高中物理论文：慎讲“磁单极” .doc

慎讲“磁单极”现行的高中教科书注重学生的探究能力培养，其中有阅读材料介绍磁单极子，引导学生对磁单极子的探测方法进行探究。但笔者认为书本中的讲述有值得商榷之处，特撰文述之。一、 磁单极提出的理论背景关于磁荷（磁单极）的理论（看法）自古有之。大致可以分为三个阶段：1 朴素的磁极观追朔历史，人们很久以前就把电现象和磁现象相提并论。我国汉代王充（公元27104年）所著论衡一书中就有记载，说是玳瑁（经过摩擦）可以吸引芥子，磁石可以吸引钢针。公元1269年培特勒斯·佩里格利纳斯（Petrus Peregrinus），最早引人了磁极概念。他认为一块磁石有南北两极，同名相斥、异名相吸。1733年，法国科学家查理（Charles）明确电荷仅有两种，异性相吸，同性相斥。1785年，库仑(Coulomb)又发现了磁和电的形式完全相同的相吸和相斥定律。特别是查理明确电荷仅有两种及库仑发现电力磁力形式相同，使人们坚信电磁的对称性，认为磁体是由磁荷组成。但磁荷的观点也遇到了巨大的阻碍：有孤立存在的电荷，为何磁极总是成对存在的（再小的磁体也有两个极）。而随着1820年奥斯特(Oersted)发现电流的磁效应，同年安培(Ampere)提出分子电流假说，指明磁现象源于电荷的运动，而非由“磁荷”产生，此后经过大量的实验证明安培理论的正确性，磁荷观点渐渐淡出。2 狄拉克的理论预言及电磁对称的观点直到麦克斯韦(Maxwell)建立电磁学基本方程组，统一了电磁场。本来理论已十分完美，但麦克斯韦的方程组：·D =      （1）×E = -B/t（2）·B = 0（3）×H = D/t + J（4）其积分形式为：高斯定律磁高斯定律法拉第电磁感应定律安培环路定律表现出来的，是电磁的不完全对称，其中的方程（2）和方程（3）似乎都有缺项。1931年，刚刚对“反电子”的存在做出预言的英国物理学家狄拉克(Dirac）认为，如果承认磁单极子，则磁荷的静磁场也同电场一样，这样电磁现象的完全对称性就可以得到保证。于是他理所当然地宣称：“如果大自然不应用这种可能性，简直令人惊诧，”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，使麦克斯韦方程具有完全对称的形式：（式中m、Jm分别与、J对应，为磁荷密度和磁流密度。）·D =      （1） ×E = -B/t - Jm（2）·B = m（3）×H = D/t + J（4） 其积分形式为：(其中 qm 叫做磁荷或磁单极子，Im是磁荷流)高斯定律磁高斯定律法拉第电磁感应定律安培环路定律（由于磁单极子尚未发现，以上4式且称为“准方程组”。）不仅如此，电磁的性质也将体现出完全的和谐：荷的场：高斯定理：环路定理：场的势：E U H极化规律：场对偶极子的作用： 荷在同场中的受力：F = (P ·)EF = (Pm·)H荷在异场中的受力：F = 0 qv×H F = 0 qmv×E而且根据磁单极子的存在的理论，电荷的量子化现象也可以得到解释。 n=整数 (a)式中g是磁单极子的磁荷量，e是电子的电荷量， 是约化普朗克常数，c是光速。当n=1时，得基本磁荷或狄拉克磁单极子的量值为： (b)g0比基本电荷e大得多，这是磁单极子的一个重要特性。因为这意味着异性磁荷之间的吸引力，比起异性电荷之间的吸引力要强得多，必须在很强的外力作用下才能把成对的相反磁荷分开。狄拉克认为这就可以解释，为什么电子早已发现，而磁单极子却难以找到。另外，由于(a)式中 n = 整数，由此又揭示了磁荷和电荷的不连续性。解释了物理学中一直悬而未决的“电荷量子化”难题。因此，杨振宁教授于1983年5月在北京所作的一次学术报告中才盛赞狄拉克的磁单极子假设，是他的“神来之笔”。著名的美籍意大利物理学家费米(Fermi)也曾经从理论上考察过磁单极子，一直认为“它的存在是可能的”。后来的一些物理学家则弥补了狄拉克理论中的一些困难和不足，给磁单极子的存在以更坚实的理论根据。3 现代物理理论的预言随着物理学的发展，除狄拉克最早提出的磁单极子学说外，现代物理理论中还有：磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的全对称磁单极子学说；由著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等提出的采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说；应用统一规范场理论的规范磁单极子学说；应用爱因斯坦-麦克斯韦耦合场的相对论性耦合场磁单极子学说；应用超弦理论和4维规范模型的超重磁单极子学说；超对称和超弦磁单极子学说等。