磁现象的三个大秘密

游丹南

磁铁和磁力在我们的日常生活中无处不在，它们能帮助我们在陌生的野外找到方向，还能把家里的冰箱门封紧。除了这些常见的例子，磁现象有时还能在某些场合下大显身手，比如在核磁共振扫描仪中，磁场能发挥重要的作用。

尽管磁现象很常见，但它还是有一些很了不起的秘密。

只有运动才产生磁现象

一个带电荷的粒子，孤零零地呆在那里，不做任何活动，就会产生电场。这个场从粒子的各个方向扩散到四周，并指示其他附近的带电粒子如何响应。如果附近有个电荷相同的带电粒子，它将被推开;如果远处有个电荷相反的带电粒子，它会被轻轻地拉近一些。

但是，如果你让带电荷的粒子运动起来，就会发生一件令人惊讶的事情：一个新的场出现了！这个奇怪的场有着一种奇怪的表现形式：场的方向不是直接指向粒子或远离粒子，而是绕着粒子旋转的，垂直于粒子运动方向的。此外，附近的带电的粒子只有在运动的情况下，才能感受到这个新场，并且粒子所感受到的力的方向也垂直于它的运动方向。

这个场我们称之为磁场，它是由移动的电荷引起，又只影响移动的电荷。但是你的冰箱里的磁铁并没有动，那它们为什么还有磁性？

你的磁铁本身不动，但里面构成它的物质却在动。磁体中的每个原子都有层层的电子，电子是带电粒子，具有自旋的性质。为了便于理解，我们可以把自旋的电子看成一个个旋转的小球，虽然这种类比严格来说是不正确的，因为自旋其实是一种很深奥的量子性质。

这样，电子的自旋就相当于电子在自转，而自转也是一种运动。于是，每个电子都可以产生一个微弱的磁场。在大多数材料中，每个电子自旋的方向是随机分布的，产生的每个磁场在宏观尺度上相互抵消。但是在磁铁中，很多电子自旋的方向都大致相同，最终合起来的磁场足以在宏观尺度上体现出来。

磁单极子是有可能存在的

我们在宇宙中看到的所有磁场，全都是由移动的电荷产生的，所以南磁极与北磁极总是成对出现，无法把它俩隔离开来。如果你拿一块磁铁，把它切成两半，最后得到的则是更小的、磁性更弱的两块磁铁——它们的内部电子仍然在自旋，和以前一样。

磁铁的这种特性是众所周知的。在19世纪，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，成功地把电现象与磁现象统一在一个理论框架下，他还把“没有单个磁极那样的东西”这个观点直接写进了他的方程组——即著名的麦克斯韦方程组。几十年来，科学家们从来都没有质疑过这个观点。

但是，当我们开始研究奇妙的微观世界时，我们对量子力学的日益了解，给上面的观点带来了一些质疑。量子领域的先驱，英国物理学家保罗·狄拉克在上个世纪30年代首先注意到了这个问题。

狄拉克利用量子力学计算后发现，如果宇宙中存在一种假設的仅带有北极或南极的单一磁极的基本粒子，即磁单极子，那么宇宙中所有的电荷必须是量子化的。也就是说是，磁单极子如果存在，那么电荷量必为某一特定常数的整数倍。现实中，物理学家们通过实验早就发现，电荷的确是量子化的，这一特定常数就是基本电荷，是一个质子所带的电荷，或一个电子所带的负电荷的量。狄拉克的研究表明，宇宙中有可能存在着磁单极子，但到现在，物理学家还没有发现任何磁单极子。

磁单极子是当今物理学的前沿课题，许多物理学家仍在不遗余力地去寻找这种神秘的粒子。因为许多前沿的物理理论都包含了磁单极子，如果这种粒子真的存在，那么它肯定会给物理学带来巨大的影响。

磁现象是狭义相对论创立的关键

麦克斯韦发现的电与磁之间的联系，不仅仅是表面上的联系。他意识到，电与磁就像是同一枚硬币的两面：变化的电场可以产生磁场，反之亦然。而且，光其实就是不断振荡的电与磁相互作用时产生的现象。

爱因斯坦是麦克斯韦理论的超级粉丝，而且他还考虑到了麦克斯韦从没想到过的问题。爱因斯坦意识到，电、磁和运动之间存在着联系。同样，先假设一个带电荷的粒子，孤零零地呆在那里，如果你开始跑过去会发生什么？

从你的角度来看，电荷看起来是在移动。移动的电荷有什么作用？没错，它们会产生磁场。所以，不仅电场和磁场是同一枚硬币的两面，而且你可以通过简单的移动来将硬币的一面转换为硬币的另一面。这也意味着，电和磁现象是相对的，不同的观察者会对他们所看到的现象产生分歧：一些静止的观察者可能会看到电场，而一些运动种的观察者将发现这个电场的所在之处还有着一个磁场。

根据上面的思路，爱因斯坦继续分析下去，最终在1905年创立了狭义相对论，并以此建立起一种新的时空观。在这一时空观下，除了电和磁现象以外，质量、长度和时间都是相对的，其观量结果取决于物体相对于观测者的运动状态。例如，对于一位观察者来说，飞船运动得越快，观察者检测到的船内时间流逝得就越慢，这就是所谓的时间膨胀效应。狭义相对论是现代物理学的基石，它的创立过程是离不开磁现象的。