自然的不对称

有电荷和电场,只有磁场是磁场。 宇宙中可以有磁力吗?



您不能犯一个单一的错误,仍然会失败。 这不是软弱-这是生活。
- 让·吕克·皮卡德

在科学中,尤其是在物理学中,大量的物理过程是基于基本对称性的。 在重力作用下,任何质量作用在另一质量上的力的大小相等,并且方向与另一质量作用在第一质量上的力相反。





对于电荷也是如此,尽管有一个陷阱:根据电荷的符号,电气相互作用可以是正的或负的。 另外,电与另一种相互作用磁密切相关。



当电具有正电荷和负电荷时,类似物排斥类似物,相反的部分吸引,因此磁具有北极和南极,它们的排斥力相同,排斥力也不同。 但是磁力以某种明显的方式显示出与电的根本区别:
  • 电力可以将许多电荷收集在一起,也可以将正电荷或负电荷分开。
  • 磁性可以将许多极组装在一起,但是您无法将北极与南方隔离开来。


在物理学中,两个相反的电荷或连接在一起的极称为偶极子,而一个单独的电荷称为单极子。



使用引力单极子,一切都很简单:这就是质量。 对于带电粒子,这也很简单:任何带电荷的基本粒子(例如电子或夸克)都可以。

但是磁单极子? 据我们所知,它们不存在。 它们存在的宇宙将与我们的宇宙不同。 考虑一下电和磁之间的关系。



移动的电荷或电流会产生垂直于运动线的磁场。 带有电流流过的直导线会产生磁场,该磁场绕导线成一圈。 如果将导体包裹在环路或线圈中,则磁场将出现在其中。

事实证明,这是双向的。 物理定律趋于对称。 这意味着,如果我有一个线圈或线圈,并且改变了其中的磁场,则会产生使电荷移动的电流。 这是150多年前迈克尔·法拉第Michael Faraday)发现的电磁感应。



因此,我们有电荷,电流和电场-但是没有磁电荷或磁流,只有磁场。 您可以更改磁场并使电荷移动,但是由于不存在磁场,因此无法通过更改电场使电荷移动。

同样,可以通过移动电荷来产生磁场,但不能通过移动电荷来产生电场-同样,它们不存在。

换句话说,我们的宇宙的电磁特性之间存在着根本的不对称性。 因此,电场E和B(电场和磁场) 的麦克斯韦方程式是如此不同。



等式之所以如此不同的原因是因为存在电荷(ρ和Q)和电流(J和I),而它们的磁性对应物不存在。 如果去除电荷和电流,它们将变得对称,直至基本常数。

但是,如果存在电荷和电流怎么办? 物理学家一直在思考这一问题已有一百多年了,如果它们存在,我们可以写下如果磁单极子在自然界中,麦克斯韦方程的样子。 它们是什么样的(以差分形式)?



同样,精确到基本常数,这些方程现在看起来非常对称! 我们可以通过简单地改变电场,产生电流和感应电场来使电荷移动。 在1930年代,狄拉克(Dirac)和他们一起玩耍,但后来普遍接受的结论是,如果它们存在,它们会留下某种痕迹。 由于物理学本质上是一门实验科学,因此该领域并未受到重视。 没有磁单极子的任何证据,很难证明。

但是情况在1970年代开始发生变化。 人们尝试了“大统一理论”,或者关于自然界中存在比我们所看到的对称得多的对称性的想法。 对称性可能会被破坏,因为对称性在宇宙中存在四种不同的基本相互作用,但也许所有这些相互作用都被组合成一个单一的高能? 结果,所有这些理论都预测了新的高能粒子的存在,并且在许多情况下还预测了磁单极子(特别是霍夫特-波利亚科夫垄断 )。



磁单极子一直是物理学家的诱人话题,而新的理论激发了这种兴趣。 因此,在1970年代,人们开始寻找单极子,其中最著名的是物理学家布拉斯·卡布雷拉Blas Cabrera) [ 西班牙物理学研究创始人的孙子布拉斯·费利佩·卡布雷拉Blas Felipe Cabrera) /大约。 佩雷夫 ]。 他拿了一根长电线,将其扭成八圈,以便可以测量通过它的磁通量。 如果单极通过它,那么它将产生一个正好为八个磁子力的信号。 好吧,如果一个标准的磁偶极子穿过它,它将产生一个+8磁子的信号,紧接着是一个-8磁子的信号-这样就可以区分这些信号。


Blas Cabrera的磁性单极探测器

因此,他制造了此设备并开始等待。 该设备不完美,有时其中一个环路发送了信号,在更罕见的情况下,信号同时通过两个环路发送。 但是要检测磁单极子,只需要八个磁极-但是该设备显示的磁极不超过两个。 实验未能成功进行了几个月,结果,他们开始每天只返回几次。 1982年2月14日,布拉斯因为庆祝情人节而没有来他的办公室。 当他于2月15日恢复工作时,他惊讶地发现2月14日的计算机和设备记录了恰好八个磁子的信号。



这一发现激起了公众的热情,引起了极大的兴趣。 较大的设备具有较大的表面积和大量回路,但尽管进行了仔细的搜索,却没有人找到单极子。 史蒂文·温伯格甚至于1983年2月14日为布拉斯·卡布雷拉(Blas Cabrera)写了一首诗:

玫瑰是红色的
紫罗兰是蓝色的
是时候换单极子了
二号!

玫瑰是红色的
紫罗兰色
引入第二种垄断
我们会问你!

[ 引用英语国家在庆祝情人节时使用的一首流行诗,//大约。 佩雷夫 ]

但是第二次垄断并未出现。 这是卡布雷拉实验的一个超罕见的故障吗? 这是我们宇宙中唯一偶然通过探测器的唯一单极子吗? 由于我们还没有找到其他人,因此不可能确定,但​​是科学必须是可复制的。 但是这个实验无法重现。

如今,垄断仍在试验中,但期望却很低。



大自然的对称性将是美丽的,但正如我们所不希望的那样,它是不对称的,并非在所有层面上都是如此。 没有人应该为此责怪; 只是宇宙本身。 最好是这样接受它-不管它在美学上是多么令人愉悦-都要让我们的偏见使我们误入歧途。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN409675/


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