探索电磁关系中的盲点

摘 要：电与磁的研究一直是紧密相连的，麦克斯韦方程组的提出更是确立了电磁的统一，然而由于自然界中磁荷（磁单极子）的存在始终未被证实，这使麦克斯韦方程组缺失了对称性的重要一角。本文从回顾电场与磁场的成因出发，并由电磁对称角度分析磁荷存在的合理性，在假定磁荷存在下对电磁理论的补充，总结目前磁荷的研究历程。

关键词：麦克斯韦方程组;磁荷;狄拉克假说;大统一理论

Abstract：The study of electricity and magnetism has always been closely linked.The Maxwell 's equations have established the unity of electromagnetic.However，the existence of magnetic charges（magnetic monopoles）in nature has not been confirmed，which makes the Maxwell 's equations lack an important corner of symmetry.Starting from reviewing the causes of electric and magnetic fields，this paper analyzes the rationality of the existence of magnetic charges from the perspective of electromagnetic symmetry，supplements the electromagnetic theory under the assumption of the existence of magnetic charges，and summarizes the current research process of magnetic charges.

Keywords：Maxwell 's equations;magnetic charge;Dirac hypothesis

1 緒论

电荷的发现使人们对电的认识得到深入，对电的使用也变得不再遥远。然而在电磁对称性中经常被提及的磁荷，却仍然基本只存在于理论之中，这对电磁领域的完善存在着一大盲点。磁荷，又称磁单极子，是指单独具有一个N极或者S极的磁性物质，这与我们所熟知的磁偶性所不同，由于目前并未有技术可以分离出N极与S极，所有磁单极子问题仍十分困扰物理学家与天文学家。

虽然关于磁单极子问题的研究仍未能取得突破性的发展，不过在物理学大统一理论和对早期宇宙的深入研究中，都指出了磁单极子是存在的。但因为对磁单极子的研究要求严苛，在理论上还无法直接利用实验方法来测量磁单极子，因此物理学大统一理论和天体物理宇宙发展学说都仅限于提供一定的理论解释。文章中我们将总结磁与电的发展及建立过程，并从电磁场技术研究的对称性中提炼出对磁荷的一些推测，并总结了史上物理学家们对磁荷技术研究的突破性历程。

2 电场与磁场的探寻发展

库伦在他的扭秤试验中提出了静电作用规律，并基于此现象而对库伦力的概念提出解释，此创造性的发现开启了电磁理论研究大门，人类也由此对电磁现象进行了定量研究。

物理学家奥斯特在一次实验中偶然发现了一个现象，将磁针放置在一个导线附近且作南北指向，在导线通电的同时受地磁场作用，磁针方向会发生变化。若导线通过反向电流时，磁针则相对会向另一方向转动。

在此次现象中，人们首次实质感受到电与磁间的直接影响。这一新发现使当时许多研究者对“电磁”产生了浓厚的兴趣，并提出一个反向思考的问题：既然电流对磁性物质有力的作用，那磁性物质对导线中电流也能同样有此效果吗？这个问题通过另一实验得到了验证：在马蹄形磁铁二极间放置一个水平直导线，导线通电后发生了移动，说明磁也能对电流有同样的影响。实验结果使人们相信电与磁是具有相同属性的。

受奥斯特实验所吸引的物理学家安培，他也大量模拟了类似的试验，并发现电流间的相互关联现象。联想到磁性介质本身也具有相互关联性，他大胆猜测磁的本质是运动电荷，由此说明地磁的成因和物质的磁性。同时他又提出了相应的安培分子电流假说为这一论点解释，该假说指出：磁性物质的原子内部有一个环形电流，又名分子电流，而磁原子周围的磁分子便是由其所产生的，它的两侧可等效看为两个地球磁极。常态时，这些分子电流的取向是杂乱无序的，而之所以不显磁性是由于分子电流所产生的磁效应可以相互抵消。但当处于磁场中时，受其影响使各分子电流有序同向排列，此时相邻间分子电流的磁效应作用仍可抵消，而表面保留对外显宏观磁性。这显然说明了电与磁不再是平等关系，磁被认作是特殊的电，而将磁的研究归为了电研究的子部分，打破了电磁的对称性。

