第659章 電與磁！對稱和破缺之美！磁單極子

  第659章 電與磁！對稱和破缺之美！磁單極子！轟動學界！理論狂潮！

  英國，劍橋大學。

  狄拉克在演講完後，就一直待在自己的辦公室內。

  關於量子場論，他有了一個全新的想法。

  早在從獅城坐船回來的路上，他就問過玻爾一個非常樸素的問題：

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  「玻爾教授，電荷為什麼是量子化的？」

  電磁學已經發展了100多年，好像從來沒有人考慮過這個問題。

  哪怕量子概念誕生了，也是首先把能量給量子化了。

  因為能量在大家的經驗中，是連續的，是可以無限分的。

  所以能量量子化會引起人們的格外注意。

  但電荷不同。

  自從電子被發現後，物理學界已經默認，一個電子所帶的電荷就是一個基本單位的負電荷。

  後來，隨著原子學的發展越來越深入，人們又發現了質子、中子等其它粒子。

  巧合的是，一個質子所帶的電荷也是一個基本單位的電荷，而且是正電荷。

  為什麼不是一個質子帶5個正電荷呢？

  這樣的話，兩個質子就能和三個電子保持電荷平衡，原子結構也許依然能穩定。

  換句話說：為什麼所有帶電粒子的電荷都是電子電荷的整數倍，而不是分數倍？

  從來沒有人想過這個問題。

  或許有人想過，但不知道怎麼解釋。

  當時，玻爾是這樣回答的：

  「這是宇宙的底層規則之一。」

  「就跟光速為什麼是30萬公里每秒一樣。」

  「它是公理，沒有辦法用更基本的概念推導。」

  然而，狄拉克並不滿意這個回答。

  他緊接著又問了一個奇怪的問題。

  「從對稱的角度看，電和磁應該是相互對稱的。」

  「電荷有正電荷和負電荷，磁場有南極和北極。」

  「但為什麼電荷可以單獨存在，磁荷不能單獨存在呢？」

  「宇宙中存在磁單極子嗎？」

  嘩！

  玻爾心中震撼！

  好傢夥，現在的年輕人怎麼一直在想稀奇古怪的東西。

  這容易鑽牛角尖啊。

  在物理學中，相反的電荷結合在一起，就把它們稱為「偶極子」。

  當一個單獨的電荷存在時，就叫它「單極子」。

  化學中也引入了這種概念，凡是兩極結合在一起，都可以稱為偶極子。

  很明顯，電荷能夠單獨存在單極子。

  一個電子可以單獨存在，一個質子也可以單獨存在，它們都只帶一種電荷。

  於是問題來了。

  磁單極子是否存在呢？

  玻爾仔細想了想，貌似還真沒有人提出過這個問題？

  或者提出了，也只是不了了之，沒有引起什麼反響。

  因為答案很顯然：不存在。

  從生活中就能找到最好的例子。

  把一塊磁鐵掰成兩截，並不會得到一個單獨的北極和一個單獨的南極。

  而是得到了四個磁極，兩截的磁鐵，又分別有了自己的南北極。

  如果繼續掰下去，就得到8極、16極

  總之，不可能有單獨存在的磁單極子。

  玻爾只能說道：

  「我認為是不存在的。」

  但是狄拉克卻仿佛自言自語道：

  「可是電和磁明明是對稱的現象啊。」

  「電有電場，磁有磁場；」

  「電能生磁，磁能生電；」

  「但是電有電荷，有電單極子；磁卻沒有磁荷，沒有磁單極子。」

  「為什麼到這裡就不對稱呢？」

  換句話說：並不存在「磁荷」這個東西。

  就好像磁並沒有最小的基本單位。

  玻爾思考很久，他知道狄拉克乃是絕世天才，不會無的放矢。

  於是，他沉聲問道：

  「狄拉克，你有什麼想法嗎？」

  狄拉克聞言，深邃的眼睛看向海平面，平靜的水面下似乎蘊藏著無數的秘密。

  「我在看布魯斯教授推導量子電動力學時，想到一個問題。」

  「量子電動力學是關於電磁相互作用的量子場論。」

  「在該理論中，布魯斯教授默認了電荷是量子化的。」

  「這一點，似乎不用證明，而且他確實也是直接引用，沒有更進一步的說明。」

