把一根磁棒截成兩段，可以得到兩根新磁棒，它們都有南極和北極。事實(shí)上，不管你怎樣切割，新得到的每一段小磁鐵總有兩個(gè)磁極。因此，人們認(rèn)為磁體的兩極總是成對出現(xiàn)，自然界中不會存在單個(gè)磁極。然而，磁和電有很多相似之處。例如，同種電荷互相推斥，異種電荷互相吸引；同名磁極也互相推斥，異名磁極也互相吸引。用摩擦的方法能使物體帶上電，如果用磁鐵的一極在一根鋼棒上沿同一方向摩擦幾次，也能使鋼棒磁化。但是，為什么正、負(fù)電荷能夠單獨(dú)存在，而單個(gè)磁極卻不能單獨(dú)存在呢?多年來，人們百思而不得其解。

偉大的預(yù)言

1931年，著名的英國物理學(xué)家狄拉克首先從理論上用極精美的公式預(yù)言，磁單極子是可以獨(dú)立存在的。他認(rèn)為，既然電有基本電荷——電子存在，磁也應(yīng)有基本磁荷——磁單極子存在，這樣，電磁現(xiàn)象的完全對稱性就可以得到保證。因此，他根據(jù)電動力學(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。以前，狄拉克曾經(jīng)預(yù)言過正電子的存在，并已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)；這一次他的磁單極子假設(shè)同樣震驚了科學(xué)界。

在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學(xué)說外，還有其他一些科學(xué)家也曾提出過多種學(xué)說，各有其特點(diǎn)和根據(jù)。如著名的美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米也曾經(jīng)從理論上探討過磁單極子，并且也認(rèn)為它的存在是可能的。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一些著名的科學(xué)家，也從不同方面不同程度地對磁單極子理論做出了補(bǔ)充和完善。它們彌補(bǔ)了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極子的設(shè)想輔以更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

艱難的尋找

隨著磁單極子的提出，科學(xué)界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮。人們絞盡腦汁，采用了各種各樣的方法，去尋找這種理論上的磁單極子。

科學(xué)家首先把尋找的重點(diǎn)放在古老的地球的鐵礦石和來自地球之外的鐵隕石上，因?yàn)樗麄冇X得這些物體中，會隱藏著磁單極子這種“小精靈”。然而結(jié)果卻令他們大失所望：無論是在“土生土長”的地球物質(zhì)中，還是那些屬于“不速之客”的地球之外的天體物質(zhì)中，均未發(fā)現(xiàn)磁單極子!

高能加速器是科學(xué)家實(shí)現(xiàn)尋找磁單極子美好理想的另一種重要手段。科學(xué)家利用高能加速器加速核子(例如質(zhì)子)，以之沖擊原子核，希望這樣能夠使理論中的緊密結(jié)合的正負(fù)磁單極子分離，以求找到磁單極子。美國的科學(xué)家利用同步回旋加速器，多次用高能質(zhì)子與輕原子核碰撞，但是也沒有發(fā)現(xiàn)有磁單極子產(chǎn)生的跡象。這樣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了很多次，得到的都是否定的結(jié)果。

古老巖石探測和加速器實(shí)驗(yàn)所遭到的挫折，并沒有使科學(xué)家們氣餒，反而更加激發(fā)了他們的斗志，并促使他們廣開思路，想到了這也許是因?yàn)榧铀倨鞯哪芰坎粔虼蟮木壒省Ｋ麄円环矫嬖噲D研制出功能更加強(qiáng)大的加速器；一方面把目光投向能量更大的天然的宇宙射線，試圖從宇宙射線中找到磁單極子的蹤影。從宇宙射線中尋找磁單極子的理論根據(jù)有兩方面：一種是宇宙射線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙射線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產(chǎn)生磁單極子。他們曾經(jīng)把希望寄托在一套高效能的裝置上，因?yàn)檫@種裝置可以捕捉并記錄到非常微小、速度非?？斓碾姶努F(xiàn)象。他們期待著利用這套裝置能把宇宙射線中的磁單極子吸附上，遺憾的是這套裝置也未能使他們?nèi)缭敢詢?，滿腔希望的他們又遭受了一次失望的打擊。