1831年，科学家法拉第发现了电磁感应现象。在实验中他发现了当磁场发生变化时可以产生电流，通过分析，他提出并引入场的概念，场作为一种看不见摸不着却实际存在的物质。这一概念使人们对电与磁这类虚无缥缈的物质有了更直观的认识。

继法拉第总结出磁对电产生的关系后，麦克斯韦通过猜想与严密的数学推导提出了变化电场也能激发磁场的观点，而该结论的正确性也在后来被德国物理学家赫兹所证实。这样我们认为变化的电场与变化的磁场间形成了同生互变的关系。依托这些理论，我们可获知电场与磁场有如下关系：静止的点电荷在空间中能激发静电场，运动的电荷按一定方向移动可以生成恒定电场，而在恒定电场中产生的恒定电流是恒定磁场的源。反观变化磁场与变化电场的对称性，使我们对静电场与静磁场中所缺失的对称美感到遗憾。尽管存在部分科学家否认磁性是相较于电性独立存在的，其中代表的安培分子电流假说便将磁的本质解释为电，而事实上通过深入研究，该理论也是有疑问存在的。

那么磁与电之间的相互转换是否能说明它们之间是存在对称的，由于物理学是个强调对称美学的学科，因此数百年来对于是否存在能够自主产生磁性的微元粒子的物质，仍在怀疑中被众多科学家们不断探索。

3 电磁对称性引发的猜想

我们先从经典电磁理论中分析，作为描述宏观电磁现象的核心——麦克斯韦方程组。其微分形式[3]如下：

从式子（4）中，说明了电荷是产生电场的本质，式子（1）说明了磁场是由电荷形成电流后激发的，而式子（2）阐述了变化的磁场也可以成为电场的源。这样从对称美学上我们发现似乎缺少一个重要的环节，那就是是否存在自发产生磁场的微元粒子。

在此，我们假设自然界中存在一种能激发磁场的粒子——磁荷（磁单极子），类比电荷的原理，我们相应扩充磁荷产生的相关性质。引入磁荷后对电磁理论的关系变化如下图。

引入磁荷（磁单极子）后，我们根据麦克斯韦对电磁场的总结，进行对称性猜想扩充。当自然界中存在磁荷时，由于电荷在其周围可以激发产生静电场，则磁荷也能在其周围产生静磁场，注意在此我们假设的静磁场并非传统概念恒定磁场的别称，我们在此将其作为一个新概念提出。

对比静电场的有散无旋性，恒定磁场的有旋无散性，二者具有互补的特性。为此，我们猜想恒定电场与静电场也具有互补特性，由于恒定电场是无散无旋的，所以我们假设静磁场应该是有旋有散的，根据此特性可以相应猜想静磁场的磁力线应当为螺旋延伸的。

电流是由于电荷作定向移动时产生的，那么如果存在磁流，我们由其磁力线推测磁荷沿着螺旋式移动可形成磁流，同样恒定磁流可以激发出恒定电场，而恒定磁场可以产生这种磁流，我们猜想可能由于磁流螺旋度较大，能量分布十分离散，因此难以产生宏观影响。这样电流与磁流的对称性也不言而喻了。

由于麦克斯韦所建立的经典电磁理论中说明变化的电场与变化的磁场间可以相互转化，所有我们认为变化的电场静止后会形成静电场，同理变化的磁场静止后会形成静磁场。至此，引入磁荷可以有效地弥补对电磁对称性的缺陷，同时也能清晰地辨明了电与磁的对立性。