  「但是問題了。」

  「量子場論是對稱性的理論。」

  「如果布魯斯教授認為電荷是量子化的，那麼就必須同時存在量子化的磁荷。」

  「否則，理論就會出現不對稱性。」

  「但是布魯斯教授並沒有在量子電動力學中提及到磁荷。」

  「我想，他應該想到這個問題，但是沒有辦法解決，所以忽略了。」

  「反正即便沒有磁荷，依然可以解釋很多現象。」

  「但我認為，這始終是一個隱患。」

  嘶！

  玻爾倒吸一口冷氣。

  眼前這個狄拉克實在太猛了。

  全世界都沒有多少人能理解量子場論的思想時，他已經能找出問題了。

  而且還是如此深刻基礎的問題。

  玻爾並沒有覺得對方是愣頭青。

  曾幾何時，他也是這樣的絕世天驕。

  當初，所有人都認為布魯斯教授的原子結構行星模型是正確的。

  但是他卻推翻理論，提出了量子化軌道模型。

  那時的他是何等意氣風發。

  現在，他又從狄拉克的身上，看到了自己的影子。

  一時間，感慨萬千。

  玻爾非常重視狄拉克的問題。

  「所以，你認為量子電動力學有不完美的地方？」

  「那就是必須加入磁荷或者說磁單極子的存在。」

  狄拉克點點頭。

  「是的。」

  「而且，我總覺得磁單極子和電荷的量子化本質之間存在某種關係。」

  「我想回去好好研究這個問題。」

  玻爾笑道：

  「那你怎麼不問布魯斯教授？」

  狄拉克苦笑道：

  「我是上了船之後才想到的。」

  說罷，玻爾哈哈大笑。

  「你是強行給自己增加難度啊。」

  「放心，你一定會成功的。」

  「老師的理論一定會被發揚光大！」

  此刻，狄拉克回憶著和玻爾的交流內容，靈感如泉水一般湧出。

  首先，他大膽地提出「磁單極子」的存在。

  如此一來，量子電動力學關於電和磁的內容就能對稱。

  接著，他需要從理論上證明其存在。

  狄拉克在筆下寫道：

  「在量子場論的框架下，磁單極子與磁力線的封閉性可以共存。」

  「前提是磁荷必須滿足某種量子化條件。」

  這句話要是傳出去，絕對會震撼物理學界。

  一個點電荷的電力線，是朝著四面八方筆直地發射，不會形成閉合情況。

  同理，很自然聯想到，磁單極子發出的磁力線也應該是這種情況。

  但是量子電動力學中，又表明磁力線必須是封閉的。

  狄拉克如果想引入磁單極子，就會產生一個矛盾。

  他必須解決如何讓磁單極子產生封閉的磁力線。

  這看起來似乎是不可能完成的事情。

  然而，誰讓他是狄拉克呢。

  「我可以假想存在一根弦。」

  「每個磁北極和磁南極都通過這根弦連接。」

  「這個弦是一個理想的無截面螺線管，能夠引導磁力線從南極流向北極。」

  「從而維持了磁力線的封閉性。」

  「如果是這樣的話」

  狄拉克開始發揮他超凡的數學天賦。

  他在量子電動力學的基礎上，證明了磁單極子存在的可能性。

  而且通過計算，他發現兩個磁單極子之間的相互作用力，是兩個電子之間庫倫力的4700倍。

  這說明磁單極子之間的力非常強大。

  此外，最重要的是，有了磁單極子的存在，他就可以從理論上推導出電荷必然是量子化的。

  從而解釋為什麼所有帶電粒子的電荷都是電子的整數倍。

  甚至這個現象，又反過來證明了磁單極子存在的可能性。

  這一刻，饒是以狄拉克的孤僻，也忍不住興奮起來。

  他知道，自己這個成果必將震撼物理學界。

  而且他還是第一位完善量子電動力學的人。

  在最後，狄拉克又寫道：

  「磁單極子的存在，將會重新改寫麥克斯韋方程組。」

  「電和磁是絕對對稱的兩種現象！」

  ——

  1926年8月20日。

  《自然》期刊發表了狄拉克的論文。

  文章一出，學界轟動！

  磁單極子的概念簡直衝擊了所有物理學家的三觀。

  「上帝啊！」

  「竟然有人從理論上證明了磁單極子的存在？」