但是，科學(xué)家們并不因此氣餒和放棄，他們?nèi)栽诓粩嗟貙ふ抑鴻C(jī)會。人類登月飛行的實(shí)現(xiàn)，又重新在科學(xué)家心目中燃起了熊熊的希望之火，讓科學(xué)家把目光投向那寂靜荒涼的地方，因?yàn)樵虑蛏霞葲]有大氣，磁場又極微弱，應(yīng)該是尋找磁單極子的好場所。1973年，科學(xué)家對“阿波羅”11號、12號和14號飛船運(yùn)回的月巖進(jìn)行了檢測，而且使用了極靈敏的儀器，但沒有測出任何磁單極子。

曙光初現(xiàn)

在今年9月3日出版的《科學(xué)》雜志上，發(fā)表了一個(gè)令人驚喜的研究成果：德國科學(xué)家首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實(shí)際材料中出現(xiàn)的過程。德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應(yīng)堆中進(jìn)行了一次中子散射實(shí)驗(yàn)。在此項(xiàng)工作中，研究人員首次證實(shí)了磁單極子以物質(zhì)的非常態(tài)存在，即它們的出現(xiàn)是由偶極子的特殊排列促成的，這和材料的組成方式完全不同。除了上述基本知識外，莫里斯對此結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的解釋，他認(rèn)為此項(xiàng)工作正在書寫新的物質(zhì)基本屬性。

磁單極子應(yīng)用的運(yùn)想

磁單極子的發(fā)現(xiàn)意義重大，能夠使新能源的利用和開發(fā)邁進(jìn)一大步。而最貼近人們生活的，就是磁懸浮列車的制造技術(shù)將有質(zhì)的飛躍，因?yàn)樵谲嚨膽腋∵\(yùn)行中可消除磁損耗和熱損耗。使車行更安全、更經(jīng)濟(jì)。想象一下吧，如果我們擁有一個(gè)僅具有南極或者北極的物體，那么它的很多應(yīng)用都不會受到我們不需要的那個(gè)磁極的影響。比如真正意義上的直流發(fā)電機(jī)將離我們不再遙遠(yuǎn)。

眾所周知，每個(gè)磁鐵都有N極和S極。展開一下聯(lián)想，誰會有相似的性質(zhì)呢?答案就是正負(fù)電荷。任何原子都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核以及圍繞在核外不停運(yùn)動的電子構(gòu)成的，而正電荷存在于質(zhì)子中，因而顯正電。我們?yōu)楹尾荒馨央姾蓳Q成磁單極子，而構(gòu)成一種新的原子呢?當(dāng)我們把N極子(或S極子)和其他基本粒子“組裝”成質(zhì)子，再與中子(也可能是重新組裝成的中子)按不同數(shù)量和次序組裝成核，外面再環(huán)繞一些S極子(或N極子)。這樣我們不就能繪制出一幅新的元素周期表了嗎?

顯然，由這些原子構(gòu)成的新物質(zhì)會有令人意想不到的性質(zhì)，而我們將這些物質(zhì)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中不是更好嗎?比如，這些元素中的金屬將不會再導(dǎo)電，而是導(dǎo)磁。因?yàn)樵诖艌龅淖饔孟拢饘僦械淖杂纱艈螛O子會發(fā)生定向移動，而且性能會相當(dāng)好。也許有一天我們就可以利用這種金屬制成的電線輸送能源。再比如，大家都知道，光的本質(zhì)是電磁波，我們也可以制造出新型的太陽能發(fā)電材料。當(dāng)光照射到這種材料上面時(shí)，光會與材料表面中的磁單極子發(fā)生“共振”從而產(chǎn)生新的磁場，達(dá)到發(fā)“電”的目的。

[責(zé)任編輯] 蒲暉