第659章 电与磁！对称和破缺之美！磁单极子

    第659章 电与磁！对称和破缺之美！磁单极子！轰动学界！理论狂潮！
    英国，剑桥大学。
    狄拉克在演讲完后，就一直待在自己的办公室内。
    关于量子场论，他有了一个全新的想法。
    早在从狮城坐船回来的路上，他就问过玻尔一个非常朴素的问题：
    “玻尔教授，电荷为什么是量子化的？”
    电磁学已经发展了100多年，好像从来没有人考虑过这个问题。
    哪怕量子概念诞生了，也是首先把能量给量子化了。
    因为能量在大家的经验中，是连续的，是可以无限分的。
    所以能量量子化会引起人们的格外注意。
    但电荷不同。
    自从电子被发现后，物理学界已经默认，一个电子所带的电荷就是一个基本单位的负电荷。
    后来，随着原子学的发展越来越深入，人们又发现了质子、中子等其它粒子。
    巧合的是，一个质子所带的电荷也是一个基本单位的电荷，而且是正电荷。
    为什么不是一个质子带1.5个正电荷呢？
    这样的话，两个质子就能和三个电子保持电荷平衡，原子结构也许依然能稳定。
    换句话说：为什么所有带电粒子的电荷都是电子电荷的整数倍，而不是分数倍？
    从来没有人想过这个问题。
    或许有人想过，但不知道怎么解释。
    当时，玻尔是这样回答的：
    “这是宇宙的底层规则之一。”
    “就跟光速为什么是30万公里每秒一样。”
    “它是公理，没有办法用更基本的概念推导。”
    然而，狄拉克并不满意这个回答。
    他紧接着又问了一个奇怪的问题。
    “从对称的角度看，电和磁应该是相互对称的。”
    “电荷有正电荷和负电荷，磁场有南极和北极。”
    “但为什么电荷可以单独存在，磁荷不能单独存在呢？”
    “宇宙中存在磁单极子吗？”
    哗！
    玻尔心中震撼！
    好家伙，现在的年轻人怎么一直在想稀奇古怪的东西。
    这容易钻牛角尖啊。
    在物理学中，相反的电荷结合在一起，就把它们称为“偶极子”。
    当一个单独的电荷存在时，就叫它“单极子”。
    化学中也引入了这种概念，凡是两极结合在一起，都可以称为偶极子。
    很明显，电荷能够单独存在单极子。
    一个电子可以单独存在，一个质子也可以单独存在，它们都只带一种电荷。
    于是问题来了。
    磁单极子是否存在呢？
    玻尔仔细想了想，貌似还真没有人提出过这个问题？
    或者提出了，也只是不了了之，没有引起什么反响。
    因为答案很显然：不存在。
    从生活中就能找到最好的例子。
    把一块磁铁掰成两截，并不会得到一个单独的北极和一个单独的南极。
    而是得到了四个磁极，两截的磁铁，又分别有了自己的南北极。
    如果继续掰下去，就得到8极、16极.
