话说磁单极子
前一阵子，有一个与磁单极子有关的报道大热。谁都知道磁单极子只有单一极性，且一旦发现对电磁理论乃至整个基础物理学理论意义重大。但虽说早在20世纪30年代，狄拉克就已经从理论上给出了磁单极子存在的可能性，对这类粒子的追寻却并非坦途。
磁单极子之间的作用力与电荷类似，同性相斥异性相吸。不过如果磁单极子真的存在，电磁学理论就要作修正，如麦克斯韦方程组中描述磁场的散度公式右端就不再是0，而是有了类似于电场的形式；而描述法拉第电磁感应定律与安培定律的公式也会变得更为对称：
麦克斯韦方程组在磁单极子存在的情况下的形式。
磁单极子会给电荷量子化提供一个简单而合理的解释，这正狄拉克的理论引入这一概念的本来目的；此外磁单极子也是大统一理论的要求。本人熟悉的物理背景还不足以详谈这些问题，李淼老师的《超弦通俗演义》对此有所涉猎，有兴趣者不妨参考。好在搜索方法并没有物理意义那么深奥，主要就是寻找磁单极子留下的痕迹，如电离（较电荷更大）、电磁感应等。
搜寻对象包括宇宙线、月岩和加速器产物。可以考证的第一个可能的正信号出现在1973年9月。加州大学伯克利分校的P. B. Price与合作者在利用气球探测宇宙线重核成分的时候，发现了一个穿过探测器的切伦科夫层、乳胶层以及33层莱克桑聚碳酸酯层的重粒子。根据对粒子轨迹的分析，可能的解释一是原子序数介于125和137之间、β值接近1的重核，不过如此重的核子从未在早年的探测中发现过，而且切伦科夫层和乳胶层给出的信息表明入射粒子速度慢、原子序数与β值之比也应该更小，因此并不支持核子之说。而第二种可能性就是磁单极子了。Price等人于1975年将这一结论发表，随即引发了热烈的讨论。
聚碳酸酯层（图a）与乳胶层（图b）中疑为磁单极子留下的轨迹。（图片来源：Price et al. 1975）
这条轨迹应该算是物理学上的一个公案。同样的几位作者在1978年的一篇文章中否认了3年前发表的结论，声称在原始的分析中他们犯下了多个错误，因此磁单极子之说并不可信。文中并未给这个粒子的真实身份下定论，不过Alvarez在1975年就已经指出，分裂的铂原子核也是可以产生上图所示的径迹的，并不需要借助奇异的磁单极子。
除了Price等人用到的乳胶之外，最简单的探测器是所谓的超导量子干涉环，一旦有磁单极子从其中通过，环内磁通量会发生显著变化，且与普通的磁偶极子不同的是，单极子通过后磁通量保持稳定。这里要说的就是1982年2月14日夜间的著名探测，斯坦福直线加速器小组的干涉环检测到了通量突增，增幅与理论预言相符。这一事件并没有得到他人的确认，且如此清晰的磁单极子事件20余年间没有出现过第二次，事后他人的分析更是认为这个信号可以归结为数据处理问题。由于实验负责人Blas Cabrera当时并不在现场，有人干脆将其解释为恶作剧。但多年以来的零结果也算不得坏事，至少可以限制磁单极子的数量：最多相当于核子的1029分之一。
斯坦福小组的“情人节磁单极子事件”。（图片来源：Cabrera 1982）
至于月岩，主要是利用它们长期暴露在宇宙线之下，拥有数亿年甚至更长时间的积累。不过利用超导干涉环检验的结果照样是没有发现磁单极子存在的信号。当然，由于样本较少，如今这一手段已经不再是主要探测途径了。
加速器搜索利用的是另一条渠道，磁单极子与光子的强耦合，探测可以通过光子散射来实现。由于生成磁单极子的数量与质量有关，而至今也没有在加速器中找到过这样的粒子，因此可以确定其质量的下限：至少600 GeV。
大型强子对撞机装备的MoEDAL，计划用于磁单极子搜索。由于LHC的能量较其他加速器更高，很多物理学家将希望寄托于此。
根据实测的推断是，磁单极子少且重。不过人们在凝聚态物质中却找到了多种类似于磁单极子的现象，虽然这并不是真正的磁单极子造成的，而且磁场的散度在这些物质中也是等于0的。前阵子的那条报道就属于这一类。所以严格来说，“发现磁单极子”一说并不准确，只能说由于有了类似物，可以更好地研究磁单极子而已。
这类现象的基本理论依据是狄拉克弦。在狄拉克的理论中，它是磁荷存在时一条数学上的半直线，从磁荷引出，携带磁通量延伸到无限远，线的两端可以视作是南北磁极。规范势（如电磁势）在这条半直线上无法定义。如果凝聚态物质准粒子之间的通量管可以做到足够窄，符合量子化条件的时候，就可以被称作狄拉克弦。
这条报道背后的研究算是第一次探测到弦的存在。实验媒介是钛酸镝晶体，属于“自旋冰（Spin Ice）”的一种，带有磁性镝离子。由于这类物质中的磁性离子呈四面体结构，且四面体顶点上的离子自旋两个向外，两个向内，排列方式类似于冰晶中的氢原子，故名。每个离子的自旋都可以看成是偶极子，将磁通量导向四面体的外部或内部。如果某个离子因某种原因（如磁场作用）发生自旋反向，那么相邻的两个四面体排列就会被破坏。据信这一情况很好地近似了两个四面体相对的顶点形成一对磁单极子的过程。更进一步，排列的破坏还可以经由邻近四面体的自旋反向而传递，将弦延伸下去。
实验是在0.6至2开尔文的低温下进行的，由中子散射技术揭示排列成弦状的磁荷，弦的末端出现的就可以认为是磁单极子。弦的密度和方向则可以通过施加对称破缺的磁场来实现。如果温度升高，自旋冰会变为普通的顺磁物质，类似于磁单极子的现象也随之消失。
晶体中的磁通量管示意。
这项工作其实与基础物理没有太大的关系，毕竟这不是真正的自由磁单极子，它的意义主要还是在技术方面。类似的结论也不是第一次得出，只是这次论据格外坚实而已。那么理论家笔下的那种磁单极子呢？至今没有露面，连它的存在与否都是个问题。唯一可以肯定的是，这个问题的答案将带来理论研究的重大突破，乃至改写物理教材。
参考资料：
[1] Particle Data Group summary of magnetic monopole search
[2] Evidence for Detection of a Moving Magnetic Monopole, P. B. Price et al., Physical Review Letters, Vol. 35, No. 8, 1975
[3] Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7, D. J. P. Morris et al., Science, September 3rd 2009
