找到狄拉克的磁單極

找到狄拉克的磁單極
知識通訊評論第84期

自六十多年前英國大物理學家提出其存在的預測，科學家就一直在尋找磁單極的存在證據。最近有實驗顯示，似乎確實存在有南北極單一點的物質。

旋冰中的單一磁極

對物理學家來說，世界上製做出來的每一塊磁鐵，都有一個北極跟一個南極，這也是他們生活中的一個事實。每當研究者試著將南北極切分開來，他們總是得到另一塊有它自己南北極的磁鐵。沒有什麼道理事情就該是如此，幾十年來，物理學家一直試著找到單一磁極，或簡稱磁單極。

德國柏林海姆霍茲質能研究中心研究員莫利斯 (Jonathan Morris) 說，物理學家在宇宙射線、粒子加速器、甚至是在月球岩石裡，一直在找尋磁單極。如今莫利斯等人在大約跟耳塞一樣大小的小型晶體裡，發現了迄今最能證明磁單極確實存在的證據。

當這些晶體的溫度冷卻到接近絕對零度(攝氏零下兩百七十三度)時，裡頭似乎就充滿著南北極的細小單點。這些點彼此之間距離不到一奈米，無法直接測量出來，儘管如此，莫利斯跟其他物理學家還是相信，它們確實就在那裡。九月初他們將這份研究的兩篇論文發表在《科學》期刊上，其他的研究成果則發表在預印伺服器 arXiv.org 上頭。

狄拉克

這些晶體是由一種稱為「旋冰」的材料所製成，這種材料因為其原子以類似水冰的方式排列而得名。明確來說，這些原子座落在四邊金字塔的頂端，每個原子都像是個小型的磁鐵棒，當晶體冷卻到接近絕對零度，這些原子磁鐵便會排列成行。有時候金字塔的四個角裡，有三個角會對齊在一起，在金字塔中心形成一處由北極或南極磁荷構成的區域。這個磁荷沒有附著在任何物體上，只是作用就像是磁單極一樣。

無疑的證據?

理論研究指出磁單極的可能存在，而且曾經經過間接的方法測得。但是這兩篇發表於《科學》期刊上的論文，是第一個記錄下旋冰材料單極效應的實驗。這兩篇論文利用中子，偵測到晶體中的原子排列成長長的雛菊環狀，這些雛菊環把每個南北單極都綁在一起。這些叫做「狄拉克弦」的雛菊環，以及磁單極的存在，都是一九三○年代由英國理論物理學家狄拉克(Paul Dirac)提出預測的。其中一篇論文的熱能測量，也支持磁單極存在的論證。

另外兩篇還未正式發表，目前放在 arXiv 伺服器上的論文，也補充了一些證據。第一篇論文提供額外的觀察記錄，第二篇論文則使用一套新的技法，確認每個磁單極的磁荷為每單位磁力 4.6×10-13 焦耳。《科學》期刊其中一篇論文及一篇 arXiv 伺服器論文的作者，英國倫敦大學學院材料科學家布朗威爾 (Steve Bramwell) 表示，整體來說磁單極的證據如今已然相當明確。

美國賓州州立大學研究員希佛 (Peter Schiffer) 表示，起碼就他來看，這類測量使得磁單極之說更為確實，至於磁單極是否能夠直接被看到，那是另一個問題。就像任何帶有電荷的粒子會異性相吸一樣，南北極一般來說會聚集在一起，彼此間相隔少於一奈米，這使得要個別的偵測它們極其困難。不過希佛說，要他說什麼事情是不可能的，他還是相當猶豫。

布朗威爾說，即使沒有直接看到磁單極，他還是確定磁單極就在那裡。他說在這一堆論文過後，他不覺得還有人能夠質疑磁單極的存在。