    总之，不可能有单独存在的磁单极子。
    玻尔只能说道：
    “我认为是不存在的。”
    但是狄拉克却仿佛自言自语道：
    “可是电和磁明明是对称的现象啊。”
    “电有电场，磁有磁场；”
    “电能生磁，磁能生电；”
    “但是电有电荷，有电单极子；磁却没有磁荷，没有磁单极子。”
    “为什么到这里就不对称呢？”
    换句话说：并不存在“磁荷”这个东西。
    就好像磁并没有最小的基本单位。
    玻尔思考很久，他知道狄拉克乃是绝世天才，不会无的放矢。
    于是，他沉声问道：
    “狄拉克，你有什么想法吗？”
    狄拉克闻言，深邃的眼睛看向海平面，平静的水面下似乎蕴藏着无数的秘密。
    “我在看布鲁斯教授推导量子电动力学时，想到一个问题。”
    “量子电动力学是关于电磁相互作用的量子场论。”
    “在该理论中，布鲁斯教授默认了电荷是量子化的。”
    “这一点，似乎不用证明，而且他确实也是直接引用，没有更进一步的说明。”
    “但是问题了。”
    “量子场论是对称性的理论。”
    “如果布鲁斯教授认为电荷是量子化的，那么就必须同时存在量子化的磁荷。”
    “否则，理论就会出现不对称性。”
    “但是布鲁斯教授并没有在量子电动力学中提及到磁荷。”
    “我想，他应该想到这个问题，但是没有办法解决，所以忽略了。”
    “反正即便没有磁荷，依然可以解释很多现象。”
    “但我认为，这始终是一个隐患。”
    嘶！
    玻尔倒吸一口冷气。
    眼前这个狄拉克实在太猛了。
    全世界都没有多少人能理解量子场论的思想时，他已经能找出问题了。
    而且还是如此深刻基础的问题。
    玻尔并没有觉得对方是愣头青。
    曾几何时，他也是这样的绝世天骄。
    当初，所有人都认为布鲁斯教授的原子结构行星模型是正确的。
    但是他却推翻理论，提出了量子化轨道模型。
    那时的他是何等意气风发。
    现在，他又从狄拉克的身上，看到了自己的影子。
    一时间，感慨万千。
    玻尔非常重视狄拉克的问题。
    “所以，你认为量子电动力学有不完美的地方？”
    “那就是必须加入磁荷或者说磁单极子的存在。”
    狄拉克点点头。
    “是的。”
    “而且，我总觉得磁单极子和电荷的量子化本质之间存在某种关系。”
    “我想回去好好研究这个问题。”
    玻尔笑道：
    “那你怎么不问布鲁斯教授？”
    狄拉克苦笑道：
    “我是上了船之后才想到的。”
    说罢，玻尔哈哈大笑。
    “你是强行给自己增加难度啊。”
    “放心，你一定会成功的。”
    “老师的理论一定会被发扬光大！”
    此刻，狄拉克回忆着和玻尔的交流内容，灵感如泉水一般涌出。
    首先，他大胆地提出“磁单极子”的存在。
    如此一来，量子电动力学关于电和磁的内容就能对称。
    接着，他需要从理论上证明其存在。
    狄拉克在笔下写道：
    “在量子场论的框架下，磁单极子与磁力线的封闭性可以共存。”
    “前提是磁荷必须满足某种量子化条件。”
    这句话要是传出去，绝对会震撼物理学界。
    一个点电荷的电力线，是朝着四面八方笔直地发射，不会形成闭合情况。
    同理，很自然联想到，磁单极子发出的磁力线也应该是这种情况。
    但是量子电动力学中，又表明磁力线必须是封闭的。
    狄拉克如果想引入磁单极子，就会产生一个矛盾。
    他必须解决如何让磁单极子产生封闭的磁力线。
    这看起来似乎是不可能完成的事情。
    然而，谁让他是狄拉克呢。
    “我可以假想存在一根弦。”
    “每个磁北极和磁南极都通过这根弦连接。”
    “这个弦是一个理想的无截面螺线管，能够引导磁力线从南极流向北极。”
    “从而维持了磁力线的封闭性。”
    “如果是这样的话”
    狄拉克开始发挥他超凡的数学天赋。
    他在量子电动力学的基础上，证明了磁单极子存在的可能性。
    而且通过计算，他发现两个磁单极子之间的相互作用力，是两个电子之间库伦力的4700倍。
    这说明磁单极子之间的力非常强大。
    此外，最重要的是，有了磁单极子的存在，他就可以从理论上推导出电荷必然是量子化的。
    从而解释为什么所有带电粒子的电荷都是电子的整数倍。
    甚至这个现象，又反过来证明了磁单极子存在的可能性。
    这一刻，饶是以狄拉克的孤僻，也忍不住兴奋起来。
    他知道，自己这个成果必将震撼物理学界。
    而且他还是第一位完善量子电动力学的人。
    在最后，狄拉克又写道：
    “磁单极子的存在，将会重新改写麦克斯韦方程组。”
    “电和磁是绝对对称的两种现象！”
    ——
    1926年8月20日。
    《自然》期刊发表了狄拉克的论文。
    文章一出，学界轰动！
    磁单极子的概念简直冲击了所有物理学家的三观。
    “上帝啊！”
    “竟然有人从理论上证明了磁单极子的存在？”
    “那种匪夷所思的东西真的会存在吗？”
    “.”