理论上虽然预示了磁单极子存在的可能性，但目前既又赞成的，也有反对者。赞成这一理论的，不乏非常杰出的物理学家。他们认为，磁单极子是存在的，但它们成对结合得太紧密了，现在所有的高能质点尚不能把它们轰开。但愿这个解释能被将来的实践所证实。对磁单极子的存在持否定态度的也大有人在，并且能提出这样或那样的理由加以论证。二、 磁单极若存在，电磁理论的变化由以上麦克斯韦方程组和准方程组的区别可以看出，若磁单极子不存在，则电场的来源可以有两个：一是静电荷，一是变化的电场；而若磁单极子存在，则电场的来源可以有三个，除了以上两个外，还有磁荷的运动（与电流产生磁场对称，且称之为“磁流”）。同样的，磁场的来源也可以有三个，一是电流，一是变化的电场，还有静磁荷。麦克斯韦理论是整个电磁理论的基石，由于磁单极子的引入，理论发生了变化，故电磁学的许多规律都要修正。特别要提出的是法拉弟电磁感应定律：穿过回路的磁通量变化回路中产生感应电动势。众所周知，法拉弟电磁感应定律是一条实验定律，由于实验中并未存在磁单极子，如果存在磁单极子，按前述狄拉克理论，恒定磁流也可产生感应电动势。（注意：恒定电流周围存在着不变的电场，由于恒定磁流与恒定电流相似，其周围的磁场是不变的，所以不能把“恒定的磁流产生电场”归并到“变化的磁场产生电场”中。）这样一来，法拉弟电磁感应定律应修正为：穿过回路的磁通量变化与磁流共同产生感应电动势。三、 对高中阶段讲述“磁单极”的一点建议磁单极作为一种理论，并没有确切的实验依据。而在高中的书本和练习中，讲到了关于磁单极的问题。在高中新教材中，有一个寻找磁单极的阅读材料，讲述的是美国物理学家卡布莱拉用实验寻找磁单极。其中讲到：“设想有一个磁单极穿过超导线圈，穿过超导线圈的磁通量将发生改变，而且的感应电动势的方向不变，于是在超导线圈中将引起感应电流。”笔者认为，这里有两个严重的科学性错误。（1）超导线圈中的磁通量是不允许改变的。若原来线圈中的磁通量是0，则无论有无磁极穿过，磁通量始终是0。（2）即使换作常规导体线圈，穿过线圈的磁通量在全过程中的变化量也是0。因为初时磁荷在距线圈很远处，线圈磁通量为0，而最后磁荷仍然在距线圈很远处，磁通量仍为0，按经典的法拉弟电磁感应定律，其平均电动势应为0，为什么最后还有感应电流呢？而如果注意到磁单极存在将引起的电磁理论变化，这个问题就不难解释了，最后的感应电流并非来自磁通量的改变，而是来自于磁流（穿过线圈的磁荷是运动的，形成磁流）。当然，如何计算超导线圈中由于磁荷穿过而产生的感应电流呢？由哥德哈勃(Goldhaber)提出的所谓的狄拉克量子化条件(Dirac quantization condition)，可得磁荷对闭合曲面的磁通量式中叫做通量量子(fluxon)，它是超导电性的通量量子。这样，可以用类似磁通量的观点来解决感应电流的问题。除了教材中“寻找磁单极”外，参考书中还有下例：MNBMNB甲乙有磁体M磁感线如图，有一线圈N由上而下水平下落(甲为透视图，乙为俯视图)，问：线圈中的感应电流方向。此题的标准答案是：将线圈等效为一直导线切割磁感线，由右手定则可知，其电流为顺时针方向(俯视)。但有一个问题，这题如果用法拉弟定律是无法解释的，因为线圈中的磁通量没有变化。若要解释电流产生原因，只能用磁流产生磁场的理论。那么，这道题想告诉学生什么呢？难道是想告诉学生法拉弟定律的局限性吗？但是磁单极呢？还没有找到呢!由此，笔者认为，在高中阶段讲述磁单极时，可以向同学简要介绍磁单极的提出背景，然后介绍磁、电的对称，让同学自己去研究如果磁单极存在，磁生电的可能途径。因为本来就是未知世界，应该给同学们自己研究的余地。最后，特别应该指出的是到了晚年的狄拉克本人，也不完全相信磁单极子真的存在。1981年11月11日，他在致阿布杜斯·萨拉姆的信中说：“至今我已是属于那些不相信磁单极子存在之列的人了。”参考文献：1 梁绍荣 王雪君电动力学北京师范大学出版社19862 卢德馨大学物理学高等教育出版社20033 应兴国/等中学物理教师手册上海教育出版社19844 郭奕玲/等物理学史清华大学出版社19995 吴文智打开问号物质世界揭秘湖北教育出版社20016 吴绍东磁场的方向与作用广西大学学报(自然科学版)1999.67 普通高中教科书（必修加选修）物理（第二册）人民教育出版社（2003年版）5