁單極子及磁洛倫茲力的探討————對(duì)電磁對(duì)稱美的深究

理論篇

為了討論經(jīng)典電磁學(xué)的廣義情況，我們需要高于經(jīng)典電磁學(xué)的理論指導(dǎo)，這里想到了相對(duì)論。第1頁/共20頁美妙的物理學(xué)對(duì)稱和諧統(tǒng)一第2頁/共20頁CoulombIamdominant!Don'tforgetme!一段不能遺忘的故事...第3頁/共20頁對(duì)稱的深層關(guān)系：對(duì)偶原理第4頁/共20頁電磁對(duì)稱關(guān)系一覽表：

基本規(guī)律

電

磁

庫侖定律

高斯定理

安培環(huán)路定理

洛倫茲力公式

守恒定律

第5頁/共20頁

實(shí)驗(yàn)篇

三種實(shí)驗(yàn)裝置：

1.加速器

2.磁強(qiáng)計(jì)的改進(jìn)設(shè)想

3.電約束MorepowerfulMoreaccurateMoreeconomical第6頁/共20頁無限長(zhǎng)通電螺線管內(nèi)部，H=nI,n為單位長(zhǎng)度上線圈匝數(shù)。若使用超導(dǎo)線圈，磁感應(yīng)強(qiáng)度能達(dá)到幾個(gè)特斯拉。

H能超過數(shù)量級(jí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很大?？諝鈸舸╇妶?chǎng)為，電場(chǎng)強(qiáng)度難以達(dá)到很大從能量角度上看，第7頁/共20頁一種新的加速器

有科學(xué)家提出利用磁單極子制造體積小而能量高的高能加速器，B=1T的磁單極子加速器，可獲得約遠(yuǎn)超過目前應(yīng)用電子、質(zhì)子和重離子的高能加速器。第8頁/共20頁

磁強(qiáng)計(jì)的改進(jìn)

尷尬的事實(shí)：利用能量極高的宇宙射線研究，1982年由地面超導(dǎo)量子干涉儀式磁強(qiáng)計(jì)經(jīng)151天探測(cè)到一次可能是磁單極子的事件，但后來經(jīng)過多次探測(cè)并提高儀器靈敏度也未能得到重復(fù)。第9頁/共20頁

分析：

宇宙射線中可能存在磁單極子的原因：

1.宇宙射線中本身可能含有宇宙形成時(shí)遺留的磁單極子；

2.高能宇宙射線粒子同大氣原子、離子等碰撞而產(chǎn)生磁單極子對(duì)。宇宙中磁單極總量已經(jīng)極小的情況下，要想檢測(cè)到單獨(dú)的磁單極子，概率極??！可能大部分情況磁單極子以磁單極子對(duì)的形式出現(xiàn)又重新結(jié)合湮滅。第10頁/共20頁測(cè)量磁場(chǎng)最靈敏的超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)當(dāng)磁單極子對(duì)同時(shí)（或者幾乎同時(shí)）穿過儀器時(shí)，磁通量。這樣超導(dǎo)線圈中磁通量不變，沒有感生電流，儀器卻認(rèn)為沒有磁單極子通過。這是非常遺憾的！第11頁/共20頁改進(jìn)設(shè)想：結(jié)合兩個(gè)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置給超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)外加一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)。B=1T時(shí)，荷質(zhì)比為的磁單極子在作用下將產(chǎn)生加速度：

正負(fù)磁單極子受力方向相反將分離。第12頁/共20頁電約束：磁約束的對(duì)稱電約束：的應(yīng)用，不均勻的磁場(chǎng)能對(duì)電荷進(jìn)行磁約束，那么不均勻的電場(chǎng)也能對(duì)磁荷進(jìn)行電約束。

電鏡：設(shè)計(jì)一個(gè)兩頭強(qiáng)、中間弱的不均勻電場(chǎng)（均勻磁介質(zhì)中電位移場(chǎng)D與電場(chǎng)具有相同構(gòu)象）。第13頁/共20頁完全類似的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：當(dāng)磁單極子置于這種電場(chǎng)中，在力作用下將沿電場(chǎng)線作螺旋運(yùn)動(dòng)。磁單極子總受到一個(gè)指向弱電場(chǎng)方向的作用力。這樣，磁單極子在磁場(chǎng)中來回運(yùn)動(dòng)不能逃出。類似磁約束，電約束滿足規(guī)律第14頁/共20頁電約束優(yōu)點(diǎn)：新版守株待兔相比于磁鏡，電鏡的電場(chǎng)線可用一個(gè)距離較寬的類似電容器的裝置產(chǎn)生，比磁感線形狀更容易控制，且工作時(shí)不用通以電流，不消耗能量。設(shè)想可以把這種裝置送上太空，工作在電離層以外，像一個(gè)捕魚的竹籠，守候磁單極子的到來，對(duì)它進(jìn)行捕捉。第15頁/共20頁

電約束的不足：正如磁鏡，電鏡也不是一種理想約束裝置，然而磁鏡可改進(jìn)為環(huán)形磁瓶，但穩(wěn)定的環(huán)形電場(chǎng)卻不容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)，因?yàn)榇帕鞑淮嬖?

所以要得到穩(wěn)定的環(huán)形電場(chǎng)，需要一個(gè)穩(wěn)定線性變化的磁場(chǎng)。想要直接實(shí)現(xiàn)是非常困難的。工程上也許能解決這個(gè)問題。第16頁/共20頁總結(jié)：通過以上討論我們的確看到了電磁學(xué)理論的完美對(duì)稱，也因?yàn)檫@種對(duì)稱性，我們可以充分發(fā)揮想象對(duì)現(xiàn)有的研究電荷的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造。若能發(fā)現(xiàn)磁單極子，質(zhì)譜儀等一系列裝置可以相應(yīng)改造以便研究。

由于本人數(shù)學(xué)知識(shí)有限，所以單從對(duì)稱角度考慮電磁學(xué)，做到了物理直觀，但也失之于數(shù)學(xué)的不嚴(yán)謹(jǐn)。第17頁/共20頁參考書目：《電磁學(xué)》張玉民戚伯云科學(xué)出版社《當(dāng)代磁學(xué)》李國棟中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社《電磁學(xué)專題研究》