    一时间，大佬们纷纷展开研究。
    海森堡、泡利等人第一时间看到了论文，震撼的无以复加。
    他们作为当前最牛逼的理论物理学家之一，还在深刻学习量子场论的思想呢。
    然而，狄拉克，那个沉默寡言的家伙，甚至已经开始运用量子场论解决问题，并提出如此惊世骇俗的猜想了。
    海森堡羡慕道：
    “狄拉克是在现场听讲的。”
    “他一定是听到了什么我们不知道的细节。”
    “可恶啊！我要是当时也在现场该多好。”
    然而，他哪里知道，狄拉克并没有借助任何人的帮助，全凭自己的实力。
    泡利也忍不住说道：
    “如果磁单极子真的存在，整个电磁学都会被推倒重来。”
    泡利虽然高傲嘴碎，但总能客观评价别人的成就。
    玻尔在研究所看到狄拉克的论文后，微微一笑。
    “他果然成功了。”
    “磁单极子猜想，绝对是最顶级的物理猜想。”
    当李奇维在婆罗洲看到狄拉克的论文后，微微一笑。
    他立刻公开发文表示：
    “磁单极子猜想是基础物理层面的未解之谜。”
    “它的影响必定重要而深远。”
    “根据宇宙大爆炸理论，电和磁或许在高能状态下本就是对称的。”
    “但是因为某种原因，这种对称性破缺了，所以造成了磁单极子消失。”
    “但是它的存在，对量子场论至关重要。”
    消息一出，又一次震撼了物理学界。
    众人无不感慨：
    “布鲁斯教授是真牛逼。”
    “宇宙大爆炸理论包含一切！”
    “现在连磁单极子都能解释。”
    “恐怖如斯！”
    真实历史上，磁单极子被狄拉克提出以后，立刻引起了轰动。
    无数物理学家都在寻找它的踪迹。
    其中最著名的实验，是20世纪70年代的卡布雷拉做的磁单极子探测器实验。
    他用一根长的金属丝，绕了8个线圈。
    如此就可以测量通过线圈的磁通量。
    而且单极子和偶极子通过线圈的磁通量很容易区别。
    一开始，卡布雷拉只能检测到双信号，这表示通过的都是磁偶极子。
    一连几个月，他都没有看到磁单极子，于是心灰意冷。
    然而，就在他快要放弃时，他突然在电脑上看见了8个磁单极子的信号。
    卡布雷拉惊喜万分。
    他立刻把自己的成果以论文的形式发表，顿时轰动了整个学界。
    很多人都开始重复他的实验。
    然而，令人失望的是，再也没有任何人看到磁单极子的痕迹。
    于是，大家都认为是卡布雷拉的实验出现了什么故障，使其误以为发现了磁单极子。
    更有人玩笑道：
    “宇宙中唯一一个磁单极子恰好通过了卡布雷拉的探测器。”
    后来，随着大型强子对撞机的出现，物理学家企图通过撞击人造出磁单极子。
    直到后世，也没有取得突破。
    但是，电与磁的完美对称想法，一直吸引着物理学家不断地追求。
    然而，就在众人为磁单极子的猜想而震撼时。
    爱因斯坦却发表了一个更加惊世骇俗的猜想。
    “宇宙中根本没有磁，磁场只是电场运动时的相对论效应引起的表象。”
    “在产生磁场的电流中，正负电荷的运动状态并不相同。”
    “在带电粒子所在参考系中，电荷分布由于相对论效应，发生了变化。”
    “从而导致粒子受到力的作用，运动状态发生改变，这就是磁力。”
    他的文章让所有人震惊的目瞪口呆。
    “上帝啊！”
    “爱因斯坦教授太疯狂了！”
    “这个想法比磁单极子还要震撼。”
    按照爱因斯坦的观点，磁场只是电场运动相对论效应。
    所以，也就不存在什么磁单极子了，甚至磁场b都是多余的。
    众多理论物理大佬纷纷加入讨论之中。
    爱因斯坦的猜想非常有研究价值。
    是量子力学和狭义相对论结合的又一典范。
    李奇维刚刚提出量子场论不久，就激发了所有人的灵感。
    这就是他想看到的景象。
    理论物理再一次引领物理学的未来。
    与此同时，实验物理也取得了重大突破。
    (本章完)