你知道磁单极子到底是什么吗?

你知道磁单极子到底是什么吗?为什么它会造成麦克斯韦方程组有一点点不对称?相信有人听说过电生磁、磁生电、电磁感应马达转这句话。从这句话就可以看出电和磁非常亲密,跟孪生兄弟一样。

它俩之间有很多的相似的地方,比如带电物体周围有电场,磁体周围有磁场,变化的电场可以感生出磁场,变化的磁场又可以感生出电场。而且电和磁同样都遵守了同性相斥,异性相吸的原理。冥冥之中就会觉得电和磁有着深刻的对称性,它俩应该是同一个事物的两个面,性质应该完全一样。

比如在电学当中如果正电荷和负电荷单独出现,这就叫单极子,如果同时出现这就叫偶极子。很明显宇宙中有单独的负电荷和单独的正电荷。按照对称性的要求,当然会认为在磁学中应该也有磁单极子,比如南磁荷和北磁荷。但真实的情况是磁荷总是以偶极子的方式出现,不能单独存在。

这就是为什么把一块磁铁掰两半以后并不能获得单独的南极和北极,而是会获得一块全新的、完整的磁铁。很多人就觉得这很奇怪了,觉得应该保持对称性的东西现在它的对称性却破缺了,而且这也体现在了麦克斯韦方程组当中。

看一下描述电场和磁场的方程,也就是第一个和第二个是不对称的,这就是因为一个有单极子,一个没有单极子。有单极子的电场并不是闭合的圈线,也就是它的散度不为零。而磁场没有单极子,总是以偶极子的方式出现,所以磁场线总是闭合的圈线,所以它的散度就是零,这就造成了麦克斯韦方程组看起来不那么漂亮。

如果有磁单极子,方程稍微修改一下就变成了右边的,看起来就完美对称了。问题是为什么找不到磁单极子?原因刚才已经说了,宇宙刚诞生以后有着非常高的对称性,那个时候应该是有磁单极的。但是随着温度的下降,很多的对称性就自发破缺了,这也就导致了电和磁的轻微的不对称。这样的自发性破缺还表现在了电磁力和弱力之间,它俩本来有一个名字叫电弱力,破缺了以后低温宇宙才有了单独的电磁力和弱力。

发布于 2024-11-17
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