  「那種匪夷所思的東西真的會存在嗎？」

  「」

  一時間，大佬們紛紛展開研究。

  海森堡、泡利等人第一時間看到了論文，震撼的無以復加。

  他們作為當前最牛逼的理論物理學家之一，還在深刻學習量子場論的思想呢。

  然而，狄拉克，那個沉默寡言的傢伙，甚至已經開始運用量子場論解決問題，並提出如此驚世駭俗的猜想了。

  海森堡羨慕道：

  「狄拉克是在現場聽講的。」

  「他一定是聽到了什麼我們不知道的細節。」

  「可惡啊！我要是當時也在現場該多好。」

  然而，他哪裡知道，狄拉克並沒有藉助任何人的幫助，全憑自己的實力。

  泡利也忍不住說道：

  「如果磁單極子真的存在，整個電磁學都會被推倒重來。」

  泡利雖然高傲嘴碎，但總能客觀評價別人的成就。

  玻爾在研究所看到狄拉克的論文後，微微一笑。

  「他果然成功了。」

  「磁單極子猜想，絕對是最頂級的物理猜想。」

  當李奇維在婆羅洲看到狄拉克的論文後，微微一笑。

  他立刻公開發文表示：

  「磁單極子猜想是基礎物理層面的未解之謎。」

  「它的影響必定重要而深遠。」

  「根據宇宙大爆炸理論，電和磁或許在高能狀態下本就是對稱的。」

  「但是因為某種原因，這種對稱性破缺了，所以造成了磁單極子消失。」

  「但是它的存在，對量子場論至關重要。」

  消息一出，又一次震撼了物理學界。

  眾人無不感慨：

  「布魯斯教授是真牛逼。」

  「宇宙大爆炸理論包含一切！」

  「現在連磁單極子都能解釋。」

  「恐怖如斯！」

  真實歷史上，磁單極子被狄拉克提出以後，立刻引起了轟動。

  無數物理學家都在尋找它的蹤跡。

  其中最著名的實驗，是20世紀70年代的卡布雷拉做的磁單極子探測器實驗。

  他用一根長的金屬絲，繞了8個線圈。

  如此就可以測量通過線圈的磁通量。

  而且單極子和偶極子通過線圈的磁通量很容易區別。

  一開始，卡布雷拉只能檢測到雙信號，這表示通過的都是磁偶極子。

  一連幾個月，他都沒有看到磁單極子，於是心灰意冷。

  然而，就在他快要放棄時，他突然在電腦上看見了8個磁單極子的信號。

  卡布雷拉驚喜萬分。

  他立刻把自己的成果以論文的形式發表，頓時轟動了整個學界。

  很多人都開始重複他的實驗。

  然而，令人失望的是，再也沒有任何人看到磁單極子的痕跡。

  於是，大家都認為是卡布雷拉的實驗出現了什麼故障，使其誤以為發現了磁單極子。

  更有人玩笑道：

  「宇宙中唯一一個磁單極子恰好通過了卡布雷拉的探測器。」

  後來，隨著大型強子對撞機的出現，物理學家企圖通過撞擊人造出磁單極子。

  直到後世，也沒有取得突破。

  但是，電與磁的完美對稱想法，一直吸引著物理學家不斷地追求。

  然而，就在眾人為磁單極子的猜想而震撼時。

  愛因斯坦卻發表了一個更加驚世駭俗的猜想。

  「宇宙中根本沒有磁，磁場只是電場運動時的相對論效應引起的表象。」

  「在產生磁場的電流中，正負電荷的運動狀態並不相同。」

  「在帶電粒子所在參考系中，電荷分布由於相對論效應，發生了變化。」

  「從而導致粒子受到力的作用，運動狀態發生改變，這就是磁力。」

  他的文章讓所有人震驚的目瞪口呆。

  「上帝啊！」

  「愛因斯坦教授太瘋狂了！」

  「這個想法比磁單極子還要震撼。」

  按照愛因斯坦的觀點，磁場只是電場運動相對論效應。

  所以，也就不存在什麼磁單極子了，甚至磁場B都是多餘的。

  眾多理論物理大佬紛紛加入討論之中。

  愛因斯坦的猜想非常有研究價值。

  是量子力學和狹義相對論結合的又一典範。

  李奇維剛剛提出量子場論不久，就激發了所有人的靈感。

  這就是他想看到的景象。

  理論物理再一次引領物理學的未來。

  與此同時，實驗物理也取得了重大突破。

  （還有更新耶）