回到对经典电磁理论的核心，麦克斯韦方程组的研究，当磁荷存在时，我们经推导可以对麦克斯韦方程组进行修改，以下是其磁荷存在时麦克斯韦方程组的微分形式[4]如下：

反之，当我们令其中的参数Jm和ρm等于0时，可以推导出无磁荷（磁单极子）存在时的麦克斯韦方程组。因此，磁荷的引入并不违反麦克斯韦方程组的正确性，只是完善麦克斯韦方程组的对称性。

4 磁单极子的探寻

经过分析可知磁荷（磁单极子）的存在将使整个电磁学完美化，更加严密化，因此对其研究十分必要。对于磁单极子的研究，已有近百年之久。

1931年英国物理学家狄拉克[5]首先从理论上用极精美的数学物理公式预言磁单极子是可以独立存在的。他认为，既然电有基本电荷——电子存在，磁也应有基本磁荷——磁单极子存在，电磁现象的完全对称性就可以得到论证。因此，他根据电动力学和量子力学的合理推演，前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来。狄拉克从分析量子系统波函数的相位不确定性出发，证明了电荷的量子化存在下，必有磁单极子的存在。

20世纪70年代后期建立起来的物理大统一理论（万物之理）[4]中也再一次强调磁单极子的存在。

在GTU中认为磁荷是孤波（局域能量包），而不同于普通的基本粒子，通过粒子标准模式去估算在宇宙大爆炸中形成的磁单极子的数量，得出的初步结论和对宇宙的观测结论相互对立——经验算表明磁单极子的数量非常庞大，它甚至能够抑制星体的擴张，但是实际上可见的数量却很少。宇宙暴涨学说的提出，已经做出了合理的说明，假设宇宙中只在暴涨时期之前拥有足够温度产生这些粒子的话，那么暴涨就会将它们的密度减至非常低，而暴涨理论则解释了宇宙的急剧扩张会使得磁荷在空气中的密度骤然减少，并减小至用目前仪器所无法检测到的数量级[5]。而且根据该学说，当磁荷产生以后，如果出现了一个暴涨期，那么相应的这一问题也将能够被破解。由此，磁荷（磁单极子）的存在研究就在天文学中产生了一股“热潮”。

尽管科学家在实验上寻找磁荷时总是未能如愿，但在对于磁单极子的猜想与证明上的科学结论总是层出不穷，而且伴随着对磁单粒子的追寻，意想不到的对其他领域的科学突破也有所帮助。究竟是否存在磁单极子，还需等待历史的验证。

结论

磁荷（磁单极子）的发现毋庸置疑，将会在物理学中成为一颗新星。它将不仅证明物理学严密的对称互补思想，它的性质与存在方式将带领我们发掘新的领域，这也是它在电磁领域的独有特色。考虑到电磁领域的重要性，我们猜想磁荷（磁单极子）的存在或许具有很高的实用价值[7]。

尽管磁荷（磁单极子）的存在性仍是一个谜团，但对其的探索并不会终止，或许不久的将来我们有幸会使用到磁荷研发出的实用产品。

参考文献：

[1]李品钧.从另一种对称性看电磁关系[J].黔南民族师范学院学报，2008，28（06）：19-22.

[2]王延锋.析“分子电流”假说引发的一场争论[J].自然辩证法研究，2020，36（06）：111-115.

[3]李先荣.关于麦克斯韦方程对称性的一种讨论[J].黔南民族师范学院学报，2001（06）：23-26.

[4]邹玲，张文灿，潘健，吴玲玲.应用磁荷简化电磁场问题[J].湖北工学院学报，1996（04）：61-65.

[5]倪卫新，孙凯.关于磁单极子问题研究的一种新的尝试[J].上海理工大学学报，2017，39（02）：165-169.

[6]吕桦，朱玉琢.在宇宙学教学中引入自发暴胀理论[J].教育教学论坛，2017（11）：215-216.

[7]万蔡华，韩秀峰.寻找磁单极子[J].物理，2016，45（10）：670-671.

作者简介：方开耀（2000— ），男，汉族，安徽省歙县人，本科，研究方向：电子信息工程。